پیامدهای محیطی، کمبود انرژی و نگرانی­های مربوط به بیشینه شدن مصرف سوخت های فسیلی موجب پیدایش رویکرد جالب توجهی به انواع مختلف منابع انرژی تجدید پذیر شده است. انرژی الکتریکی در زندگی بشر رایج ترین نوع انرژی است، ولی تولید آن اغلب از طریق سوخت­های فسیلی حاصل می آید که این ذخایر سوختی محدودیت­های بسیاری دارند [۱]. این محدودیت­ها سبب شده تا تمایلات جدید به سمت تکنولوژی های تولید توان تجدیدپذیر از قبیل باد، خورشید و … جلب شود.
خورشید یکی از منابع مهم انرژی است که باید به آن روی آورده زیرا به فن آوری­های پیشرفته و پرهزینه نیاز نداشته و می تواند به عنوان یک منبع مفید و تامین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان به کار گرفته شود. به علاوه استفاده از آن بر خلاف انرژی هسته­ای، خطر و اثرات نامطلوبی از خود باقی نمی­گذارد و برای کشورهایی که فاقد منابع انرژی زیرزمینی هستند، مناسب ترین راه برای دستیابی به نیرو و رشد و توسعه اقتصادی می باشد.

فن آوری ساده، آلوده نشدن هوا و محیط زیست و از همه مهم تر ذخیره شدن سوخت های فسیلی برای آیندگان یا تبدیل آن­ها به مواد و مصنوعات پر ارزش پتروشیمی، از عمده دلایلی هستند که لزوم استفاده از انرژی خورشیدی را برای صنعت و بطور خاص؛ برق، آشکار می سازند. مزیت نیروگاه خورشیدی برآن است که به یک بار هزینه راه اندازی و نصب نیاز داشته و انرژی رایگان، با هزینه اندک تعمیرات ونگهداری به شبکه تا مدت طولانی تحویل می­دهد.
از آنجایی که توان خورشیدی در شب وجود ندارد لذا لازم است یک منبع توان آماده به کار برای تامین تقاضای بار وجود داشته باشد. از این رو نیاز به ترکیب منابع ، مانند سیستم فتوولتائیک و دیزل ژنراتور می باشد. سیستم توان هیبریدی ترکیبی از دو یا چند منبع توان الکتریکی است که حداقل یکی از آنها از نوع تجدیدپذیر باشد [۲]. سیستم هیبرید دیزلی- فتوولتائیک قابلیت اطمینان کاملی را فراهم می­نماید زیرا دیزل ژنراتور در نبود توان، توسط سیستم فتوولتائیک در شب، به عنوان یک پشتیبان عمل می کند و تامین تقاضای بار را انجام می­دهد. در عمل وقتی از دیزل ژنراتور استفاده می­ شود که توان سیستم فتوولتائیک برای تامین تقاضای بار (خودروهای الکتریکی) کافی نباشد [۳].
برای تکمیل مدیریت تولید، بهترین گزینه، ذخیره انرژی است. با بهره گرفتن از سیستم ذخیره انرژی، یک منبع الکتریکی کم هزینه می تواند به طور موثر پیک تقاضا را تامین نماید [۴-۵].
تاکنون روش های متعددی در زمینه ی کنترل مناسب توان هیبرید دیزلی- فتوولتائیک با واحد ذخیره انرژی جهت به دست آوردن عملکرد دینامیکی مطلوب و استخراج بیشترین بهره­وری از انرژی موجود ارائه شده است. رویکرد متداول، استفاده از کنترل کننده­ های کلاسیک می باشد. در سال­های اخیر، کنترل­های منطق فازی در مهندسی سیستم­های قدرت، مورد توجه بسیار و رو به رشدی قرار گرفته­اند. منطق فازی یک سیستم استدلالی برای شکل دهی استدلال تقریبی است [۶]. سیستم منطق فازی یک چهارچوب بسیار مناسب برای مدل سازی کارآمد و کامل عدم قطعیت در استدلال بشری با بهره گرفتن از متغیرهای زبانی و توابع عضویت فراهم می­نماید. کنترل­های منطق فازی در مقایسه با کنترل­های متداول از نظر عملکرد و مقاوم بودن در برابر عدم قطعیت، برتر بوده است. همچنین در سال­های اخیر از کنترل کننده فازی-کلاسیک به دلیل حساسیت و انعطاف پذیری آن در برابر تغییر پارامترها و تغییر بارهای بزرگ حتی در حضور عوامل غیرخطی نظیر محدودیت نرخ تولید مورد توجه قرار گرفته است[۷].
