بهبود کنترل فرکانسی با کنترل پیش‌بین مدل بر پایۀ ژنراتور سنکرون مجازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

نگرانی‌های ناشی از کاهش منابع سوخت‌های فسیلی، افزایش دمای کرۀ زمین و مشکلات زیست‌محیطی، موجب حضور واحدهای تولید پراکنده و منابع انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکۀ قدرت شده است. در مقایسه با نیروگاه‌های بزرگ که قسمت اصلی آن را ژنراتورهای سنکرون تشکیل می‌دهند، اینرسی و خاصیت میرایی این واحدها بسیار کم است. با افزایش نفوذ منابع تجدیدپذیر، اینرسی شبکه به‌شدت کاهش می‌یابد و کنترل شبکۀ قدرت در حضور منابع تولید پراکنده و تجدیدپذیر به امری حیاتی تبدیل شده است. در این مقاله، یک روش کنترلی بهینۀ ژنراتور سنکرون مجازی پیشنهاد شده است که با استفاده از ادوات الکترونیک قدرت و سازوکار کنترلی مناسب، اینرسی مجازی مورد نیاز شبکه را تأمین می‌کند.
برای بررسی کاربرد ژنراتور سنکرون مجازی در بهبود فرکانس شبکه، یک مدل غیرخطی از یک شبکه حاوی یک ژنراتور سنکرون مجازی در حضور بار محلی ارائه شده است و در دو حالت متصل به شبکه و جزیره‌ای مورد بررسی قرار می‌گیرد. سپس مدل‌های به‌دست‌آمده خطی‌سازی می‌شود و برای بهبود تنظیم فرکانس شبکه، از کنترل پیش‌بین مدل بهره برده می‌شود. برای صحت سنجی و ارزیابی عملکرد روش ارائه‌شده، مدل‌های استخراج‌شده را در محیط MATLAB/SIMULINK تحت انواع سناریوهای اغتشاش شبیه‌سازی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ashouri-Zadeh, A., Toulabi, M., Dobakhshari, A. S., Ranjbar, A. M., "Frequency stability improvement in wind-thermal dominated power grids", IET Gener. Transm. Distrib., Vol. 14, No. 4, pp. 619-627, Feb. 2020, https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2019.0875.
[2] Zhang, X., Liu, H., Fu, Y., Li, Y., "Virtual shaft control of DFIG based wind turbines for power oscillation suppression", IEEE Trans. Sustainable Energy, Vol. 13, No. 4, pp. 2316-2330, Oct. 2022, doi: https://doi.org/10.1109/TSTE.2022.3194164.
[3] Ranjbar, S., "Inteliigent Load-Frequency Control of Power System in the Precence of Wing Uncertainty Based on Latin Hyper Square and Particle Swarm Optimization Algorithms", Vol. 12, No.2, pp. 84-97, 2023, https://doi.org/10.22052/eem.2023.252877.1015.
[4] Cheema, K. M., "A comprehensive review of virtual synchronous generator", Int.J. Electr. Power Energy Syst., Vol. 120, p. 106006, Sep. 2020,   https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2020.106006.
[5] Serban, I., Ion, C. P., "Microgrid control based on a grid forming inverter operating as virtual synchronous generator with enhanced dynamic response capability", Int. J. Electr. Power Energy Syst., Vol. 89, pp. 94-105, Jul. 2017, https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2017.01.009.
[6] Yap, K. Y., Sarimuthu, Lim J. M.-Y., "Virtual inertia-based inverters for mitigating frequency instability in grid-connected renewable energy system: A review", Appl. Sci., Vol. 9, No. 24, p. 5300, Dec. 05, 2019, https://doi.org/10.3390/app9245300.
[7] Bevrani, H., Francois B., Ise T., Microgrid Dynamics and Control. John Wiley and Sons, Inc., 2017.
[8] Beck, H.P., Hesse, R., "Virtual synchronous machine", 2007 9th Int. Conf. on Electr. Power Qual. Utilisation, Oct. 2007, https://doi.org/10.1109/EPQU.2007.4424220.
[9] Zhong, Q.C., Weiss, G., "Synchronverters: inverters that mimic synchronous generators", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 58, No. 4, pp. 1259-1267, Apr. 2011, https://doi.org/10.1109/TIE.20102048839.
