مديريت توان الکتریکی در شبکه الکتریکی شناورها با استفاده از روش كنترل پیشبین توزيع¬شده
الموضوعات :
سعید نوابی
1
,
مهدی مصیبی
2
,
محمدرضا علیزاده پهلوانی
3
,
آرش دهستانی کلاگر
4
1 - مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران،
2 - مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران،
3 - مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران،
4 - مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
الکلمات المفتاحية: مدیریت توان, سیستم قدرت شناور, کنترل پیشبین توزیع¬شده, ذخیره¬ساز انرژی,
ملخص المقالة :
در این مقاله، یک ساختار کنترل توزیع شده برای مدیریت توان در سیستم قدرت شناور (SPS) با ولتاژ DC غیرخطی ارائه شده است. معماری کنترل توزیع¬شده دارای مزایای بار محاسباتی کمتر، انعطافپ ذیری بالا و تحمل خطای خوبی است. در این ساختار، هر زیر سیستم توسط یک کنترل کننده پیشبین مدل با استفاده از متغیرها و پارامترهای حالت محلی و همچنین متغیرهای تعاملی از زیرسیستم های دیگر که از طریق یک هماهنگکننده به اشتراک گذاشته می¬شوند، کنترل¬می شود. در سطح هماهنگکننده اصلی، یک مسئله بهینهسازی به طور مکرر حل میشود تا به کمترین مقدار خطا در ولتاژ خروجی و حالت بهینه دست یافت. اثربخشی ساختار کنترل توزیعشده پیشنهادی برای بخش تولید توان کمکی سیستم قدرت شناور انجام شده است که مربوط به بخش مبدلهای DC-DC است که به عنوان ماژول ذخیره ساز انرژی مورد استفاده قرار گرفته است و صحت عملکرد توسط نتایج شبیه سازی نشان داده شده و همچنین تجزیه وتحلیل عملکرد در مقایسه سایر روش های کنترلی مبدل ها از قبیل کنترل تناسبی با درنظر گرفتن مشخصات سیستم نیز در قسمت مقایسه نتایج نشان داده شده است.
[1] Z. Dong, X. Cong, Z. Xiao, X. Zheng, and N. Tai, "A study of hybrid energy storage system to suppress power fluctuations of pulse load in shipboard power system," in Proc. Int. Conf. Smart Grids Energy Syst, pp. 437-441, Perth, Australia, 23-26 Nov. 2020.
[2] M. M. Mardani, M. H. Khooban, A. Masoudian, and T. Dragičević "Model predictive control of DC-DC converters to mitigate the effects of pulsed power loads in naval DC microgrids," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 66, no. 7, pp. 5676-5685. Jul. 2019.
[3] D. Perkins, T. Vu, H. Vahedi, and C. S. Edrington, "Distributed power management implementation for zonal MVDC ship power systems," in Proc. 44th Annu. Conf. IEEE Ind. Electron. Soc., pp. 3401-3406, Washington, DC, USA, 21-23 Oct. 2018.
[4] T. Goya, et al., "Coordinated control of energy storage system and diesel generator in isolated power system," Int. J. Emerg. Electr. Power Syst., vol. 12, no. 1, Article ID: 2580, Jan. 2011.
[5] X. Zhaoxia, et al., "Coordinated control of a hybrid-electric-ferry shipboard microgrid," IEEE Trans. Transp. Electrif., vol. 5, no. 3, pp. 828-839, Sept. 2019.
[6] H. M. Hasanien, "Design optimization of PID controller in automatic voltage regulator system using taguchi combined genetic algorithm method," IEEE Syst. J., vol. 7, no. 4, pp. 825-831, Dec. 2013.v [7] Z. Jin, L. Meng, J. M. Guerrero, and R. Han, "Hierarchical control design for a shipboard power system with DC distribution and energy storage aboard future more-electric ships, " IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 14, no. 2, pp. 703-714, Feb. 2018.
