۳-۱-۱کنترل­کننده داخلی
کنترل­ کننده داخلی یا کنترل­ کننده سیستم، محاسبه سیگنال‌های مرجع با هدف کنترلی مورد نظر را بر عهده دارد. این مراجع عمدتاً به فرم مراجع جریان می‌باشند. طراحی کنترل­ کننده داخلی بر مبنای دینامیک‌های مابین سیستم AC و STATCOM انجام می‌پذیرد. در ادوات جبرانساز توان راکتیو و عدم تعادل که با هدف تنظیم ولتاژ در شبکه‌های توزیع نصب می‌گردند به دلیل کوچک بودن توان جبرانساز در مقایسه با شبکه قدرت اساساً مسئله دینامیک و نوسانات میان سیستم AC و جبرانساز مطرح نیست. اما در مواردی که هدف از به‌کارگیری ادوات FACTS پایدارسازی سیستم قدرت، میرا نمودن نوسانات الکترومکانیکی و نوسانات فرکانس پایین باشد، مسئله طراحی کنترل­ کننده داخلی از اهمیت بسیاری برخوردار است.
تنظیم ولتاژ لینک DC در واحد کنترل از طریق کنترل جریان اکتیو STATCOM که مشخص کننده میزان توان اکتیو جذب شده یا تحویل داده شده توسط STATCOM می‌باشد، صورت می‌گیرد. برای حفظ ولتاژ لینک DC در مقدار مشخص، جریان‌های اکتیو STATCOM به‌گونه‌ای محاسبه می‌شوند که متوسط توان اکتیو جذب شده توسط STATCOM با توان تلف شده در STATCOM برابر باشد.

۳-۱-۲کنترل­کننده خارجی
کنترل­ کننده خارجی یا کنترل­ کننده جریان، عهده دار تعقیب مراجع جریان محاسبه شده توسط کنترل­ کننده داخلی است. کنترل­ کننده جریان اساسی‌ترین بخش در واحد کنترل است و تنها به شرط عملکرد صحیح کنترل‌کننده جریان می‌توان به بررسی مسائلی همچون پایداری سیستم در تعامل با شبکه قدرت یا تنظیم ولتاژ پرداخت. برای دستیابی به عملکرد مطلوب سیستم در حالت‌های گذرا نظیر خطاهای اتصال کوتاه در شبکه یا تغییرات ناگهانی بار، پاسخ دینامیکی سریع کنترل­ کننده جریان از درجه اهمیت بسیار بالایی برخوردار می‌باشد. این بخش، کنترل وضعیت سوئیچ‌های اینورتر را با هدف تعقیب مراجع جریان، در سریع‌ترین زمان و با خطای حالت دائمی صفر بر‌عهده دارد.
روش­های کنترل STATCOM را می­توان از دیدگاه های مختلف دسته­بندی کرد. اینکه جریان مرجع بدست آمده از واحد کنترل داخلی، مبنای سوئیچینگ قرار گیرد و یا اینکه جریان مرجع با اعمال روش­هایی به یک ولتاژ مرجع تبدیل شده و سپس ولتاژ مرجع مبنای عملیات سوئیچینگ قرار گیرد، می ­تواند معیاری برای دسته‌بندی روش­های کنترل STATCOM باشد. دیدگاه دیگر در دسته­بندی روش­های کنترلی می ­تواند براساس ماهیت خطی و یا غیر­خطی این روش­ها باشد. بعنوان مثال روش کنترل جریان هیسترزیس به‌علت استفاده از مقایسه­کننده­ های دو سطحی برای کنترل عدم خروج جریان از باند مجاز، غیرخطی است و در مقابل استفاده از کنترلر PI سنکرون که براساس مدل DQ خطی­شده STATCOM می­باشد، روش کنترل خطی محسوب می‌شود. معیار دیگری که می ­تواند اساس دسته­بندی روش­های کنترل STATCOM قرار گیرد، اینست که آیا روش کنترلی مبتنی بر مدل STATCOMو سیستم است و یا مستقل از مدل STATCOM و پارامترهای سیستم می­باشد. برای مدلسازی STATCOM دو روش عمده وجود دارد. روش اول براساس معادلات دکوپله شده STATCOM در فضای DQ است. در این روش از تلفات سوئیچینگ و مولفه­های‌هارمونیکی غیر اصلی در ولتاژ خروجی STATCOMصرفنظر می­ شود. روش دوم براساس اعمال تکنیک متوسط­گیری بر معادلات فضای حالت ناپیوسته STATCOMاست، که منجر به پیوستگی این معادلات می­ شود. مدل متوسط دینامیک سوئیچ­های مبدل STATCOM را در نظر می­گیرد و از تغییرات متغیرهای حالت سیستم که بازه­ی زمانی آنها کمتر از پریود سوئیچینگ باشد صرفنظر می­ کند.
