Μια ισχυρή στρατηγική ελέγχου χωρίς PLL με εφαρμογή για συνδεδεμένες στο δίκτυο ΓΔ κυψελών καυσίμου κάτω από ασύμμετρη πτώση τάσης

Το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας του μέλλοντος θα δει μια μεγάλη διείσδυση της καθαρής ενέργειας με βάση την κατανεμημένη παραγωγή (DG), όπως ηλιακούς φωτοβολταϊκούς (PV) σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, ανεμογεννήτριες και κυψέλες καυσίμου. Αυτή η παραγωγή συχνά συνδέεται με το δίκτυο μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος (PEC). Η διεπαφή χρησιμοποιεί συνήθως τον μετατροπέα πηγής τάσης συνεχούς ρεύματος (VSC) που προσφέρει υψηλή απόδοση και ευέλικτη λειτουργία μέσω του γρήγορου ελέγχου της ενεργού και άεργου ισχύος.

Η παραγωγική ενοποίηση των πόρων καθαρής ενέργειας εξαρτάται, ως επί το πλείστον, από τον αποτελεσματικό έλεγχο των μετατροπέων διεπαφής. Τα τελευταία χρόνια, οι ΓΔ κυψελών καυσίμου (FCDG) έχουν γίνει ολοένα και πιο κοινές καθώς διαθέτουν πολλά χρήσιμα χαρακτηριστικά. Έχουν υψηλότερη απόδοση από τις γεννήτριες ντίζελ και μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν με άλλους τύπους ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρωτογενείς πηγές ενέργειας ή για να συμπληρώσουν τη διακοπτόμενη φύση της ενέργειας από ΑΠΕ.

Τεράστια οφέλη μπορούν να αποκομιστούν από την ενσωμάτωσή τους στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, παράλληλα με μια υποδομή επικοινωνιών, προς μια αξιόπιστη και σταθερή λειτουργία του δικτύου και αμφίδρομη ροή ισχύος. Μπορούν να χρησιμεύσουν ως βασικά δομικά στοιχεία για το ταχέως αναδυόμενο έξυπνο δίκτυο [2–5].

Επισκόπηση βιβλιογραφίας και κίνητρο έρευνας

Ο έλεγχος των VSC με μια εφαρμογή για FCDG και υβριδικά ΓΔ που βασίζονται σε FC έχει ερευνηθεί ευρέως [1, 6-15]. Η αύξηση των ΓΔ οδήγησε σε νέους και αυστηρούς κανονισμούς και πρότυπα σύνδεσης στο δίκτυο [16] απαραίτητα για τη διατήρηση της σταθερότητας και της αξιοπιστίας. Μια τέτοια απαίτηση είναι η ικανότητα μιας πηγής ΓΔ να διατηρεί τη σύνδεση στο δίκτυο σε περίπτωση πτώσης τάσης [17], γνωστή και ως απαίτηση χαμηλής τάσης δρομολόγησης (LVRT). Εάν η πτώση δεν είναι ομοιόμορφη και στις τρεις φάσεις (ασύμμετρη), το VSC πρέπει να ελέγχεται προσεκτικά για να διατηρείται η σύνδεση και η σταθερότητα του δικτύου. Επιπλέον, ενδέχεται να υπάρχουν ρυθμιστικές απαιτήσεις για την πηγή ΓΔ, όπως η έγχυση μιας προδιαγεγραμμένης ποσότητας ισχύος στο δίκτυο. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, είναι σύνηθες να αποσυντίθενται οι μετρούμενες ασύμμετρες τάσεις και ρεύματα σε ένα σύνολο συμμετρικών και να ελέγχονται χωριστά [18, 19]. Μια τέτοια λειτουργία πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας εξειδικευμένους και προσεκτικά συντεθειμένους βρόχους κλειδώματος φάσης (PLLs), π.χ., τον γενικευμένο βρόχο κλειδωμένης συχνότητας-ολοκληρωτή δεύτερης τάξης (SOGI-FLL) [20]. Οι εργασίες σχεδίασης ελεγκτή και συντονισμού PLL γίνονται μη τετριμμένες και προκλητικές και αυξάνουν επίσης την υπολογιστική πολυπλοκότητα του ελεγκτή.