در بخش اول این تحقیق، به پیاده سازی یک مدل دینامیکی از سیستم توان هیبرید دیزلی- فتوولتائیک با واحد ذخیره سازی انرژی (باتری) برای خودرو الکتریکی پرداخته شده است. سپس به طراحی کنترلی برای سیستم مذکور پرداخته شده است. اولین استراتژی استفاده از کنترل کننده کلاسیک می­باشد. سپس از کنترل کننده فازی-کلاسیک به دلیل قابلیت خوب این کنترل کننده در مسائل پیچیده ، برای بهبود انحراف فرکانس شبکه بهره می­بریم. در بخش شبیه سازی نشان داده خواهد شد که کنترل کننده پیشنهاد شده، عملکرد نسبتاً مناسبی در برابر تغییرات بار از خود نشان می­دهد و نسبت به تغییرات پارامتری مقاوم است.
۱-۲ تعریف مسأله
انرژی الکتریکی برای هر فردی ضروری است به ویژه در قرن جدید که در آن مردم به دنبال زندگی با کیفیت بالاتری هستند. این واقعیت در جهان پذیرفته شده است که انرژی الکتریکی برای توسعه اجتماعی و اقتصادی، ضروری است.
مطالعات اخیر نشان می دهد که حدود ۲۰% تا ۳۰% انرژی مصرفی بدون نیاز به تغییرات در ساختار فیزیکی سیستم و تنها به وسیله عملکرد بهینه و مدیریت شده قابل کاهش خواهد بود. یکی از روش های کاهش تلفات و پاسخ به نیاز مصرف کنندگان و کاهش انتشار گازهای گلخانه­ای استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در دسترس به صورت محلی مانند انرژی خورشیدی، باد، هیدروژن و …. و ترکیب آنها برای پیاده سازی سیستم های مدولار، قابل گسترش و برنامه­ ریزی می­باشد.
از سویی، بخش حمل و نقل عمده ترین بخش مصرف کننده فرآورده های نفتی و بالطبع یکی از مهمترین عوامل آلودگی محیط زیست خواهد بود. بنابراین، با توجه به بحران انرژی و محیط زیست در آینده به ویژه در کشورهای صنعتی، موضوع جایگزینی اتومبیل های کنونی (احتراق داخلی) با خودروهای الکتریکی مورد توجه قرار گرفته است. از طرف دیگر، نگرانی های گسترده در مورد گرم شدن زمین و نیز آلودگی هوای ناشی از مصرف سوخت­های فسیلی توسط خودروها اهمیت یافتن راهکارهای جدید برای تغییر منبع انرژی مورد نیاز خودروها را دو چندان ساخته است. یکی از منابع انرژی پراکنده خودرو الکتریکی هیبرید قابل اتصال به شبکه برق است. این خودرو یک اتومبیل الکتریکی بنزینی شبیه اتومبیل های امروزی است، اما دارای یک باتری بزرگتر و یک کابل برای اتصال به شبکه برق جهت شارژ است [۸].