۳-۲ مدلسازی اینورترهای سه فاز متصل به شبکه در جبران‌ساز STATCOM
مبدل‌های سه فاز DC-AC جهت اتصال منابع تولید توان DC به شبکه AC به‌کار می‌روند. در این بخش به بررسی مدل ارائه شده برای اینورتر در دو حالت عملکردی با توجه به نیاز تحقیقاتی عنوان شده در این پایان نامه، در شبکه‌های متقارن و نامتقارن پرداخته می‌شود.
یک مجموعه از متغیرهای فاز لحظه­ای با مجموع صفر را می­توان به‌صورت یکتا، با یک نقطه در فضا و در یک صفحه مشخص کرد. اگر از مبدا فضا به نقطه­ی مورد­نظر یک بردار تعریف کنیم، این بردار بر روی هر یک از محورهای فاز، تصویری عمودی خواهد داشت که برابر مقادیر لحظه­ای متغیرهای فاز است. این تعبیر بردار لحظه­ای می ­تواند در مورد ولتاژها و جریان­های سیستم سه­فاز به‌کاربرده شود. با تغییر ولتاژها و جریان‌های سیستم سه فازسه­سیمه (مجموع ولتاژها و جریان­های سه فاز صفر است)، بردارهای لحظه­ای ولتاژ و جریان در مسیری در یک صفحه خواهند چرخید. بردار لحظه­ای تمام اطلاعات مربوط به مجموعه سه فاز، شامل عدم تعادل حالت ماندگار، اعوجاج شکل موج­های‌هارمونیکی و مولفه­های گذرا را داراست. در شکل (۳-۲) یک سیستم مختصات متعامد که در آن هر بردار با مولفه­های d و q نمایش داده می­ شود، نشان داده شده است. با بهره گرفتن از سیستم مختصات d-q می­توان بردارهای لحظه­ای ولتاژ و جریان در سیستم سه­فاز سه­سیمه را برحسب مولفه­های d و q بیان کرد.

شکل( ۳-۲ ): نمایش برداری در فضای d-q
اگر فرض کنیم محورهای d و q با سرعت زاویه­ای در حال گردش باشند، آنگاه مقادیر ولتاژها و جریان‌های سه­فاز بر روی محورهای d و q عبارتند از :
(۳-۱)
(۳-۲)
(۳-۳)
ماتریس T اپراتور تبدیل پارک نامیده می­ شود. اگر سرعت چرخش زاویه­ای محورهای d و q، با سرعت چرخش بردارهای لحظه­ای ولتاژ و جریان سیستم سه­فاز سه­سیمه یکسان باشد، آنگاه مقادیر ولتاژ و جریان روی محورهای d و q ثابت خواهند بود. این یکی از مزایای استفاده از سیستم مختصات d-q در بررسی سیستم­های قدرت سه­فاز است. بعبارت دیگر در فرکانس سیستم قدرت، سه مقدار متغیر با زمان فاز به دو مقدار ثابت تبدیل خوهند شد.
حال به بررسی STATCOM متصل به سیستم قدرت که در شکل (۳-۳) نشان داده شده است، می‌پردازیم. ابتدا معادلات KVL را برای سه­فاز می­نویسیم و سپس به‌کمک تبدیل پارک این معادلات را به فضای d-q منتقل می­کنیم تا به مدل DQ دست یابیم. این روش مدل‌سازی بر اساس فرض­های ذیل است :
سیستم قدرت سه­فاز سه سیمه فرض می­ شود (مولفه صفر نداریم).