Οι περισσότερες από τις υπάρχουσες τεχνικές ελέγχου VSC για το συνδεδεμένο με δίκτυο FCDG απευθύνονται μόνο στην κανονική λειτουργία. ασύμμετρες βυθίσεις τάσης δεν αντιμετωπίζονται. Και πολλές από τις τρέχουσες στρατηγικές με δυνατότητα LVRT για ΑΠΕ συνδεδεμένες στο δίκτυο χρησιμοποιούν ειδικά PLL, οδηγώντας σε επιπλέον προσπάθειες σχεδιασμού και υπολογιστικές επιβαρύνσεις. Το βασικό κίνητρο πίσω από αυτήν την έρευνα είναι η αντιμετώπιση ορισμένων από αυτούς τους περιορισμούς.

Ερευνητικές συνεισφορές

Αυτή η έρευνα προτείνει μια ισχυρή λύση ελέγχου με δυνατότητα LVRT για μετατροπείς FCDG συνδεδεμένους με δίκτυο με χαμηλότερη υπολογιστική πολυπλοκότητα και απαιτήσεις σχεδιασμού από ορισμένες υπάρχουσες τεχνικές. Οι βασικές συνεισφορές αυτής της εργασίας είναι:

• Παρουσιάζεται μια αποτελεσματική στρατηγική που χρησιμοποιεί εκτίμηση αβεβαιότητας και διαταραχής [29] και επαναλαμβανόμενο έλεγχο [30]. Έχει γρήγορη μεταβατική απόκριση και προσφέρει καλές ιδιότητες απόρριψης διαταραχών.
• Ο προτεινόμενος ελεγκτής έχει χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα και μπορεί να ρυθμιστεί άνετα.
• Η ενεργή ισχύς παραμένει σταθερή και τα ρεύματα φάσης αποκτούν ημιτονοειδές σχήμα κατά τη διάρκεια ασύμμετρης πτώσης τάσης χωρίς να απαιτείται ειδικό PLL, μειώνοντας περαιτέρω την πολυπλοκότητα.
• Η σχεδίαση του ελεγκτή είναι απαλλαγμένη από τη δυναμική της δυναμικής του μετατροπέα FC ή του dc-dc. Κάνει τη στρατηγική πιο στιβαρή και απρόσβλητη σε ανακρίβειες μοντελοποίησης.
• Η παραγωγική ικανότητα του συστήματος μπορεί να αυξηθεί χωρίς επανασχεδιασμό του ελεγκτή. Έτσι, το σχήμα μπορεί να αντέξει αποτελεσματικά τις αλλαγές τοπολογίας δικτύου.

Αναφορές:

