بررسی پایداری دینامیکی ریزشبکه‌ی اینورتری با در نظر گرفتن مجموعه‌ی بارهای دینامیکی و استاتیکی

روش‌های هوشمند در صنعت برق

دوره 11، شماره 44، اسفند 1399، صفحه 91-109   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

سعید زمانیان¹؛ سجاد سعدی²؛ رضا غفارپور¹؛ آرام مهدویان^{* 3}

¹دانشکده مهندسی و پدافند غیرعامل، دانشگاه امام حسین، تهران، ایران

²دانشکده مهندسی مکانیک بیو سیستم، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

³دانشکده برق، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

عملکرد مناسب و پایدار هر سیستم الکتریکی تا حد زیادی مرتبط با شناخت طراحان از ماهیت آن سیستم است؛ بنابراین لزوم ارائه­ی مدلی دقیق و مبتنی بر رفتار واقعی سیستم از اهمیت فوق­العاده­ای برخوردار است. درزمینه‌ی ریزشبکه­های اینورتری با توجه به نبود گشتاور همگام­ساز کافی فرآیند طراحی باید با حداکثر دقت انجام پذیرد. به این منظور ابتدا باید مدل دینامیکی کاملی از ریزشبکه به­ دست آورد. یکی از مهم­ترین بخش­های ریزشبکه­ های اینورتری بخش بار است، به این دلیل که رفتار بار در خروجی بخش تولید توان، بر تمامی ارکان سیستم تأثیرگذار است؛ بنابراین تمرکز مقاله­ی حاضر بر بررسی تأثیر مدل­سازی بار در فرآیند طراحی سیستم خواهد بود.
ابتدا با ارائه­ی معادلات اجزای ریزشبکه مدل فضای حالت آن به‌دست‌ آمده و در حضور مدل بار استاتیکی پایداری سیستم بررسی خواهد شد. سپس با قرار دادن مجموعه­ی بارهای مدل دینامیکی بازیابی نمایی و استاتیکی چندجمله­ای، صحت نتایج حاصل از طراحی مبتنی بر مدل استاتیکی مورد تحقیق قرار می‌گیرد. در این مسیر روش مکان ریشه­ها و مشاهده­ی عملکرد ریزشبکه معیار پایداری سیستم خواهد بود. به‌منظور دست­یابی به اهداف پایدارسازی و بهبود عملکرد سیستم، ضرایب مشارکت متغیرهای حالت استخراج و پارامترهای تأثیرگذار مورد مطالعه قرار خواهند گرفت.

کلیدواژه‌ها

ریزشبکه؛ پایداری دینامیکی؛ مدل‌ دینامیکی بار؛ مدل دینامیکی بازیابی نمایی؛ مدل استاتیکی چندجمله‌ای

مراجع

[1]   M. Granovskii, I. Dincer, M. A. Rosen, "Air pollution reduction via use of green energy sources for elect­ri­ci­ty and hydrogen production”, Atmospheric Environment, vol. 41, no. 8, pp. 1777-1783, March 2007 (doi: 10.1­0­16/j.atmosenv.2006.10.023).

[2]   IEEE standard for the specification of microgrid controllers”, IEEE Std 2030.7-2017, pp.1-43, 23 April 2018 (doi: 10.1109/IEEESTD.2018.8340204).

[3]   N. Bottrell, M. Prodanovic, T. C. Green, "Dynamic stability of a microgrid with an active load”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 28, no. 11, pp. 5107-5119, 2013 (doi: 10.1109/TPEL.2013.2241455).

[4]   L. Herrera, E. Inoa, F. Guo, J. Wang, H. Tang, "Small-signal modeling and networked control of a PHEV charging facility”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 50, no. 2, pp. 1121-1130, March/April 2014 (doi: 10.1109/TIA.2013.2272912).

[5]   L. Herrera, W. Zhang, J. Wang, "Stability analysis and controller design of DC microgrids with constant power loads”, IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 8, no. 2, pp. 881-888, March 2017 (doi: 10.1109/TSG.2015.­2457­909).

[6]   E. Hossain, R. Perez, A. Nasiri, R. Bayindir, "Stability improvement of microgrids in the presence of constant power loads”, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 96, pp. 442-456, March 2018 (doi: 10.1016/j.ijepes.2017.10.016).

[7]   T. Jain, "A t wo-level hierarchical controller to enhance stability and dynamic performance of islanded inverter-based microgrids with static and dynamic loads”, IEEE Trans. on Industrial Informatics, Sep 2018 (doi: 10.1109/TII.2018.2869983).

[8]   L. Che, M. E. Khodayar, M. Shahidehpour, "Adaptive protection system for microgrids: Protection practices of a functional microgrid system", IEEE Electrification Magazine, vol. 2, no. 1, pp. 66-80, March 2014 (doi: 10.1109/MELE.2013.2297031).

[9]   H. J. Song, X. Liu, D. Jakobsen, R. Bhagwan, X. Zhang, K. Taura, A. Chien, "The microgrid: a scientific tool for modeling computational grids", Proceeding of the IEEE/ACM, pp. 53-53, Dallas, TX, USA, USA, Nov 2000 (doi: 10.1109/SC.2000.10028).

[10] X. Chen, W. Pei, X. Tang, "Transient stability analyses of micro-grids with multiple distributed generations", Proceeding of the IEEE/POWERCON, pp. 1-8,  Hangzhou, China, Oct. 2010 (doi: 10.1109/­PO­WE­RCON.2010.5666120).

