کنترل سلسله‌مراتبی برای تقسیم صحیح توان و کاهش جریان‌های گردشی در ریزشبکه‌های متناوب مقاومتی با به کارگیری امپدانس مجازی تطبیقی و بستر مخابراتی توزیع‌شده
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوترمسعود اسماعیلی 1 , محمد هجری 2 *
1 - دانشگاه صنعتی سهند،دانشکده مهندسی برق
2 - دانشگاه صنعتی سهند،دانشکده مهندسی برق
کلید واژه: امپدانس مجازی, تقسیم توان, جریان گردشی, کنترل دروپ, کنترل سلسله‌مراتبی,
چکیده مقاله :
این مقاله به ارائه یک روش کارا مبتنی بر امپدانس مجازی تطبیقی و یک بستر مخابراتی توزیع‌شده با ساختار کنترلی سلسله‌مراتبی در ریزشبکه‌های متناوب مقاومتی جزیره‌ای به منظور تقسیم صحیح توان و کاهش جریان‌های گردشی می‌پردازد. در روش‌های موجود، مقاومت مجازی تطبیقی می‌تواند مقادیر منفی را احراز نموده و فرض غالب‌بودن خاصیت مقاومتی خط تغذیه را که کنترلر دروپ بر مبنای آن طراحی شده، نقض و عملکرد دروپ را مختل نماید. همچنین مقاومت مجازی منفی با کاهش میرایی کل سیستم، می‌تواند حاشیه پایداری را کاهش داده و اثرات نامطلوبی بر عملکرد سیستم حلقه بسته، بالاخص در حالت‌های گذرا داشته باشد. در روش پیشنهادی با اجرای هوشمندانه یک بستر مخابراتی توزیع‌شده جدید بین اینورترهای ریزشبکه، مشکل منفی‌شدن مقاومت مجازی رفع گردیده است. مزایای سیستم کنترلی پیشنهادی عبارت هستند از حذف جریان گردشی، تقسیم صحیح توان بین منابع تولید پراکنده متناسب با ظرفیت نامی آنها، جلوگیری از انحراف فرکانس و دامنه ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک از مقدار نامی، عدم نیاز به اندازه‌گیری و یا تخمین امپدانس خطوط تغذیه واصل بین اینورتر و باس نقطه اتصال مشترک، تضمین غالب‌بودن خاصیت سلفی یا مقاومتی امپدانس کل خط تغذیه در شرایط کاری مختلف، جلوگیری از ایجاد وابستگی بین توان‌های اکتیو و راکتیو و در نتیجه تضمین عملکرد مطلوب کنترلر دروپ در نقاط کاری مختلف، بهبود پایداری و پاسخ حالت گذرا و در نهایت استفاده از یک بستر مخابراتی توزیع‌شده ساده و یک‌طرفه با پهنای باند پایین به جای بسترهای مخابراتی پیچیده، متمرکز و دوطرفه. نتایج حاصل از شبیه‌سازی در محیط سیمولینک نرم‌افزار متلب نشان می‌دهد که روش کنترل پیشنهادی معایب کنترل دروپ و امپدانس مجازی تطبیقی مرسوم را به طرز مطلوبی رفع نموده است.
This paper presents an efficient method based on the adaptive virtual impedance and distributed communication link with a hierarchical control system in the resistive AC islanding micrigrids for accurate power sharing and circulating current reduction. In existing methods, the adaptive virtual resistance can take negative values and violate the assumption of feeders’ resistive dominance based on which the droop controller is designed, and as a result, deteriorate its performance. Besides, the negative virtual resistance, with a reduction in the system overall damping, can reduce the stability margin and lead to side effects on the closed-loop system performance, especially during transients. In the proposed method, the problems associated with the negative virtual resistance are removed via the intelligent implementation of a new distributed communication link among microgrid inverters. The advantages of the proposed method include: circulating current elimination, accurate power sharing among distributed generators proportional to their rated capacities, prevention of voltage and frequency deviations from their reference values in point of power coupling (PCC) bus, guarantee of the resistive or inductive dominance of the feeder impedance in various operating points, decoupling between active and reactive powers, and as a result, guarantee of a desirable performance for droop controller in different operating points, performance and stability improvement, and finally using a simple, one-sided and a low bandwidth communication link instead of the complex, two-sided, and centralized communication system. Simulation results in MATLAB/SIMULINK environment demonstrate that the proposed control strategy has obviated effectively the shortcomings of the conventional droop and adaptive virtual impedance controllers.
[1] X. Huang, Z. Wang, and J. Jiang, "Control and load-dispatching strategies for a microgrid with a DC/AC inverter of fixed frequency," International J. of Electrical Power and Energy System, vol. 43, no. 1, pp. 1127-1136, Dec. 2012.
[2] H. Han, X. Hou, J. Yang, J. Wu, M. Su, and J. M. Guerrero, "Review of power sharing control strategies for islanding operation of AC microgrids," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 7, no. 1, pp. 200-215, Jun. 2015.
[3] A. Mohd, E. Ortjohann, D. Morton, and O. Omari, "Review of control techniques for inverters parallel operation," Electric Power Systems Research, vol. 80, no. 12, pp. 1477-1487, Dec. 2010.
[4] T. L. Vandoom, J. D. M. De Kooning, B. Meersman, J. M. Guerrero, and L. Vandevelde, "Automatic power-sharing modification of P/V droop controllers in low-voltage resistive microgrids," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 27, no. 4, pp. 2318-2325, Oct. 2012.
[5] Y. Han, H. Li, P. Shen, E. A. A. Coelho, and J. M. Guerrero, "Review of active and reactive power sharing strategies in hierarchical controlled microgrids," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 32, no. 3, pp. 2427-2451, Mar. 2017.
[6] J. M. Guerrero, L. G. De Vicuna, J. Matas, M. Castilla, and J. Miret, "Output impedance design of parallel-connected UPS inverters with wireless load-sharing control," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 52, no. 4, pp. 1126-1135, Aug. 2005.