1. Μ. E. Raoufat, A. Khayatian και A. Mojallal, «Ανάκτηση απόδοσης μετατροπέων πηγών τάσης με εφαρμογή σε συνδεδεμένες στο δίκτυο DGs κυψελών καυσίμου», IEEE Transactions on Smart Grid, τομ. 9, αρ. 2, σελ. 1197–1204, Μάρτιος 2018.
2. S. Rahman και K. Tam, «Μια μελέτη σκοπιμότητας υβριδικού συστήματος φωτοβολταϊκών κυψελών καυσίμου», IEEE Transactions on Energy Conversion, τομ. 3, αρ. 1, σελ. 50–55, Μάρτιος 1988.
3. Σ. A. Bernstein, M. Heuer και M. Wenske, «Σύστημα κυψελών καυσίμου ως μέρος του έξυπνου δικτύου», στο 2013 IEEE Grenoble Conference. IEEE, Ιούνιος 2013, σελ. 1–4.
4. Σ. Patel, F. Jahnke, L. Lipp, T. Abdallah, N. Josefik, M. Williams και N. Garland, “Fuel Cells And Hydrogen For Smart Grid”, 2011, σελ. 305–313.
5. J. Blanchard, «Έξυπνες ενεργειακές λύσεις που χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου», στο 2011 IEEE 33ο Διεθνές Συνέδριο Τηλεπικοινωνιών Ενέργειας (INTELEC). IEEE, Οκτώβριος 2011, σελ. 1–8.
6. S. K. Mazumder, R. K. Burra, R. Huang, M. Tahir, and K. Acharya, «A Universal Grid-Connected Fuel-Cell Inverter for Residential Application», IEEE Transactions on Industrial Electronics, τομ. 57, αρ. 10, σελ. 3431–3447, Οκτώβριος 2010.
7. Μ. Jang, M. Ciobotaru, and V. G. Agelidis, «A Single-Phase Grid-Connected Fuel Cell System Based on a Boost-Inverter», IEEE Transactions on Power Electronics, τομ. 28, αρ. 1, σελ. 279–288, Ιαν. 2013.
8. S. A. Taher and S. Mansouri, “Optimal PI controller design for active power in grid-connected SOFC DG system”, International Journal of ElectricalPower &Energy Systems, τομ. 60, σελ. 268–274, σεπ 2014.
9. Τ. Erfanmanesh και M. Dehghani, «Βελτίωση απόδοσης σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής κυψελών καυσίμου που συνδέονται με το δίκτυο:Μια προσέγγιση ισχυρού ελέγχου LPV», International Journal of Electrical Power &Energy Systems, τομ. 67, σελ. 306–314, Μάιος 2015.
10. Η. R. Baghaee, M. Mirsalim, G. B. Gharehpetian, and H. A. Talebi, «De-centralized Sliding Mode Control of WG/PV/FC Microgrids Under Unbalanced and Nonlinear Load Conditions for On- and Off-Grid Modes», IEEE Systems Journal, pp . 1–12, 2017.
11. ——, «Μια στρατηγική αποκεντρωμένης διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου λειτουργίας ολίσθησης για υβριδικά μικροδίκτυα AC/DC συμπεριλαμβανομένων των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας», IEEE Transactions on Industrial Informatics, σελ. 1–1, 2017.
12. Μ. Mohammadi και M. Nafar, «Fuzzy sliding-mode based control (FSMC) προσέγγιση του υβριδικού μικροδικτύου σε συστήματα διανομής ισχύος», International Journal of Electrical Power &Energy Systems, τομ. 51, σελ. 232–242, Οκτώβριος 2013.
13. Α. Eid, «Utility integration of PV-wind-fuel cell hybrid distributed generation systems under variable load demands», International Journal of Electrical Power &Energy Systems, τομ. 62, σελ. 689–699, Νοέμβριος 2014.
14. S. Πάτρα, M. Narayana, S. R. Mohanty και N. Kishor, «Power Quality Improvement in Grid-connected Photovoltaic–Fuel Cell Based Hybrid SystemUsing Robust Maximum Power Point Tracking Controller», Electric Power Components and Systems, τομ. 43, αρ. 20, σελ. 2235–2250, δεκ. 2015.3
15. Εγώ. Abadlia, M. Adjabi, and H. Bouzeria, “Sliding mode based power control of grid-connected photovoltaic-hydrogen hybrid system”, International Journal of Hydrogen Energy, τομ. 42, αρ. 47, σελ. 28 171–28 182, Νοέμβριος 2017.
16. Η. R. Baghaee, M. Mirsalim, G. B. Gharehpetian, and H. A. Talebi, «Anew current limiting strategy and fault model to improve fault ride-through capability of inverter interfaced DERs in autonomous microgrids», Sustainable Energy Technologies and Assessments, τόμ. 24, σελ. 71–81, δεκ. 2017.