[8] P. Xie, et al., "A distributed real-time power management scheme for shipboard zonal multi-microgrid system," Applied Energy, vol. 317, Article ID: 119072, Jul. 2022.
[9] S. Kulkarni and S. Santoso, "Impact of pulse loads on electric ship power system: with and without flywheel energy storage systems," in Proc. IEEE Electric Ship Technologies Symp., pp. 568-573, Baltimore, MD, USA 20-22 Apr. 2009.
[10] L. Xu, et al., "A review of DC shipboard microgrids - part I: power architectures, energy storage, and power converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 37, no. 5, pp. 5155–5172, May 2022.
[11] A. Haseltalab, F. Wani, and R. R. Negenborn, "Multi-level model predictive control for all-electric ships with hybrid power generation," Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 135, Article ID: 107484, Feb. 2022.
[12] L. Xu, et al., "A review of DC shipboard microgrids - part II: control architectures, stability analysis, and protection schemes,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 37, no. 4, pp. 4105-4120, Apr. 2022.
[13] W. Zhu, J. Shi, and S. Abdelwahed, "End-to-end system level modeling and simulation for medium-voltage DC electric ship power systems," Int. J. Nav. Archit. Ocean Eng., vol. 10, no. 1, pp. 37-47, Jan. 2018.
[14] R. Mo and H. Li, "Hybrid energy storage system with active filter function for shipboard MVDC system applications based on isolated modular multilevel DC/DC converter," IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron., vol. 5, no. 1, pp. 79-87, Mar. 2017.
[15] M. Stieneker and R. W. De Doncker, "Dual-active bridge DC-DC converter systems for medium-voltage DC distribution grids," 2015 IEEE 13th Brazilian Power Electron. Conf. 1st South. Power Electron. Conf., 6 pp. Fortaleza, Brazil, 29 Nov.-2 Dec. 2015.
[16] E. F. Camacho and C. B. Alba, Model Predictive Control, vol. 2, p. 79, Springer Science & Business Media, 2013, Citado, 2013.
[17] M. Razzanelli, E. Crisostomi, L. Pallottino, and G. Pannocchia, "Distributed model predictive control for energy management in a network of microgrids using the dual decomposition method, " Optim. Control Appl. Methods, vol. 41, no. 1, pp. 25-41, Jan. 2020.
[18] D. Trentesaux, "Distributed control of production systems," Eng. Appl. Artif. Intell., vol. 22, no. 7, pp. 971-978, Oct. 2009.
[19] L. Xu, et al., "Sliding mode control for pulsed load power supply converters in DC shipboard microgrids," Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 151, Article ID: 109118, Sept. 2023.
نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 23، شماره 1، بهار 1404 33
مقاله پژوهشی
مديريت توان الکتریکی در شبکه الکتریکی شناورها با استفاده از
روش كنترل پیشبین توزيع‌شده
سعید نوابی، مهدی مصیبی، محمدرضا علیزاده پهلوانی و آرش دهستانی کلاگر
چکیده: در این مقاله، یک ساختار کنترل توزیع شده برای مدیریت توان در سیستم قدرت شناور 2 (SPS)با ولتاژ DC غیرخطی ارائه شده است. معماری کنترل توزیعشده دارای مزایای بار محاسباتی کمتر، انعطافپذیری بالا و تحمل خطای خوبی است. در این ساختار، هر زیر سیستم توسط یک کنترلکننده پیشبین مدل با استفاده از متغیرها و پارامترهای حالت محلی و همچنین متغیرهای تعاملی از زیرسیستمهای دیگر که از طریق یک هماهنگکننده به اشتراک گذاشته میشوند، کنترل میشود. در سطح هماهنگکننده اصلی، یک مسئله بهینهسازی به طور مکرر حل میشود تا به کمترین مقدار خطا در ولتاژ خروجی و حالت بهینه دست یافت. اثربخشی ساختار کنترل توزیعشده پیشنهادی برای بخش تولید توان کمکی سیستم قدرت شناور انجام شده است که مربوط به بخش مبدلهای DC-DC است که به عنوان ماژول ذخیرهساز انرژی مورد استفاده قرار گرفته است و صحت عملکرد توسط نتایج شبیهسازی نشانداده شده و همچنین تجزیه وتحلیل عملکرد در مقایسه سایر روشهای کنترلی مبدلها از قبیل کنترل تناسبی با درنظر گرفتن مشخصات سیستم نیز در قسمت مقایسه نتایج نشانداده شده است.