[7] J. M. Guerrero, J. Matas, L. G. de Vicuna, M. Castilla, and J. Miret, "Decentralized control for parallel operation of distributed generation inverters using resistive output impedance," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 54, no. 2, pp. 994-1004, Apr. 2007.
[8] J. He, Y. W. Li, J. M. Guerrero, F. Blaabjerg, and J. C. Vasquez, "An islanding microgrid power sharing approach using enhanced virtual impedance control scheme," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 28, no. 11, pp. 5272-5282, Nov. 2013.
[9] J. He, Y. W. Li, J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, and F. Blaabjerg, "An islanding microgrid reactive power sharing scheme enhanced by programmed virtual impedances," in Proc. 3rd IEEE Int. Symp. on Power Electronics for Distributed Generation System, pp. 229-235, alborg, Denmark, 25-28 Jun. 2012.
[10] L. Asiminoaei, R. Teodorescu, F. Blaabjerg, and U. Borup, "A digital controlled PV-inverter with grid impedance estimation for ENS detection," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 20, no. 6, pp. 1480-1490, Nov. 2005.
[11] S. Huang and J. Luo, "Accurate power sharing in proportion for parallel connected inverters by reconstructing inverter output impedance," J. on Power Electronics, vol. 18, no. 6, pp. 1751-1759, Nov. 2018.
[12] Q. Guo, et al., "Secondary voltage control for reactive power sharing in an islanded microgrid," J. of Power Electronics, Korean Institute of Power Electronics, vol. 16, no. 1, pp. 329-339, Jan. 2016.
[13] M. Hamzeh, H. Karimi, H. Mokhtari, and M. Popov, "An accurate power sharing method for control of a multi-DG microgrid," in Proc. Int. Conf. on Power Systems Transients, 6, pp., Delft, The Netherlands, 14-17 Jun. 2011.
[14] X. H. T. Pham and T. T. Le, "Control strategy for accurate reactive power sharing in islanded microgrids," J. of Power Electronics, vol. 19, no. 4, pp. 1020-1033, Jul. 2019.
[15] Y. W. Li and C. N. Kao, "An accurate power control strategy for power-electronics-interfaced distributed generation units operating in a low-voltage multibus microgrid," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 24, no. 12, pp. 2977-2988, Dec. 2009.
[16] H. Mahmood, D. Michaelson, and J. Jiang, "Reactive power sharing in islanded microgrids using adaptive voltage droop control," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 6, no. 6, pp. 3052-3060, Nov. 2015.
[17] ب. فانی، م. معظمی و ع. فرهودی، "کاهش هامونیک‌های ولتاژ با استفاده از کنترل‌کننده افتی در عملکرد موازی اینورترها،" نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 17، شماره 2، صص. 107-97، تابستان 1398.
[18] M. Savaghebi, A. Jalilian, J. C. Vasquez, and J. M. Guerrero, "Secondary control for voltage quality enhancement in microgrids," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 3, no. 4, pp. 1893-1902, Dec. 2012.
[19] M. Zhang, Z. Du, X. Lin, and J. Chen, "Control strategy design and parameter selection for suppressing circulating current among SSTs in parallel," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 6, no. 4, pp. 1602-1609, Jul. 2015.
[20] H. Mahmood, D. Michaelson, and J. Jiang, "Accurate reactive power sharing in an islanded microgrid using adaptive virtual impedances," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 30, no. 3, pp. 1605-1617, Mar. 2015.
[21] M. Pham and H. Lee, "Effective coordinated virtual impedance control for accurate power sharing in islanded microgrid," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 20, no. 14, pp. 125-135, Jul. 2020.
[22] B. Wei, A. Marzabal, R. Ruiz, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "DAVIC: a new distributed adaptive virtual impedance control for parallel-connected voltage source inverters in modular UPS system," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 6, pp. 5953-5968, Jun. 2019.
[23] X. Liang, C. Andalib-Bin-Karim, W. Li, M. Mitolo, and M. N. S. K. Shabbir, "Adaptive virtual impedance-based reactive power sharing in virtual synchronous generator controlled microgrids," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 57, no. 1, pp. 46-60, Jan./Feb. 2021.
[24] A. S. Vijay, N. Parth, S. Doolla, and M. C. Chandorkar, "An adaptive virtual impedance control for improving power sharing among inverters in islanded AC microgrids," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 12, no. 4, pp. 2991-3003, Jul. 2021.
[25] B. Liu, Z. Liu, J. Liu, R. An, H. Zheng, and Y. Shi, "An adaptive virtual impedance control scheme based on Small-AC-Signal injection for unbalanced and harmonic power sharing in islanded microgrids," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 12, pp. 12333-12355, Dec. 2019.
[26] Z. Chen, X. Pei, M. Yang, and L. Peng, "An adaptive virtual resistor (AVR) control strategy for low-voltage parallel inverters," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 1, pp. 863-867, Jan. 2019.
[27] Y. X. Zhu, F. Zhuo, F. Wang, B. Q. Liu, and Y. J. Zhao, "A wireless load sharing strategy for islanded microgrid based on feeder current sensing," IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 12, pp. 6706-6719, Dec. 2015.
[28] M. Eskandari and L. Li, "Microgrid operation improvement by adaptive virtual impedance," IET Renewable Power Generation, vol. 13, no. 2, pp. 296-307, Feb. 2019.
[29] X. Chen, C. Zhang, Q. Huang, and M. Ofori-Oduro, "Small-signal modeling and analysis of grid-connected inverter with power differential droop control," Mathematical Problems in Engineering, vol. 2016, Article ID: 3965945, Jun. 2016.
[30] Y. Chen, J. M. Guerrero, Z. Shuai, Z. Chen, L. Zhou, and A. Luo, "Fast reactive power sharing, circulating current and resonance suppression for parallel inverters using resistive-capacitive output impedance," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 31, no. 8, pp. 5524-5537, Aug. 2016.