[11] Q. Jin ,Y.-L. Li, "A study on steady characters of inverter interfaced distributed generation in three phase symmetrical system”, Proceeding of the IEEE/POWERCON, pp. 1-7, Hangzhou, China, Oct.  2010 (doi: 10.1109/POWERCON.2010.5666669).

[12] K. Yu, Q. Ai, S. Wang, J. Ni, and T. Lv, "Analysis and optimization of droop controller for microgrid syste­m based on small-signal dynamic model”, IEEE Trans. Smart Grid, vol. 7, no. 2, pp. 695-705, Nov 2016 (doi: 10.1109/TSG.2015.2501316).

[13] Z. Shuai et al., "Microgrid stability: Classification and a review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 58, pp. 167-179, May  2016 (doi: 10.1016/j.rser.2015.12.201).

[14] E. A. A. Coelho, P. C. Cortizo, P. F. D. Garcia, "Small-signal stability for parallel-connected inverters in stand-alone AC supply systems”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 38, no. 2, pp. 533-542, Aug 2002 (doi: 10.1109/28.993176).

[15] A. Arif, Z. Wang, J. Wang, B. Mather, H. Bashualdo, D. Zhao, "Load modeling–a review”, IEEE Trans. on Smart Grid, May  2017  (doi: 10.1109/TSG.2017.2700436).

[16] C. W. Taylor, Power system voltage stability. McGraw-Hill, 1994.

[17] P. Kundur, N. J. Balu, M. G. Lauby, Power system stability and control. McGraw-hill New York, 1994.

[18] D. J. Hill, "Nonlinear dynamic load models with recovery for voltage stability studies”, IEEE Trans. on power systems, vol. 8, no. 1, pp. 166-176, Feb 1993 (doi: 10.1109/59.221270).

[19] D. Karlsson, D. J. Hill, "Modelling and identification of nonlinear dynamic loads in power systems”, IEEE Trans. on Power Systems, vol. 9, no. 1, pp. 157-166, Feb. 1994 (doi:  10.1109/59.221270).

[20] L. Rodríguez-García, S. Pérez-Londoño, J. Mora-Flórez, "Measurement-based exponential recovery load model: Development and validation”, Dyna, vol. 82, no. 192, pp. 131-140, Aug 2015 (doi: 10.15446/dyn­a.v­8­2n­192.48588).

[21] R. Agrawal, D. Changan, A. Bodhe, "Small signal stability analysis of stand-alone microgrid with compo­sit­e load”, Journal of Electrical Systems and Information Technology, vol. 7, no. 1, pp. 1-20, Dec. 2020 (doi: 10.1186/s43067-020-00020-9).

[22] J. Ma, D. Han, R.-M. He, Z.-Y. Dong, D. J. Hill, "Reducing identified parameters of measurement-based composite load model”, IEEE Trans. on Power Systems, vol. 23, no. 1, pp. 76-83, Jan  2008 (doi: 10.11­0­9­/T­P­WRS.2007.913206).

[23] W. Price et al., "Load representation for dynamic performance analysis”, IEEE Trans. on Power Systems, vol. 8, no. 2, pp. 472-482, May 1993 (doi: 10.1109/59.260837).

[24] A. Kahrobaeian, Y. A.-R. I. Mohamed, "Analysis and mitigation of low-frequency instabilities in autonom­o­u­s medium-voltage converter-based microgrids with dynamic loads”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 61, no. 4, pp. 1643-1658, May  2014 (doi: 10.1109/TIE.2013.2264790).

[25] P. Raju, T. Jain, "Development and validation of a generalized modeling approach for islanded inverter-based microgrids with static and dynamic loads”, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 108, pp. 177-190, June  2019 (doi: 10.1016/j.ijepes.2019.01.002).

[26] Y. Peng, Z. Shuai, X. Liu, Z. Li, J. M. Guerrero, Z. J. Shen, "Modeling and stability analysis of inverter-based microgrid under harmonic conditions”, IEEE Trans. on Smart Grid, Aug  2019 (doi: 10.1109/TSG.2­0­1­9.2­936041).

[27] Z. Shuai, Y. Peng, J. M. Guerrero, Y. Li, Z. J. Shen, "Transient response analysis of inverter-based microgrids under unbalanced conditions using a dynamic phasor model”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 66, no. 4, pp. 2868-2879, 2018 (doi: 10.1109/TIE.2018.2844828).

[28] A. M. I. Mohamad, Y. A.-R. I. Mohamed, "Investigation and assessment of stabilization solutions for DC microgrid with dynamic loads”, IEEE Trans. on Smart Grid, Jun  2019 (doi: 10.1109/TSG.2019.2890817).

[29] Z. Shuai, Y. Peng, X. Liu, Z. Li, J. M. Guerrero, J. Shen, "Parameter stability region analysis of islanded microgrid based on bifurcation theory”, IEEE Trans. on Smart Grid, Mar  2019 (doi: 10.1109/TSG.2019­.29­0­7600).

[30] N. Pogaku, M. Prodanovic, T. C. Green, "Modeling, analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid”, IEEE Trans. on power electronics, vol. 22, no. 2, pp. 613-625, Mar 2007 (doi:  10.1109/TPEL.2006.890003).