17. Ε. Troester, “New German grid codes for connecting PV systems to the medium voltage power grid”, 2nd International workshop on concentrating photovoltaic power plants:optical design, production, grid connection, σελ. 1–4, 2009.
18. Μ. Mirhosseini, J. Pou, B. Karanayil, and V. G. Agelidis, “Resonant Ver-sus Conventional Controllers in Grid-Connected Photovoltaic Power PlantsUnder Unbalanced Grid Voltages”, IEEE Transactions on Sustainable Energy, τόμ. 7, αρ. 3, σελ. 1124–1132, Ιούλιος 2016.
19. Α. Merabet, L. Labib, A. M. Ghias, C. Ghenai, and T. Salameh, “Robust Feedback Linearizing Control with Sliding Mode Compensation for a Grid-Connected Photovoltaic Inverter System under Unbalanced Grid Voltages”, IEEE Journal of Photovoltaics, τομ. 7, αρ. 3, σελ. 828–838, 2017.
20. Σ. Rodriguez, A. Luna, I. Candela, R. Mujal, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, “Multiresonant Frequency-Locked Loop for Grid Synchronization ofPower Converters Under Distorted Grid Conditions”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, αρ. 1, σελ. 127–138, Ιαν. 2011.
21. Α. Merabet, L. Labib και A. M. Ghias, «Στιβαρό μοντέλο πρόβλεψης ελέγχου για σύστημα φωτοβολταϊκών μετατροπέων με δυνατότητα διέλευσης σφαλμάτων δικτύου». IEEE Transactions on Smart Grid, τόμ. 9, αρ. 6, σελ. 5699 – 5709,2017.
22. V. Utkin και Hoon Lee, «Chattering Problem in Sliding Mode ControlSystems», στο International Workshop on Variable Structure Systems, 2006.VSS’06.IEEE, σελ. 346–350.
23. Χ. Wang, Z. Yang, B. Fan, and W. Xu, «Στρατηγική ελέγχου τριφασικού φωτοβολταϊκού μετατροπέα υπό συνθήκες οδήγησης χαμηλής τάσης», Mathematical Problems in Engineering, τομ. 2015, σελ. 1–23, 2015.
24. Η. Tian, ​​F. Gao, C. Ma, G. He, and G. Li, «Στιβαρός έλεγχος φωτοβολταϊκού μετατροπέα δύο σταδίων για μη ισορροπημένη λειτουργία χαμηλής τάσης», Proceedings – 2014 International Power Electronics and Application Conference and Exposition, IEEE PEAC 2014, σελ. 560–565, 2014.
25. Μ. Eydi, J. Farhang, R. Emamalipour, and B. Asaei, “Low voltage ride-through of a two-stage photovoltaic inverter under different types of grid faults”, 4th Iranian Conference on Renewable Energy and Distributed Generation, ICREDG 2016, pp 78–83, 4.2017
26. Ν. Zhang, H. Tang και C. Yao, «A Systematic Method for Designing a PR Controller and Active Damping of the LCL Filter for Single-Phase Grid-Connected PV Inverters», Energies, τομ. 7, αρ. 6, σελ. 3934–3954, Ιούνιος 2014.
27. Chenlei Bao, Xinbo Ruan, Xuehua Wang, Weiwei Li, Donghua Pan και Kailei Weng, "Σχεδίαση ελεγκτή βήμα προς βήμα για μετατροπέα τύπου LCL με σύνδεση στο δίκτυο με ενεργή απόσβεση πυκνωτή ρεύματος", IEEE Transactions on Power Electronics, τόμ. 29, αρ. 3, σελ. 1239–1253, Μάρτιος 2014.
28. Γ. Bonan, J. Flores, D. Coutinho, L. Pereira και J. Gomes da Silva, «Επαναλαμβανόμενος σχεδιασμός ελεγκτή για αδιάλειπτα τροφοδοτικά:Μια προσέγγιση LMI», στο IECON 2011 – 37ο Ετήσιο Συνέδριο της IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, Νοέμβριος 2011, σελ. 704–709.
29. Q.-C. Zhong και D. Rees, «Control of Uncertain LTI Systems Based on an Uncertainty and Disturbance Estimator», Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, τομ. 126, αρ. 4, σελ. 905, 2004. [Διαδικτυακός]. Διαθέσιμο:https://asmedigitalcollection.asme.org/dynamicsystems/article-abstract/126/4/905/471534/Control-of-Uncertain-LTI-Systems-Based-on-an?redirectedFrom=fulltext
30. Τ. Inoue, M. Nakano, T. Kubo, S. Matsumoto, and H. Baba, «High Accuracy Control of a Proton Synchrotron Magnet Power Supply», IFAC Proceedings Volumes, vol. 14, αρ. 2, σελ. 3137–3142, Αυγούστου 1981.
31. Β. A. Francis και W. M. Wonham, «Η αρχή του εσωτερικού μοντέλου για γραμμικούς πολυμεταβλητούς ρυθμιστές», Applied Mathematics &Optimization, τομ. 2, αρ. 2, σσ. 170-194, ιουν. 1975.