[31] J. M. Guerrero, et al., "Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids-a general approach toward standardization," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 58, no. 2, pp. 158-172, Jan. 2011.
[32] M. Zhang, B. Song, and J. Wang, "Circulating current control strategy based on equivalent feeder for parallel inverters in islanded microgrid," IEEE Trans. on Power Systems, vol. 34, no. 1, pp. 595-605, Jan. 2019.
[33] Q. Shafiee, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "Distributed secondary control for islanded microgrids-a novel approach," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 29, no. 2, pp. 1018-1031, Feb. 2014.
[34] M. B. Delghavi, Advanced Islanded-Mode Control of Microgrids, the University of Western Ontario, Oct. 2011.
[35] J. C. Vasquez, J. M. Guerrero, M. Savaghebi, J. E. Garcia, and R. Teodorescu, "Modeling, analysis, and design of stationary-reference-frame droop-controlled parallel three-phase voltage source inverters," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 60, no. 4, pp. 1271-1280, Apr. 2013.
نشریه مهندسی برق و مهندسی كامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 20، شماره 1، بهار 1401 19
مقاله پژوهشی
کنترل سلسله‌مراتبی برای تقسیم صحیح توان و کاهش جریان‌های گردشی در ریزشبکه‌های متناوب مقاومتی با به کارگیری امپدانس مجازی تطبیقی و بستر مخابراتی توزیع‌شده
مسعود اسماعیلی و محمد هجری
چكیده: این مقاله به ارائه یک روش کارا مبتنی بر امپدانس مجازی تطبیقی و یک بستر مخابراتی توزیع‌شده با ساختار کنترلی سلسله‌مراتبی در ریزشبکه‌های متناوب مقاومتی جزیره‌ای به منظور تقسیم صحیح توان و کاهش جریان‌های گردشی می‌پردازد. در روش‌های موجود، مقاومت مجازی تطبیقی می‌تواند مقادیر منفی را احراز نموده و فرض غالب‌بودن خاصیت مقاومتی خط تغذیه را که کنترلر دروپ بر مبنای آن طراحی شده، نقض و عملکرد دروپ را مختل نماید. همچنین مقاومت مجازی منفی با کاهش میرایی کل سیستم، می‌تواند حاشیه پایداری را کاهش داده و اثرات نامطلوبی بر عملکرد سیستم حلقه بسته، بالاخص در حالت‌های گذرا داشته باشد. در روش پیشنهادی با اجرای هوشمندانه یک بستر مخابراتی توزیع‌شده جدید بین اینورترهای ریزشبکه، مشکل منفی‌شدن مقاومت مجازی رفع گردیده است. مزایای سیستم کنترلی پیشنهادی عبارت هستند از حذف جریان گردشی، تقسیم صحیح توان بین منابع تولید پراکنده متناسب با ظرفیت نامی آنها، جلوگیری از انحراف فرکانس و دامنه ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک از مقدار نامی، عدم نیاز به اندازه‌گیری و یا تخمین امپدانس خطوط تغذیه واصل بین اینورتر و باس نقطه اتصال مشترک، تضمین غالب‌بودن خاصیت سلفی یا مقاومتی امپدانس کل خط تغذیه در شرایط کاری مختلف، جلوگیری از ایجاد وابستگی بین توان‌های اکتیو و راکتیو و در نتیجه تضمین عملکرد مطلوب کنترلر دروپ در نقاط کاری مختلف، بهبود پایداری و پاسخ حالت گذرا و در نهایت استفاده از یک بستر مخابراتی توزیع‌شده ساده و یک‌طرفه با پهنای باند پایین به جای بسترهای مخابراتی پیچیده، متمرکز و دوطرفه. نتایج حاصل از شبیه‌سازی در محیط سیمولینک نرم‌افزار متلب نشان می‌دهد که روش کنترل پیشنهادی معایب کنترل دروپ و امپدانس مجازی تطبیقی مرسوم را به طرز مطلوبی رفع نموده است.
کلیدواژه: امپدانس مجازی، تقسیم توان، جریان گردشی، کنترل دروپ، کنترل سلسله‌مراتبی.
1- مقدمه
در سال‌های اخیر با توجه به رشد شبکه و زیادشدن بارهای مختلف، میزان توان درخواستی نیز به تبع آن افزایش یافته و همین عامل باعث شده تا نیازمند سیستم‌های بزرگ‌تر با ظرفیت بالا باشیم. برای رسیدن به این هدف، یکی از راهکارها استفاده از اینورترهای با ظرفیت بالا می‌باشد که در این صورت با مشکلاتی از قبیل پایین‌آمدن قابلیت اطمینان سیستم، نبود افزونگی2 در سیستم، هزینه بیشتر در صورت خرابی، پایین‌آمدن مشخصه‌های کیفیت توان و غیره در شبکه روبه‌رو شده و در صورت خرابی تک‌اینورتر موجود با ظرفیت بالا، کل تولید انرژی برای تغذیه بارها به صفر می‌رسد. در نتیجه، اﺳﺘﻔﺎده از ﻣﻨﺎﺑﻊ ﻛﻮﭼﻚ و ﭘﺮاﻛﻨﺪه در قالب ریزشبکه، یک راه حل منطقی برای ﺗﻀﻤﻴﻦ ﺗﺪاوم ﺗﻐﺬﻳﻪ ﺑﺎرﻫﺎی ﻣﺤﻠﻲ و ﺣﺴﺎس، ﺑﻬﺒﻮد ﻛﻴﻔﻴﺖ ﺗﻮان و ﭘﺮوﻓﻴﻞ وﻟﺘﺎژ، ﻛﺎﻫﺶ ﺗﻠﻔﺎت اﻧﺘﻘﺎل توان و ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ ﺗﺄﻣﻴﻦ اﻧﺮژی ﻣﻨﺎﻃﻖ دوردﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﻪ ﺻﻮرت ﺟﺰﻳﺮهای و ﻣﺴﺘﻘﻞ از ﺷﺒﻜﻪ اﺻﻠﻲ ﻫﺴﺘﻨﺪ، می‌باشد. موضوع مهم برای یک ریزشبکه، رویکرد کنترلی مناسب است که موجب تضمین تقسیم صحیح توان متناسب با توان‌های نامی بین منابع تولید پراکنده و عدم وجود جریان گردشی در بین آنها می‌شود [1]. تا کنون روش‌های کنترلی بسیاری برای حل این مسایل در یک ریزشبکه مورد استفاده قرار گرفته که این روش‌ها را می‌توان به دو دسته اصلی زیر تقسیم‌بندی کرد [2] و [3]:
1) روش‌های کنترلی بر اساس بسترهای مخابراتی بین واحدها
2) روش‌های کنترلی بدون بستر مخابراتی (کنترل دروپ)
در روش اول، بسترهای مخابراتی پرسرعت برای کنترل و هماهنگی واحدها وجود دارد. همچنین به دلیل وجود مسیرهای ارتباطی زیاد، استفاده از این روش برای کنترل منابع تولید پراکنده که در فواصل دور از هم
قرار دارند نیز امری هزینه‌بر و با قابلیت اطمینان پایین می‌باشد. در مقابل، در روش کنترلی مبتنی بر دروپ بدون بستر مخابراتی، هر واحد تولید پراکنده، کنترلر مخصوص به خود را دارد که محاسبات را انجام داده و دستورات کنترل را بر اساس اندازه‌گیری‌های محلی به واحد مربوط به خود می‌دهد، بدون این که از اقدامات کنترلی انجام‌شده توسط واحدهای دیگر آگاه باشد. بنابراین، این روش دارای مزیت‌هایی نظیر قابلیت توسعه آسان و قابلیت اطمینان خوب است. در ریزشبکه‌های با خطوط تغذیه دارای مقدار بزرگ نسبت راکتانس به مقاومت 
به دلیل ارتباط بین توان اکتیو با فرکانس و همچنین ارتباط بین توان راکتیو با دامنه ولتاژ، از روش کنترل دروپ متداول استفاده می‌شود. اما در ریزشبکه‌های ولتاژ پایین با توجه به مقدار کم نسبت راکتانس به مقاومت در خطوط تغذیه، در میان اینورترها و باس مشترک اتصال مقاومتی وجود داشته و از این رو توان اکتیو با دامنه ولتاژ و توان راکتیو با فرکانس متناسب است. بنابراین در این نوع ریزشبکه‌ها بهتر است که از روش دروپ مخالف3 استفاده شود [4]. با این وجود، در صورت استفاده از روش‌های دروپ، تقسیم توان میان منابع در ریزشبکه‌ها تحت تأثیر امپدانس خطوط تغذیه منابع تولید پراکنده است و در شرایطی که امپدانس خطوط تغذیه با عکس توان‌های نامی اینورترها متناسب نباشند، تقسیم توان به صورت نادرست انجام می‌شود. تشریح
این مطلب با روابط ریاضی مربوط در بخش 2 آورده شده است. در ریزشبکه‌های دارای منابع تولید پراکنده مبتنی بر اینورتر، این عدم تناسب باعث تفاوت در افت ولتاژ در خطوط تغذیه و در نتیجه نابرابری ولتاژ پایانه‌های منابع تولید پراکنده شده و در نهایت منجر به جاری‌شدن جریان گردشی بین منابع می‌شود. همچنین این اختلاف افت ولتاژ باعث تقسیم نادرست توان راکتیو یا اکتیو متناسب با نوع روش دروپ استفاده‌شده هم می‌شود. لذا باید سیستم کنترل دروپ سنتی به گونه‌ای بهبود یابد که در تغذیه بار علاوه بر تقسیم صحیح توان اکتیو و راکتیو بین منابع متناسب با ظرفیت اینورترها، منجر به کاهش چشم‌گیر جریان گردشی بین آنها در شرایط امپدانس خطوط تغذیه نامتناسب با عکس توان‌های نامی منابع گردد. در این راستا، روش‌های مختلفی با استفاده از بسترهای مخابراتی به منظور افزایش قابلیت روش کنترل دروپ سنتی ارائه شده است. این بسترهای مخابراتی در صورت وجود، گاهی بین اینورترها در داخل ریزشبکه بدون نیاز به ارتباط با باس نقطه اتصال مشترک برقرار می‌شوند و در برخی مواقع بین باس نقطه اتصال مشترک و اینورترها بدون نیاز به خطوط مخابراتی مابین اینورترها اجرا می‌شوند. یک معیار برای انتخاب هر یک از این ساختارها می‌تواند فاصله بین منابع تولید پراکنده با همدیگر
و یا فاصله آنها تا نقطه باس مشترک باشد. مرجع [5] مرور جامعی بر روش‌های مختلف تقسیم صحیح توان‌های اکتیو و راکتیو در ریزشبکه‌های جزیره‌ای و چالش‌های موجود در جهت نیل به این هدف را ارائه نموده است. یکی از راهکارهای مؤثر در بهبود تسهیم توان و کاهش جریان‌های گردشی، استفاده از مفهوم امپدانس مجازی است که به دو صورت ثابت
و تطبیقی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. در ادامه مروری بر کارهای انجام‌یافته در این زمینه ارائه می‌گردد.
در [6] و [7] به ترتیب از روش امپدانس مجازی سلفی و امپدانس مجازی مقاومتی غالب برای تقسیم صحیح توان بین اینورترهای با توان نامی برابر استفاده شده است. با بزرگ‌گرفتن اندازه امپدانس مجازی، اثرات نابرابربودن امپدانس خطوط تغذیه در تقسیم نابرابر توان‌های راکتیو کاهش پیدا می‌کند. در این روش، نیازی به ایجاد بستر مخابراتی بین اینورترها و یا بین اینورترها و باس نقطه اتصال مشترک وجود ندارد. اما در این روش‌ها، استفاده از امپدانس مجازی بزرگ می‌تواند فرض کوچک‌بودن اختلاف زاویه بین ولتاژ خروجی اینورتر و ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک را که بر مبنای آن، کنترل دروپ مستقل توان‌های اکتیو و راکتیو بنا
نهاده می‌شود تحت‌الشعاع خود قرار دهد. همچنین بزرگ‌گرفتن امپدانس مجازی منجر به افزایش افت ولتاژ و در نتیجه کاهش دامنه ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک و کاهش حداکثر توان قابل انتقال توسط اینورتر خواهد شد.