۱-۳ پیشینه تحقیق
به دلیل قابلیت ذخیره­سازی زیاد انرژی، باتری­ها دیگر نمی توانند مانند اتومبیل­های هیبرید استاندارد، با بکارگیری یک موتور احتراقی دوباره شارژ شوند، بنابراین باید به برق وصل شوند تا سیستم باتری با برق شبکه شارژ گردد. به همین دلیل یک سیستم ذخیره سازی انرژی (باتری) برای سیستم قدرت خودرو الکتریکی در نظر گرفته شده است این باتری از نوع NI-MH می باشد] ۸[. تحقیقات نشان داده که عمر باتری توسط عوامل بسیاری تحت تاثیر قرار می­گیرد که مهم ترین عوامل شامل: حرارت شدید، شارژ و دشارژ بیش از اندازه می­باشد. این عوامل عملکرد باتری را بدتر کرده و این عمل منجر به بدتر شدن عملکرد خودرو الکتریکی و بهره­وری آن می­ شود ]۹[. درجه حرارت می تواند دو اثر مهم در عملکرد باتری داشته باشد، هم می تواند راندمان باتری را بهبود بخشد و هم می تواند به طور قابل توجهی عمر باتری را کوتاه کند.
با افزایش دما راندمان مقاومت داخلی باتری کاهش می­یابد و این عملکرد باتری را بهبود می­بخشد و درجه حرارت بالا باعث می­ شود که واکنش شیمیایی در باتری سریع­تر انجام شود که این امر به اجزای باتری آسیب می­رساند و عمر باتری را کاهش می­دهد [۱۰].
با نظر به منابع انرژی پراکنده قابل بهره ­برداری، سیستم­های قدرتی که از منابع تولید توان الکتریکی مختلفی استفاده می­ کنند، با عنوان سیستم قدرت هیبرید شناخته می­شوند. طراحی اجزای سیستم­های قدرت کوچک با قابلیت اتصال و انفصال از شبکه سراسری برق که اصطلاحاً ریز شبکه نامیده می­شوند، باید به نحوی باشد که عملکرد مطمئن آن را در هر دو حالت بهره برداری شامل حالت اتصال به شبکه و حالت جزیره ای یا مستقل از شبکه تضمین نماید. بارها و منابع انرژی هیبرید در یک ریز شبکه می توانند با حداقل زمان ممکن، از شبکه سراسری منفصل شده و مجددا به آن وصل شوند و بدین ترتیب منجر به افزایش قابلیت اطمینان در تأمین بارهای ریز شبکه شوند.
یکی از کاربردهای اساسی فناوری ریز شبکه، هماهنگی بین تولیدکننده های مختلف و بارهای کنترل پذیر جهت ارائه یک سیستم کارا و سودمند می­باشد. در این راستا سیستم مدیریت انرژی به منظور مدیریت عملکرد ریز شبکه نیاز است. مقالات زیادی نیز پیش از این در این زمینه ارائه شده ­اند. از جمله [۱۱] که کاربرد یک کنترل کننده مرکزی را برای بهینه سازی عملکرد یک ریز شبکه در زمان اتصال به شبکه تشریح می­ کند. در [۱۲] یک سیستم مدیریت انرژی برای بهینه کردن عملکرد ریز شبکه شامل مدیریت سمت بار و منابع تولید پراکنده ارائه شده است. اما یکی از موضوعات مهمی که در طراحی سیستم مدیریت انرژی باید مورد توجه قرار گیرد، مسأله ذخیره سازی انرژی در عناصری با این قابلیت است. مبحث فوق، توام با بکارگیری منابع تولید تجدیدپذیر مشتمل بر سلول خورشیدی، توربین بادی، پیل سوختی و… مورد توجه قرار گرفته است. علت این امر، پاسخ گویی سریع به تغییرات بار شبکه توسط ذخایر چرخان و باتری های ذخیره ساز انرژی است. با مطرح شدن خودروهای برقی با قابلیت تبادل توان با شبکه های قدرت، تحقیقات جدیدی در زمینه استفاده از قابلیت ذخیره سازی انرژی در آن­ها و بکارگیری آن­ها در پایداری شبکه های قدرت انجام شده است. که در اغلب این تحقیقات استفاده از قابلیت خودروها به عنوان رزرو چرخان ارزیابی شده است [۱۳-۱۴].