[10] Liu, J., Miura, Y., Ise T., "Comparison of dynamic characteristics between virtual synchronous generator and droop control in inverter-based distributed generators", IEEE Trans. Power Electron., Vol. 31, No. 5, pp. 3600–3611, May 2016, https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2465852.
[11] Shi, K., Ye, H., Song, W., Zhou, G., "Virtual inertia control strategy in microgrid based on virtual synchronous generator technology", IEEE Access, Vol. 6, pp. 27949–27957, 2018, https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2839737.
[12] Zhao, H., Yang, Q., Zeng, H., "Multi-loop virtual synchronous generator control of inverter-based DGs under microgrid dynamics", IET Gener. Transm. Distrib., Vol. 11, No. 3, pp. 795–803, Feb. 2017, https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2016.0645.
[13] Wang, G., Fu, L., Hu, Q., Liu, C., Ma, Y., "Transient synchronization stability of grid-forming converter during grid fault considering transient switched operation mode", IEEE Trans. Sustainable Energy, pp. 111, 2023, https://doi.org/10.1109/TEC.2023.3283396.
[14] Zhang, H., "Comparison of low frequency oscillation characteristic differences between VSG and SG", 2020 IEEE Sustainable Power Energy Conf. (iSPEC), Nov. 23, 2020, https://doi.org/10.1109/iSPEC50848.2020.9351203.
[15] Yap, K. Y., Sarimuthu, C. R., Lim J. M.-Y., "Virtual inertia-based inverters for mitigating frequency instability in grid-connected renewable energy system: A review", Appl. Sci., Vol. 9, No. 24, p. 5300, Dec. 05, 2019, https://doi.org/10.3390/app9245300.
[16] Fahad, S., Goudarzi, A., Xiang, J., "Demand management of active distribution network using coordination of virtual synchronous generators", IEEE Trans. Smart Grid, Vol. 12, No. 1, pp. 250-261, Jan. 2021, https://doi.org/10.1109/TSTE.2020.2990917.
[17] Kerdphol, T., Watanabe, M., Hongesombut, K., Mitani, Y., "Self-Adaptive virtual inertia control-based fuzzy logic to improve frequency stability of microgrid with high renewable penetration", IEEE Access, Vol. 7, pp. 76071–76083, 2019,  https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2920886.
[18] Liu, J., Miura, Y., Bevrani, H., Ise, T., "Enhanced virtual synchronous generator control for parallel inverters in microgrids", IEEE Trans. Smart Grid, Vol. 8, No. 5, pp. 2268–2277, Sep. 2017, https://doi.org/10.1109/TSG.2016.2521405.
[19] Zhao, Z., Yang, P., Guerrero, J. M., Xu, Z., Green, T. C., "Multipletime- scales hierarchical frequency stability control strategy of mediumvoltage isolated microgrid", IEEE Trans. Power Electron., Vol. 31, No. 8, pp. 5974–5991, Aug. 2016, https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2496869.
[19] Pourmohammad, M., Toulabi, M., Ranjbar, A. M., "Application of state feedback controller to ensure robust D-stable operation of virtual synchronous generators", IEEE Trans. Energy Convers., Vol. 36, No. 2, pp. 602–610, Jun. 2021, https://doi.org/10.1109/TEC.2020.3018586.
[21] Bordons, C., Garcia-Torres, F., Ridao, M. A., Model Predictive Control of Microgrids. Springer International Publishing, 2020.
[22] Zheng, C., Dragičević, T., Blaabjerg, F.,  "Model predictive control-based virtual inertia emulator for an islanded alternating current microgrid", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 68, No. 8, pp. 7167-7177, Aug. 2021, https://doi.org/10.1109/TIE.2020.3007105.
[23] Saleh, A., Hasanien, H.M.A., Turky, R., Turdybek, B., Alharbi, M., Jurado, F., Omran, W.A., "Optimal Model Predictive Control for Virtual Inertia Control of Autonomous Microgrids", Sustainability, Vol. 15, No. 6, Mar, 2023, https://doi.org/10.3390/su15065009
[24] Oshnoei, S., Aghamohammadi, M.R., Oshnoei, S., Sahoo, S., Fathollahi, A., Khooban, M.H., "A novel virtual inertia control strategy for frequency regulation of islanded microgrid using two-layer multiple model predictive control", Applied Energy, Vol. 343,  MAY,  2023,  https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.121233.