در [8] و [9] از مفاهیم امپدانس مجازی مؤلفه‌های اصلی و هارمونیکی برای تقسیم صحیح توان بین واحدها با ظرفیت‌های اسمی نابرابر و بهبود کیفیت ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک در حالت تغذیه بارهای غیر خطی و هارمونیک‌زا استفاده شده است. در این روش از یک کنترل‌کننده مرکزی برای اندازه‌گیری مؤلفه‌های هارمونیکی ولتاژ باس مشترک و ارسال آنها از طریق یک بستر مخابراتی به کنترلرهای محلی اینورترها استفاده گردیده است. در این کار، امپدانس خطوط تغذیه توسط روش‌های تخمین امپدانس خطوط تعیین شده است. ولی روش تخمین به کار رفته مبتنی بر وجود هارمونیک‌های ولتاژ در باس نقطه اتصال مشترک بوده و در حالت تغذیه بارهای خطی با محتوای هارمونیکی کم، دقت محاسبه پایین خواهد بود. علاوه بر این، روش تخمین پیشنهادی نیاز به استفاده از حلقه‌های قفل‌شونده فاز دارد که منجر به افزایش پیچیدگی سیستم کنترلی می‌شود. نهایت این که بحثی راجع به بازگردانی ولتاژ و فرکانس به مقادیر نامی آنها و همچنین جریان‌های گردشی بین اینورترها به میان نیامده است.
لازم به ذکر است که روش‌های متنوع دیگری نیز برای تخمین امپدانس خطوط وجود دارد که در آنها نیازی به اندازه‌گیری ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک و ایجاد بستر مخابراتی بین این باس و منابع تولید پراکنده وجود ندارد. این روش‌ها معمولاً مبتنی بر تزریق یک سیگنال میان‌هارمونیکی جریان و اندازه‌گیری ولتاژ میان‌هارمونیکی متناظر بوده و به دلیل احتمال افزایش اعوجاج هارمونیکی جریان، ظرافت خاصی را در فرایند طراحی می‌طلبند [10]. در [11] به منظور تقسیم صحیح توان بین اینورترهای موازی با توان‌های نامی نابرابر و بدون استفاده از واسط مخابراتی بین واحدها، نسبت ضرایب دروپ و امپدانس خطوط تغذیه، با
به کارگیری امپدانس مجازی سلفی در آنها، متناسب با نسبت عکس توان‌های نامی اینورترها قرار داده شده است. در این روش به جای اندازه‌گیری امپدانس خطوط تغذیه و یا تخمین آنها، افت ولتاژ روی خط تغذیه با استفاده از اندازه‌گیری ولتاژ باس مشترک و ارسال آن به کنترلرهای محلی از طریق خطوط مخابراتی بین نقطه باس مشترک و اینورترها محاسبه شده است. لکن در این کار بحثی راجع به حلقه‌های کنترلی بازگردانی ولتاژ و فرکانس و یا جریان‌های گردشی بین اینورترها به میان نیامده است. در [12] با استفاده از یک ساختار کنترلی سلسله‌مراتبی و استفاده از بستر مخابراتی بین منابع و باس نقطه اتصال مشترک، یک روش کنترل دروپ مبتنی بر کنترل ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک برای افزایش دقت تقسیم توان راکتیو در توان‌های نامی برابر در یک ریزشبکه جزیره‌ای پیشنهاد شده است. در روش پیشنهادی، حلقه بازگردانی ولتاژ در لایه دوم در نظر گرفته شده ولی حلقه بازگردانی فرکانس مورد بحث قرار نگرفته است. در [13] با استفاده از یک بستر مخابراتی بین واحدها و یک ساختار کنترلی سلسله‌مراتبی، تقسیم صحیح توان بین منابع با ظرفیت‌های اسمی برابر انجام یافته است. در لایه دوم هر دو حلقه کنترلی ولتاژ و فرکانس به منظور تنظیم ولتاژ و فرکانس باس مشترک در مقادیر نامی آنها در نظر گرفته شده است. لکن در روش پیشنهادی لازم است که هر منبع تولید پراکنده اطلاعات مربوط به توان راکتیو خروجی خود را به کلیه منابع تولید پراکنده دیگر ارسال نماید که قاعدتاً منجر به پیچیدگی بستر مخابراتی مورد نیاز در روش پیشنهادی خواهد شد. همچنین در این کار راجع به جریان‌های گردشی و شرایط لازم برای جلوگیری از جاری‌شدن آنها مابین اینورترهای با توان نامی نابرابر بحثی به میان نیامده است. در [14] با در نظر گرفتن بارهای محلی و با تنظیم شیب کنترل دروپ ولتاژ و امپدانس مجازی، افت ولتاژهای خطوط تغذیه واحدهای تولید پراکنده با هم برابر شده که موجب تقسیم صحیح توان راکتیو در ظرفیت‌های نامی برابر منابع شده است. در این کار، مقدار امپدانس مجازی با فرض معلوم‌بودن امپدانس خطوط تغذیه اینورترها تعیین شده است. علاوه بر این، استفاده توأم از امپدانس مجازی و تغییر شیب کنترلر دروپ منجر به پیچیدگی سیستم کنترل پیشنهادی شده است. همچنین در این سیستم کنترلی، انحرافات فرکانس و دامنه ولتاژ از مقدار نامی جبران نشده و بحثی راجع به جریان‌های چرخشی بین اینورترها و ماهیت آنها به عمل نیامده است. در [15] مشابه با [6]، با
به کارگیری امپدانس مجازی سلفی به اندازه کافی بزرگ و تخمین افت ولتاژ روی امپدانس خط تغذیه و امپدانس مجازی با استفاده از اندازه‌گیری ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک و خط مخابراتی بین این باس و کنترلرهای محلی، عملکرد کنترل دروپ متداول بهبود داده شده و خطای تقسیم توان راکتیو بین واحدها برای اینورترها با ظرفیت توان نامی برابر کاهش پیدا کرده است. در این کار برای جلوگیری از تقویت نویز در فرکانس‌های بالا و احتمال ناپایداری سیستم کنترل در حالت‌های گذرا از تقریب 