کلیدواژه: مدیریت توان، سیستم قدرت شناور، کنترل پیشبین توزیعشده، ذخیرهساز انرژی.
1- مقدمه
سیستم قدرت شناور (SPS) بهعنوان یک شبکه الکتریکی در مقیاس کوچک مستقل شناخته میشود که توان را برای سیستم پیشرانه و بارهای سرویس در یک کشتی فراهم میکند. پیشرفت فناوری خصوصاً در حوزه الکترونیک قدرت در سال‌های اخیر به تغییر ساختار پیشرانة شناورها از ساختار سنتی به‌سوی تمام برقی شدن کمک شایانی کرده است. به علت وجود بارهای بزرگ و ساختار ویژة شناورها، اغتشاش‌های به وجود آمده به‌واسطة شرایط غیرقابل‌پیش‌بینی تأثیر مستقیم بر پایداری شبكه و خصوصاً پایداری ولتاژ دارد که مدیریت توان در این ساختار را نیازمند است. سیستم قدرت مبتنی بر ولتاژ DC در شناورها طیف وسیعی از مزایا و پیشرفت‌ها را به همراه دارد. به‌عنوان‌مثال، نیازی به همگام‌سازی زاویه فاز منابع و بارها نیست، بنابراین اتصال انواع مختلف ژنراتورها، ذخیره‌سازی و بارها را میتوان تسهیل کرد. علاوه بر این، محدودیتهای فرکانس از طراحی ژنراتورها حذف میشود، بنابراین اندازه و وزن آنها کاهش می‌یابد. مصرف سوخت نیز به دلیل عملکرد موتورهایسرعت متغیر کاهش می‌یابد.
از طریق تکامل فناوری‌های ارتباطی کامپیوتری و شبکه‌ای، رویکرد کنترل توزیعشده مزایای مهمی را نسبت به معماری متمرکز ارائه میدهد که آن را قادر میسازد تا برای مسائل مختلف دنیای واقعی کاربرد بیشتری داشته باشد. در ساختار کنترل توزیع شده، مسئله متمرکز به چندین واحد کنترل محلی تجزیه میشود که مشکلات بهینهسازی خود را در پردازنده‌های جداگانه محاسبه می‌کنند و برای رسیدن به یک هدف سیستم حلقه بسته به طور مؤثر ارتباط برقرار می‌کنند.