سوئیچ­ها ایده­آل فرض می­شوند، بنابراین تلفات سوئیچینگ نداریم(تلفات AC و DC داریم).
فقط‌هارمونیک اصلی را در نظر میگیریم و از مولفه­های دیگر صرفنظر می­کنیم..
اولین قدم در مدلسازی STATCOM بدست آوردن معادلات حالت است. جریان سلف­ها و ولتاژ طرف DC را می­توان به‌عنوان متغیرهای حالت در نظر گرفت(شکل ۳-۳). با توجه به سه سیمه بودن سیستم، مجموع جریان‌ها صفر است و بنابراین از سه جریان موجود فقط دو جریان مستقل می­باشند. با اعمال تبدیل پارک به معادلات حالت STATCOM می­توانیم به دو معادله­ حالت مستقل مربوط به جریان سلف­ها برسیم. در کل، STATCOM سه معادله­ حالت دارد که دو تا مربوط به جریان سلف­ها و یکی مربوط به ولتاژ خازن طرف DC است.

شکل (۳-۳) : STATCOM متصل به سیستم قدرت
با توجه به شکل (۳-۳) و با نوشتن معادله­ KVL در خروجی STATCOM داریم :
(۳-۴)
با اعمال تبدیل پارک به طرفین رابطه­ (۴-۴) و ساده­سازی روابط، معادلات حالت مربوط به جریان فازها در مختصات d-q مطابق زیر بدست می­آیند :
(۳-۵)
در مدل DQ از مولفه­های‌هارمونیکی ولتاژ خروجی STATCOM صرفنظر می­ شود و فقط مولفه اصلی را در نظر میگیریم. بنابراین اگر ولتاژ سیستم به‌صورت باشد، آنگاه ولتاژ خروجی STATCOM به‌صورت خواهد بود که در آن شاخص مدولاسیون اینورتر و α زاویه بین ولتاژ خروجی STATCOM و ولتاژ سیستم است. در نتیجه رابطه­ (۴-۵) را می­توان به‌صورت زیر نوشت :
(۳-۶)
در مدل DQ سوئیچ­ها ایده­آل فرض می­شوند و از تلفات سوئیچینگ صرفنظر می­کنیم. بعبارت دیگر توان بخش AC را با توان بخش DC برابر در نظر میگیریم. در نتیجه داریم :
(۳-۷)
که در آن:
v_dc ولتاژ لینک dc
i_dc جریانی که از طرف منبع توان dc به سمت لینک dc تزریق می‌شود.
i_grid جریان اینورتر یا جریانی که به شبکه تزریق می‌شود.
فصل چهارم

طراحی سیستم کنترل فازی برای اینورتر‌های سه فاز

۴-۱ مقدمه
جهت توسعه و بهبود سیستم توزیع تقاضای زیادی برای نصب DG از طرف مصرف کنندگان و تولید کنندگان توان وجود دارد. بسیاری از منابع تولید پراکنده از طریق یک لینک غیر خطی نظیر اینورتر منبع ولتاژ یا اینورتر منبع جریان به شبکه توزیع متصل می‌باشند. هدف اصلی از اتصال به‌صورت موازی، کنترل توان اکتیو کشیده شده از DG می‌باشد. عملکرد این لینک در کنترل توان راکتیو شبیه عملکرد DSTATCOM می‌باشد. مسئله کنترل توان راکتیو منجر به تنظیم ولتاژ در نقطه اتصال مشترک^[۳۲] (PCC) می‌شود. ساختار کنترلی طراحی شده برای این منظور در شکل (۴-۱) نشان داده است. همانطور که مشاهده می­ شود، این ساختار کنترلی از سه کنترل کننده فازی مستقل جهت، کنترل توان راکتیو، کنترل توان اکتیو کشیده شده از طرف پیل سوختی و کنترل ولتاژ خروجی مبدل DC/DC تشکیل شده است. از مزایای کنترل کننده فازی مورد نظر، خاصیت تطبیقی، پاسخ سریع و