استفاده شده که در آن 
اندوکتانس سلف مجازی و 
فرکانس زاویه‌ای نامی سیستم است. حال آن که فرکانس ریزشبکه در حالت جزیره‌ای ثابت نبوده و حتی با کنترل آن توسط لایه دوم مقدارش در حالت‌های گذرا متغیر است. مرجع [16] از مفهوم تغییر تطبیقی ضریب دروپ ولتاژ برای تقسیم صحیح توان بین اینورترها با توان‌های نامی نابرابر و با امپدانس سلفی غالب استفاده کرده است. در روش پیشنهادی از یک بستر مخابراتی بین واحدهای تولید پراکنده و یک کنترلر مرکزی استفاده گردیده است. ولی در این کار بحثی راجع به جریان‌های گردشی بین اینورترها و شرایط لازم برای جلوگیری از شارش آنها به میان نیامده و حلقه‌های کنترلی ثانویه به منظور تنظیم ولتاژ و فرکانس باس نقطه اتصال مشترک در نظر گرفته نشده است. در [17] مشابه با [7]، با استفاده از امپدانس مجازی مقاومتی به اندازه کافی بزرگ و بدون ارتباط مخابراتی، تقسیم صحیح توان بین اینورترهای تک‌فاز با توان‌های نامی نابرابر و تغذیه بارهای غیر خطی و هارمونیک‌زا صورت پذیرفته است. در این کار از کنترلرهای دروپ هارمونیکی برای بهبود کیفیت ولتاژ خروجی استفاده شده است. لکن در این مطالعه از خط تغذیه بین خروجی اینورترها و باس نقطه اتصال مشترک صرفنظر گردیده است. در این صورت اگر بارها به باس نقطه اتصال مشترک وصل شده باشند به ناچار برای اندازه‌گیری ولتاژ این باس و انتقال آن به کنترلرهای محلی نیاز به بستر مخابراتی خواهد بود. اگر هم بارها به خروجی اینورترها بعد از فیلتر خروجی و قبل از خط تغذیه وصل شوند، در این حالت با دو مسأله روبه‌رو خواهیم شد: اول این که جبران‌سازی هارمونیکی ولتاژ خروجی اینورترها به معنای جبران‌سازی هارمونیکی ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک نخواهد بود [18]. دوم این که وجود هر گونه بار در خروجی اینورترها علاوه بر بارهای موجود در باس نقطه اتصال مشترک به منزله بارهای محلی محسوب شده و بایستی تدابیر خاصی به منظور عملکرد صحیح کنترل دروپ صورت پذیرد [6] و [15].
اگرچه استفاده از امپدانس مجازی ثابت و مرسوم می‌تواند در ایجاد عدم وابستگی بین توان‌های اکتیو و راکتیو و بهبود عملکرد دروپ مؤثر واقع شود، لکن در مواقعی که امپدانس خط تغذیه بسته به شرایط ریزشبکه مدام در حال تغییر باشد راهکار مناسبی برای جلوگیری از پیدایش جریان‌های گردشی و تسهیم صحیح توان بین منابع تولید پراکنده نخواهد بود. بر این اساس، مفهوم امپدانس مجازی تطبیقی در [19] و [20] معرفی شد که بر اساس آن مؤلفه‌های امپدانس مجازی بسته به میزان خطای موجود در اندازه جریان گردشی و یا توان‌های راکتیو تولیدی هر یک از واحدها به طور هوشمندانه بدون نیاز به داشتن پارامترهای خط تغذیه تغییر می‌یابند به گونه‌ای که اندازه جریان گردشی به صفر رسیده و تسهیم صحیح توان بین واحدها صورت پذیرد. با این وجود، یکی از چالش‌هایی که مفهوم امپدانس مجازی تطبیقی با آن روبه‌روست این است که با تغییر امپدانس مجازی، امپدانس کل خط تغذیه و نسبت 
آن تغییر یافته تا حدی که امکان دارد فرض غالب‌بودن خاصیت سلفی یا اهمی خط تغذیه که بر مبنای آن کنترلر دروپ مستقیم یا مخالف طراحی می‌شود نقض شده و عملکرد کنترلر دروپ مختل گردد. مرجع [19] با ارائه یک الگوریتم خاص بر روی اندازه اندوکتانس مجازی محدودیت اعمال نموده است. لکن این کار از یک طرف منجر به محدودشدن گستره عملکرد سیستم حلقه بسته شده و از طرف دیگر منجر به پیچیدگی بالای تجزیه و تحلیل آن می‌شود. در [20] تا [22] بدون اعمال محدودیت بر روی اندازه اندوکتاس مجازی و با استفاده از بستر مخابراتی دوطرفه بین واحدها با ظرفیت نامی برابر و کنترلر مرکزی ریزشبکه، به ترتیب از امپدانس مجازی سلفی، اهمی- سلفی و مقاومتی تطبیقی برای تقسیم صحیح توان بین واحدها استفاده شده است. در این کارها به ترتیب ابتدا فرض شده که امپدانس ریزشبکه از نوع سلفی یا مقاومتی غالب بوده و در نتیجه از دروپ متداول شبکه‌های سلفی غالب [20] و [21] و یا دروپ مخالف [22] استفاده شده است. ولی استفاده از امپدانس مجازی تطبیقی با مؤلفه‌های اهمی و یا سلفی منفی ممکن است رابطه غالب‌بودن مقدار راکتانس سلفی بر مقدار مقاومت و یا بالعکس را دستخوش تغییرات قرار داده به نحوی که استفاده از دروپ متداول و یا مخالف منجر به تضعیف عملکرد سیستم کنترلی گردد. در این مقالات، تضمینی برای سلفی و یا مقاومتی‌ماندن امپدانس شبکه با اعمال امپدانس مجازی تطبیقی داده نشده است.