مزیت کنترل توزیع شده رفتار خوب، تحمل خطا و استحکام آن است. این بدان معناست که اگر یک رویداد غیرمنتظره در یک زیرسیستم اتفاق بیفتد، برخلاف کنترل متمرکز، کنترل‌کننده‌های محلی دیگر همچنان می‌توانند کار کنند و کل سیستم تحتتأثیر خرابی احتمالی قرار نمی‌گیرد. انعطافپذیری بالا یکی دیگر از مزایای مهم یک چارچوب توزیع شده است. این ساختار هرگونه توسعه و نگهداری احتمالی سیستم کنترل را ساده میکند. اگر یک زیرسیستم جدید به سیستم فعلی اضافه شود، فقط لازم است زیرسیستم‌هایی که با زیرسیستم جدید تعامل دارند اصلاح شوند، بنابراین به‌راحتی مقیاس‌پذیر است. علاوه بر این، به دلیل نیازهای محاسباتی پایین‌تر، اجرای طرح توزیعشده آسان‌تر است. سربار محاسباتی کمتری دارد؛ زیرا یک مسئله دشوار با چندین مشکل در مقیاس کوچک‌تر جایگزین میشود. باید توجه کرد که عملکرد این ساختار به‌شدت به میزان تعامل بین زیرسیستم‌ها و الگوریتم هماهنگی عامل‌ها بستگی دارد [1] و [2]. مزایای ذکر شده در بالا استفاده از کنترل توزیع شده را در بسیاری از برنامه‌ها توجیه میکند. هدف از این مقاله ارائه یک ساختار کنترل توزیع شده برای یک سیستم قدرت غیرخطی شناور است که با استفاده از منابع ژنراتوری و باتری و ابرخازن در شرایط مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است تا در مقابل اعمال بار پالسی بتواند توان مصرفی بارهای مصرفی خود را به طور یکسان تأمین کند و دچار افت ولتاژ در شبکه نشود به همین منظور برای رسیدن به اهداف مذکور مدل شناور در نرم‌افزار Matlab شبیهسازیشده است و نتایج آن در ادامه آورده شده است. در ادامه مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. بخش دوم مدل کلی شبکه DC شناور مورد بررسی قرار گرفته است. بخش سوم معادلات ریاضی و فرمول بندی آن با ساختار کنترل توزیع شده برای سیستم قدرت شناور ارائه شده است. بررسی و تحلیل عملکرد کنترل کننده متمرکز و توزیع شده یک سیستم غیرخطی شناور در بخش چهارم ارائه شده است و در بخش پنجم نتایج شبیه سازی ارائه شده است. همچنین در بخش ششم نتایج کنترلی مقایسه و تحلیل شده است.
1-1 اهمیت کنترل ولتاژ در ریزشبکه شناور
مشخصات بارهای پالسی را می توان با ویژگی هایی مثل مقدار اوج، مدت زمان پالس و فرکانس تکرار پالس 3 (PRF)توصیف کرد که نشان‌دهنده فاصله متقابل بین دو پالس متوالی است. شکل موج بار توان پالسی باتوجه به انواع مختلف این نوع بارها متفاوت است. بهعنوان مثال، مدتزمان پالس و PRF رادارهای دریایی بافاصله‌ای که هدف در آن قرار دارد تعیین میشود. چنین باری نیازهای خاصی را در سیستم قدرت کشتی ارائه میدهد که بهعنوان ریزشبکه کشتی 4 (SMG)نیز شناخته میشود.
هماهنگی مناسب بین دیزل ژنراتورها و باتری‌ها برای رفع چالش‌های موجود در ارائه عملکرد پایدار حیاتی است. برای یک SMG، بدون محدودیت فرکانس سیستم، یکی از مهم‌ترین اهداف کنترل اطمینان از پایداری ولتاژ است. علاوه بر تنظیم ولتاژ، میتوان به اهداف کنترل هماهنگ مختلفی مانند کاهش نوسانات ولتاژ گذرا [3]، کاهش ظرفیت باتری‌ها و مبدلها، در نتیجه به حداقل رساندن هزینه [4] و تنظیم فرکانس در سیستم AC دست یافت. در ریزشبکههای DC [5] به طور کلی، دو طرح برای کنترل هماهنگ، دیزل ژنراتورها و باتری‌ها برای دستیابی به تنظیم ولتاژ و مدیریت توان ارائه میشود. در اولین طرح هماهنگی، همانطور که شکل 1 نشان داده شده است، ژنراتورهای سنکرون میدان سیم‌پیچی‌شده 5(WFSGs) منابع توان اولیه هستند که وظیفه تنظیم ولتاژ باس DC را توسط کنترل ولتاژتحریک دارند و در عین حال، باتری ها عدم تعادل قدرت بین ژنراتورهای سنکرون 6 (SGs)و بارها را جبران می‌کنند. ژنراتورها از طریق یکسوکننده‌های دیودی با قابلیت اطمینان بالا و هزینه کم به باس DC متصل میشوند و کنترل ولتاژ تحریک خروجی را تنظیم می‌كنند. گاورنر قدرت مکانیکی را با تغییر سرعت زاویه‌ی موتور 
با تنظیم مقدار سوخت تنظیم میکند. تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار 7(AVR) ولتاژ خروجی ژنراتور را با کنترل جریان تحریک تنظیم میکند ولتاژ ژنراتور
با دامنه
توسط رابطه محاسبه شده است [6]
(1)
که در آن 
سرعت زاویه ای الکتریکی است، 
اندوکتانس مغناطیس شوندگی ژنراتور، و
جریان تحریک است. با در نظر گرفتن اثر کموتاسیون ژنراتور ، ولتاژ خروجی DC یکسوکننده طبق (2) بهدست می‌آید [7]
(2)
که در آن 
اندوکتانس ژنراتور سنکرون،
جریان خروجی از یکسوساز است. طرح کنترل مبتنی بر ولتاژ تحریک ژنراتور که در
شکل 1: طرح کنترلی هماهنگ ژنراتور با ذخیره کننده در روش کنترل Droop [1].