۱-۴ سوالات اصلی تحقیق
جهت یکپارچه­سازی و به کارگیری انرژی تجدیدپذیر با اشکال مختلف در ریز شبکه، دو مشکل مهم وجود دارد که باید حل و فصل گردد. مشکل اول این است که چطور یک سیستم انرژی تجدیدپذیر برای تامین انرژی طراحی گردد و مشکل دوم این است که چطور این سیستم­های مختلف تولید توان به طور کارآمد، مدیریت شوند. ورود سیستم­های تولید همچون سیستم فتوولتائیک و ذخیره­ساز و عدم تعادل پیش­آمده بین توان تولیدی و مصرفی، مسأله پایداری و نوسانات توان و به واسطه آن نوسانات فرکانس را به عنوان نگرانی اصلی ریز شبکه هیبرید در حالت کارکرد جزیره ای معرفی می­نماید.
۱-۵ اهداف
در این میان، مبحث کنترل فرکانس از اهمیت شایانی در بهره ­برداری از ریز شبکه برخوردار است. کنترل فرکانس، با مدل سازی منابع تولید موجود در ریز شبکه قدرت در دو فرم متصل به شبکه بی­نهایت و ایزوله از آن صورت می پذیرد. اینکه ریز شبکه مورد مطالعه دارای یک، دو یا چند ناحیه تولید ومصرف توان است، در نحوه کنترل فرکانس ریز شبکه تاثیرگذار بوده و دقت مدل­سازی سیستم­های درگیر با مجموعه از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. با تکیه بر توسعه ضریب نفوذ خودروهای الکترکی هیبرید در آینده، سهم این عناصر ذخیره ساز و مصرف کننده انرژی الکتریکی متحرک در شبکه در حالت های تحمیلی به آن نیز رو به افزایش است. تفاوت اساسی خودروهای الکتریکی و سیستم­های ذخیره ساز این است که خودروها بر خلاف ذخیره سازها در کل روز در دسترس نیستند و ساعاتی از روز را خارج از خانه اند. بنابراین اولاً امکان شارژ و تخلیه الکتریکی باتری از طریق شبکه وجود ندارد، ثانیاً باید شارژ مورد نیاز روزانه خودرو برای کارکرد روزانه خارج از خانه، پیش از نیاز فراهم شود. تغییر وضعیت عنصر ذخیره ساز جایگاه شارژ این خودروها مشتمل بر تولیدکنندگی و مصرف­کنندگی انرژی، بر مدل دینامیکی این جایگاه تاثیرگذار بوده و لذا کنترلرهای مورد استفاده بایستی برای این تغییر مدل، از پیش برنامه ریزی شده باشند.
روش های زیادی جهت کنترل فرکانس ریز شبکه وجود دارد، تمامی این روش ها سعی در کاهش تغییرات فرکانس در حالت دینامیکی دارند. بعضی از این مراجع از کنترل کننده منطق فازی^[۱] و بعضی دیگر از کنترل کننده PI))^[2] استفاده کرده ­اند تا انحرافات فرکانس را کاهش دهند. استفاده از کنترل کلاسیک بدون قابلیت وفق پذیری با تغییرات دینامیکی مدل سیستم در این مسیر مورد قبول نبوده و بهره­ گیری از سیستم­های خبره­ای مانند فازی انتظار می رود.