در [23] از ترکیب راکتانس مجازی ثابت و مقاومت مجازی تطبیقی
در ریزشبکه‌های مقاومتی متصل به شبکه استفاده شده است. مقاومت مجازی مقادیر منفی احراز کرده که می‌تواند با کاهش میرایی سیستم منجر به کاهش پایداری و عملکرد نامطلوب در حالت‌های گذرا گردد. مرجع [24] بدون نیاز به بستر مخابراتی، از امپدانس مجازی تطبیقی که به صورت تابعی خطی (در قالب یک دروپ) از جریان‌های خروجی مبدل تغییر می‌کند برای تسهیم صحیح توان استفاده کرده است. در این مقاله بسته به این که نسبت بزرگ باشد یا نسبت 
، کنترل‌کننده بین دو نوع دروپ مستقیم یا دروپ مخالف کلیدزنی انجام می‌دهد. اگرچه با این روش، منفی‌شدن مؤلفه‌های امپدانس مجازی مشکلی در عملکرد کنترلر دروپ به وجود نمی‌آورد، ولی تعیین مقدار دقیق نسبت که برآیند مؤلفه‌های امپدانس مجازی و امپدانس خط تغذیه است نیاز به اندازه‌گیری و یا تخمین پارامترهای خط تغذیه دارد. علاوه بر این، در
این مقاله تدابیری برای جبران‌سازی افت ولتاژ ناشی از کاربرد امپدانس مجازی و کنترلر دروپ در نظر گرفته نشده است. در [25] بدون نیاز به بستر مخابراتی از امپدانس مجازی تطبیقی مبتنی بر روابط جبری برای توزیع متعادل توان مؤلفه منفی و هارمونیکی استفاده شده است. روش پیشنهادی مبتنی بر تزریق یک سیگنال با دامنه و فرکانس خاص است که بایستی به منظور جلوگیری از اثرات سوء آن بر روی کیفیت ولتاژ شبکه با دقت و احتیاط بالایی تعیین شوند. در این کار با توجه به روابط جبری مورد استفاده، مشکل منفی‌شدن مؤلفه‌های امپدانس مجازی هارمونیکی حل شده است. ولی مسئله افت ولتاژ ناشی از مقادیر بالای امپدانس مجازی و همچنین توزیع متعادل توان مؤلفه اصلی و مثبت مورد بحث قرار نگرفته است. در [26] بدون استفاده از بستر مخابراتی، از مقاومت مجازی تطبیقی دومرحله‌ای برای تقسیم صحیح توان در ریزشبکه‌های ولتاژ پایین با غالب‌بودن خاصیت مقاومتی خطوط تغذیه استفاده شده است. در این کار، افت ولتاژ ناشی از کنترلر دروپ و مقاومت مجازی با استفاده از سنکرون‌سازی بین اینورترها حل شده است. ولی مسئله سنکرون‌سازی بین اینورترها و تضمین همگرایی کنترلر تطبیقی پیشنهادی در این کار شرایط خاصی را ایجاب نموده و یک مسأله چالش‌برانگیز است. علاوه بر این، در این کار مسأله منفی‌شدن مقاومت مجازی و احتمال از بین رفتن فرض غالب‌بودن ماهیت مقاومتی امپدانس کل خط تغذیه مورد بحث قرار نگرفته است.
با توجه به مشکلات ذکرشده در حوزه تقسیم صحیح توان در ریزشبکه‌های جزیره‌ای و مرور کارهای موجود در این زمینه، ارائه یک روش کنترل ساده و کامل که معایب کنترل دروپ را در ریزشبکه‌های با امپدانس مقاومتی و منابع با ظرفیت‌های نامی متفاوت به طور کامل مرتفع سازد، ضروری است. لذا این مقاله با پیاده‌سازی روش کنترل سلسله‌مراتبی و با به کارگیری امپدانس مجازی مقاومتی تطبیقی بدون نیاز به اطلاعات امپدانس خطوط تغذیه و یک شبکه مخابراتی توزیع‌شده بدون نیاز به کنترلر مرکزی به حل مشکلات کنترل دروپ در منابع با ظرفیت‌های متفاوت پرداخته است. تفاوت اساسی رویكرد پیشنهادی با روش‌های موجود در مقالات به قرار زیر است: اول این که در مقایسه با روش‌های امپدانس تطبیقی موجود از قبیل [20] تا [22] که در آنها تضمینی برای مثبت‌ماندن امپدانس مجازی وجود نداشته و در نتیجه فرض غالب‌بودن خاصیت سلفی 
و یا خاصیت مقاومتی 
خط تغذیه اینورتر که اساس طراحی سیستم کنترل دروپ است ممکن است برقرار نشود، در این مقاله مشکل منفی‌شدن مؤلفه‌های امپدانس مجازی تطبیقی مورد بحث قرار گرفته و یک راهكار عملی برای حل آن و جلوگیری از
از دست دادن ماهیت مقاومتی غالب خط تغذیه، مبتنی بر یک بستر مخابراتی توزیع‌شده جدید ارائه گردیده است. بر اساس مطالعات انجام‌یافته در [5] و [26] تا [28]، اندازه کوچک مقاومت کل خط تغذیه که در اثر مقادیر منفی مقاومت مجازی امکان تحقق می‌یابد می‌تواند منجر به ناپایداری سیستم حلقه بسته گردد. لذا روش پیشنهادی با جلوگیری از منفی‌شدن مقاومت مجازی در ریزشبکه‌های مقاومتی، منجر به افزایش پایداری و بهبود عملکرد سیستم در حالت‌های گذرا می‌گردد. دوم این كه برخلاف اغلب کارهای موجود که اینورترهای ریزشبکه را به طور ساده با توان‌های نامی برابر و سیستم کنترلی آن را به طور جزئی از دیدگاه خاصی مورد بررسی قرار داده و فاقد یک نگرش جامع به کلیه حلقه‌های کنترلی آن هستند، در این مقاله یک ریزشبکه مستقل از شبکه مشتمل
بر اینورترهایی با توان‌های نامی نابرابر و کلیه حلقه‌ها و لایه‌های کنترلی اعم از حلقه‌های کنترل جریان، ولتاژ، کنترل دروپ، امپدانس مجازی، بازگردانی فرکانس و بازگردانی ولتاژ و ارتباط آنها با یکدیگر مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهایت با انجام شبیه‌سازی نشان داده می‌شود كه در مقایسه با روش‌های موجود [20]، رفتار حالت گذرا و ماندگار سیستم حلقه بسته به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.