نرم نسبت به تغییرات و عدم حساسیت به تغییرات پارامترها که یکی از ملزومات برای سیستم­های توزیع است، می­باشد. از آنجائیکه سیستم توزیع ذاتاً متغیر می باشد و پارامترهای آن خیلی سریع در نتیجه اضافه بار کابلها، اشباع ترانسفورمرها و دینامیکهای بار تغییر می­ کند، کنترل کننده باید به‌صورتی مشخصه بندی شود که حساسیت کمی نسبت به تغییرات پارامترها داشته باشد. این ساختار انعطاف پذیر از DG به پاسخ کند ترانسفورمرهای با تپ قابل تغییر ^[۳۳] (LTC) که برای تنظیم ولتاژ در پستها بکار می رود، غلبه می­ کند. علاوه بر آن، جایگزین جبران کننده­ های خط نظیر (TSC^[34]) شده که برای جبران سازی توان راکتیو بکار می­رود. در این مقاله از کنترل فازی بجای کنترل کننده‌های کلاسیک نظیر PI برای تنظیم ولتاژ و کنترل توان استفاده شده است. برتری کنترل فازی در نتیجه قابلیت آن برای مدیریت رفتارهای غیر خطی سیستمهای عملی با ساختاری پیچیده به‌علت استفاده از دانشهای تجربی و خبره می‌باشد. کنترل فازی دارای خاصیتی تطبیقی و غیر حساس به به تغییرات پارامترها می‌باشد و نیاز به مدل ریاضی دقیق سیستم ندارد[۱۲-۱۱]. در بخشهای بعدی به بررسی هر یک از کنترل کننده‌های فازی مستقل می‌پردازیم:
شکل (۴-۱): ساختار کنترلی طراحی شده
۴-۲ طراحی کنترل فازی برای کنترل توان راکتیو
ورودی‌های واقعی به کنترل کننده فازی از نوع ممدانی، سیگنالهای مقیاس بندی شده خطای موثر ولتاژ e1، و مشتق خطا e2 ، می‌باشد. هفت تابع عضویت مثلثی برای هریک از ورودیها انتخاب شده است ودر نهایت ۴۹ قانون به‌صورت شرایط اگر و آنگاه در جدول(۴-۱) لیست شده است. هرکدام از سیگنالهای ورودی کنترل کننده فازی و سیگنال خروجی (e1,e2, iq_ref) متغیرهای فازی می‌باشند که بوسیله هفت متغیر زبانی بنام‌های، NB,NM,NS,Z,PS,PM,PM,PB مشخص می­شوند. پایگاه قوانین فازی به گونه ای طراحی می‌شود تا از مزیت کامل ارتباط بین توان اکتیو و راکتیو برخوردار گردد، برای اینکه مقدار موثر ولتاژ به صورت سریعی به مقدار مرجع خود بدون فراجهش برسد. علاوه بر این، اینورتر PWM کنترل شده با جریان می‌تواند جریان iq را به‌صورت لحظه ای تغییر دهد. برای مثال، قانون زیر : اگر e1 منفی بزرگ باشد و e2 بزرگ مثبت باشد، iq_ref مثبت کم می‌باشد. این قانون در حالتی که Vppc بسیارکمتر از Vpcc_ref باشد و با شتاب به سمت Vpcc_ref میل کند، تصمیم گیری به صورتی است که iq_ref به آهستگی افزایش یابد. برای جلوگیری از فراجهش سیگنال کنترلی، یک شرط توقف بوسیله قانون زیر لحاظ می‌گردد:
اگر e1 منفی متوسط باشد و e2 بزرگ مثبت باشد، iq_ref منفی بزرگ می‌باشد.
بنابراین در این حالت، سیگنال جریان به منظور اینکه موثر ولتاژ فراجهش زیادی نداشته باشد، باسرعت کاهش می‌یابد.
جدول(۴-۱) پایگاه قوانین فازی برای کنترل کننده فازی توان راکتیو