۱-۶ ضرورت و اهداف پژوهش
سهم زیادی از مصرف سوخت­های فسیلی و آلودگی محیط زیست مربوط به حمل ونقل است. لذا تمرکز بر گسترش وسایل نقلیه با آلودگی زیست محیطی کمتر، مورد توجه قرار گرفته است در این بین نیاز به شارژ مجدد، مهمترین عیب خودروهای الکتریکی و در مقابل، قیمت پایین انرژی الکتریکی و مسائل زیست محیطی و قابلیت تبادل توان با شبکه مهم­ترین مزیت آن­ها می­باشد. از دیدگاه فنی، زمان اتصال خودرو به شبکه جهت شارژ و دشارژ حائز اهمیت بوده و ملاحضاتی لازم و ضروری خواهد بود:
الف: عدم مطلوبیت خودرو های الکتریکی برای تأمین بار پایه شبکه
ب: ملاحظه خودرو­های الکتریکی جهت تنظیم فرکانس، ذخیره چرخان و تنظیم ولتاژ شبکه
ج: مطلوبیت در تامین انرژی در مقیاس خانگی، پیک­سایی شبکه و یکنواخت­سازی بار
بنابراین، مسأله کنترل فرکانس ریز شبکه هیبرید مورد مطالعه با وجود منابع انرژی مشتمل بر دیزل ژنراتور، سیستم فتوولتائیک و خودروی الکتریکی هیبرید در این تحقیق پیش رو مورد بررسی قرار خواهد گرفت. پرسش اصلی در این تحقیق، مسأله کنترل ریز شبکه قدرت الکتریکی با حضور این منابع (تولید/مصرف) انرژی است.
با وجود جایگاه شارژ خودروها و اتصال همزمان در ساعت پیک، اثرات نامطلوبی متوجه شبکه برق می گردد. عدم اتصال به موقع جهت شارژ و همزمانی با ساعات تعرفه گرانتر، ممکن است صرفه اقتصادی بهره گیری از انرژی الکتریسیته را تحت الشعاع قرار دهد.
بنابراین، نیاز به کنترل کننده ای به منظور مدیریت تولید و مصرف شبکه با وجود این عناصر و ایجاد توازن در شبکه و بهبود کنترل فرکانس سیستم مشهود است. همچنین به دلیل وجود سیستم فتوولتائیک، امکان نوسانات شدید در توان تولیدی و فرکانس شبکه وجود داشته که در این شرایط باید راه کارهای کنترلی اتخاذ گردد تا این نوسانات کنترل شده و دامنه آن ها محدود گردد.
از سویی، تغییر وضعیت ذخیره انرژی آماده ارسال توسط جایگاه شارژ خودروهای الکتریکی و میزان مصرف این جایگاه­ها برای خودرو­های دشارژ شده، مدل دینامیکی سیستم کلی را تغییر داده و کنترلرهای مورد استفاده بایستی برای این تغییر مدل، از پیش برنامه­ ریزی شده باشند. استفاده از کنترل با قابلیت وفق پذیری با تغییرات دینامیکی مدل سیستم و بهره گیری از سیستم های خبره مانند فازی از اهداف پیش روی این تحقیق می باشد.
فصل دوم
ادبیات و پیشینه تحقیق
۲-۱ مقدمه
در این فصل، ابتدا ریزشبکه­ها و تولیدات پراکنده تعریف شده، سپس مدل دینامیکی سیستم پیشنهادی متشکل از: سیستم فتوولتائیک، دیزل ژنراتور و خودرو الکتریکی مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.
در نهایت سیستم کنترلی پیشنهادی (منطق فازی) توضیح داده خواهد شد.
۲-۲ ریز شبکه (MG)^[3]
شبکه ­های کوچک، شبکه هایی هستند که از قرار گرفتن تعدادی مولدهای کوچک در کنار هم تشکیل شده اند که میزان بار اندکی را در محدوده خود تامین می­ کنند و با اتصال چندین شبکه کوچک به یکدیگر یک شبکه وسیع شکل می دهند که کارائی شبکه ­های کنونی را داشته و در عین حال در مواقع بحرانی می تواند مجددا به شبکه کوچک تشکیل دهنده خود تجزیه شود. ریز شبکه را می توان به عنوان یک شبکه کوچک براساس مولد های تولید توزیع شده در نظر گرفت. در بهره برداری از ریز شبکه­ ها اهداف گوناگونی چون کاهش تلفات، هزینه های تولید و نیز کاهش میزان آلودگی مورد بررسی قرار می گیرد [۱۵].