2- کنترل سلسله‌مراتبی
طرح کنترل سلسله‌مراتبی شامل دو لایه کنترل‌کننده اولیه و کنترل‌کننده ثانویه می‌باشد. شکل 1 لایه‌های کنترلی برای کنترل یک منبع تولید پراکنده را نشان می‌دهد. لایه اولیه شامل کنترل دروپ و حلقه‌های کنترل ولتاژ و جریان اینورترها است. یک حلقه امپدانس مجازی مقاومتی دیگر نیز برای تنظیم امپدانس فیزیکی خطوط در این لایه اضافه شده است. در ادامه با افزودن لایه کنترلی ثانویه به سیستم، افت ولتاژ و فرکانس ناشی از کنترل دروپ جبران می‌شود.
شکل 2 عملکرد سطوح کنترل اولیه و ثانویه را برای دو واحد تولید پراکنده با ظرفیت‌های متفاوت نشان می‌دهد. در این شکل مشاهده می‌شود که انحرافات فرکانس و دامنه ولتاژ ناشی از کنترل دروپ مخالف توسط لایه ثانویه بازگردانی می‌شوند.
2-1 سطح اول کنترل
این لایه پایین‌ترین سطح و دارای سریع‌ترین پاسخ در کنترل سلسله‌مراتبی است که در آن تسهیم توان، کنترل ولتاژ و کنترل فرکانس انجام می‌شود. ساختار این لایه در همه 
ها مشابه هم هستند. در این بخش، ابتدا ساختار حلقه‌های داخلی کنترل جریان و ولتاژ تشریح و طراحی گردیده و سپس نحوه عملکرد کنترل دروپ مخالف توضیح داده شده است. همچنین با تحلیل مسئله تقسیم صحیح توان و جریان گردشی بین ها، نحوه به کارگیری امپدانس مجازی پیشنهادی و عملکرد آن در سیستم کنترل شرح داده می‌شود. نهایتاً راهکار عملی برای جلوگیری از منفی‌شدن امپدانس مجازی مقاومتی تطبیقی برای جلوگیری از از دست دادن ماهیت مقاومتی غالب خط تغذیه ارائه می‌گردد.
2-1-1 حلقه کنترل جریان
شکل 3 حلقه کنترل جریان خروجی اینورتر را نشان می‌دهد [29]. هنگامی که از روش کنترل حلقه‌های تودرتو استفاده می‌شود، درونی‌ترین حلقه، سریع‌ترین پاسخ و در نتیجه بالاترین پهنای باند را دارد و بنابراین حلقه جریان باید بیشترین پهنای باند را داشته باشد. در این مقاله به منظور طراحی ضرایب کنترل‌کننده‌ها، فرکانس قطع حلقه کنترل جریان 
برابر فرکانس کلیدزنی و حاشیه فاز پایداری 52 درجه در نظر گرفته شده است.
2-1-2 حلقه کنترل ولتاژ
در اینجا هدف، کنترل تنظیم ولتاژ خروجی هر یک از منابع تولید پراکنده 
می‌باشد و شکل 4 حلقه کنترل ولتاژ را نشان می‌دهد [29]. به منظور تعیین ضرایب کنترل‌کننده‌ها، فرکانس قطع حلقه ولتاژ 
فرکانس قطع حلقه جریان و حاشیه فاز پایداری 52 درجه در نظر گرفته شده است.
2-1-3 کنترل دروپ مخالف
روش دروپ متداول 
و 
برای ریزشبکه‌هایی با خطوط تغذیه کاملاً سلفی کاربرد دارد و استفاده از آن برای کنترل تقسیم توان با فرض سلفی غالب‌بودن امپدانس شبکه معتبر است. از این رو، این نوع روش دروپ در ریزشبکه‌های ولتاژ پایین که خطوط تغذیه دارای امپدانس غالباً مقاومتی هستند، به دلیل تابعیت توان اکتیو از ولتاژ و توان راکتیو از فرکانس معتبر نمی‌باشد. بنابراین در این مقاله از روش کنترل دروپ مخالف برای کنترل منابع تولید پراکنده استفاده شده است. برای بیان این مسئله به صورت ریاضی با در نظر گرفتن شکل 5 معادلات توان برای خطوط تغذیه با ماهیت مقاومتی به صورت زیر به دست می‌آیند [30]
(1)
(2)
با توجه به (1) و (2)، توان اکتیو و راکتیو به ترتیب وابسته به دامنه ولتاژ و زاویه توان می‌باشند و بنابراین مشخصه‌های دروپ در نظر گرفته شده برای این حالت به صورت زیر هستند [30]
(3)
(4)
[1] این مقاله در تاریخ 9 اسفند ماه 1399 دریافت و در تاریخ 12 دی ماه 1400 بازنگری شد.
مسعود اسماعیلی، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران، (email: m_esmaeili96@sut.ac.ir).
محمد هجری (نویسنده مسئول)، دانشكده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران، (email: hejri@sut.ac.ir).
[2] . Redundancy
[3] . Opposite Droop Method