۲-۳ تولیدات پراکنده(DG)^[4]
در این بخش، ابتدا به تعریف تولیدات پراکنده پرداخته می شود، سپس به بهره ­برداری از واحدهای تولیدات پراکنده اشاره می شود و در نهایت انواع تولیدات پراکنده معرفی می­گردند.
۲-۳-۱ تعریف تولیدات پراکنده
تعاریف مختلفی برای تولیدات پراکنده به کار رفته است ولی تعریف جامع و بدون محدودیت آن عبارت است از: ”منبع انرژی الکتریکی که مستقیماً به شبکه توزیع و یا سمت مصرف کننده وصل می­گردد“ [۱۶].
۲-۳-۲ مزایای تولیدات پراکنده
بکارگیری تولیدات پراکنده در سیستم توزیع مزایای زیست محیطی، اقتصادی و فنی بسیار زیادی را به دنبال دارد. برای رسیدن به این مزایا تولیدات پراکنده باید دارای اندازه مناسب بوده و در مکان­های مناسب نصب شوند [۱۷].
به طور کلی استفاده از نیروگاه های با تولید پراکنده در شبکه قدرت مزایایی را به همراه دارد [۱۷]:
کاهش هزینه مربوط به تجهیزات قدرت
کاهش تلفات انتقال قدرت
زمان نصب و بهره ­برداری کوتاه این نیروگاه­ها
کاهش آلودگی­های زیست محیطی و صوتی نیروگاه­های بزرگ
کاهش تلفات با جایابی بهینه نیروگاه­های تولید پراکنده در شبکه ­های توزیع
آزاد­سازی ظرفیت سیستم­های انتقال و توزیع اعم از خطوط و پست­ها
امکان کاربرد مجزا یا متصل به شبکه
با توجه به پایین بودن بازده­ی نیروگاه هایی که با سوخت­های فسیلی کار می کنند و همچنین به دلیل آلودگی­های زیست محیطی مربوط به نیروگاه­های با سوخت فسیلی، لزوم استفاده از تولیدات پراکنده روز به روز بیشتر احساس می شود. سیستم­های توزیع موجود بدون در نظر گرفتن منابع تولید پراکنده طراحی شده اند. در نتیجه به کارگیری آن­ها، می تواند امکان بروز شرایط غیر مطلوبی در کیفیت برق، قابلیت اطمینان، بازده، مسائل ایمنی و … را ایجاد کند [۱۸].
۲-۳-۳ بهره برداری از واحدهای تولید پراکنده
بهره برداری از واحدهای تولید پراکنده به دو شکل امکان پذیر می باشد:
الف: حالت متصل به شبکه^[۵]: در این حالت واحد­های تولید پراکنده به شبکه اصلی متصل هستند.
ب: حالت جزیره ای^[۶] (مستقل از شبکه): در این حالت واحدهای تولید پراکنده با شبکه ی سراسری ارتباط ندارند و مجموعه­ واحدهای تولید پراکنده چند بار محلی را تغذیه می کنند.
الف: سیستم­های متصل به شبکه
سیستم­های متصل به شبکه، سیستم­هایی هستند که با اتصال به شبکه سراسری، برق خود را تامین می­ کنند. این امر بدین صورت است که هر مشترک شبکه سراسری برق، با نصب سیستم متصل به شبکه، خود به عنوان یک تولید­کننده پراکنده کوچک می تواند به صورت نیروگاهی کوچک عمل نماید. در این روش علاوه بر تامین بخشی از انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف ­کننده، انرژی الکتریکی (مازاد بر مصرف) به شبکه سراسری برق تزریق می شود.