شکل 1 نشان داده شده است از اجرای ساده بهره می برد. با این حال، اینرسی زیاد در ژنراتورها منجر به پاسخ دینامیکی آهسته در تنظیم ولتاژ از طریق سیستم تحریک میشود و در برآوردن مشخصات بار نوسان شناورها مشکل ایجاد میکند. علاوه بر این، از جنبه مصرف سوخت، دینامیک آهسته تنظیم سرعت روتور را به طور دقیق و لحظه ای برای دستیابی به عملکرد کارآمد دشوار میکند.
1-2 بار پالسی در ریزشبکه شناور
بارهای توان پالسی 8(PPLs)، مانند رادارها، تفنگ‌های ریلی الکترومغناطیسی، پرتابگرهای هواپیما و غیره، بارهای ویژه در شناورها، به‌ویژه در شناورهای نیروی دریایی هستند [9]. متفاوت از بارهای معمولی شناور ، PPL ها دارای مشخصات بار با توان گذرا بسیار بالا به طور متناوب هستند. بنابراین، حتی اگر پیک توان بسیار زیاد باشد، متوسط توان یک PPLنسبتاً کم است، و منبع تغذیه برای جبران این بارها با یک چالش مهم روبرو خواهد شد كه باعث مشکلات شدیدی مثل کشیده شدن توان پالسی بالا و لحظه ای از شبکه و افت در کیفیت توان و قابلیت اطمینان سیستم میگردد مانند کاهش ولتاژ، نوسانات ولتاژ، عملکرد نادرست حفاظت از سیستم، و حتی خاموشی سیستم میشود [10].
برای برآوردن توان مورد نیازPPL و کاهش اثرات نامطلوب آن بر سیستم، یک زیرسیستم منبع تغذیه پالسی (PPS) با طراحی کنترلی مناسب مورد نیاز است. یک راه ساده اضافه‌کردن یک منبع ذخیرهساز انرژی مثل باتری برای تأمین توان گذرا و میرا کردن نوسانات ولتاژ است [11]. از نظر استراتژی کنترل، PPSهای موجود بر اساس روشهای کنترل خطی مانند کنترل تناسبی (PI) هستند. با این حال، تغییر قابل توجه توان PPL ممکن است منجر به تغییر نقطه عملکرد سیستم در هنگام راه اندازی و پایان دادن به توان پالسی شود. بنابراین، روشهای کنترل غیرخطی در کاربرد PPS ترجیح داده میشوند [12].
2- مدل کلی ریزشبکهDC
مدل مورد استفاده در اینجا یک سیستم قدرت غیرخطی شناور DC است که شامل یک ژنراتور اصلی،یک موتور الکتریکی DC است. دو بار محلی، یک بار پالسی ایزوله و یک دستگاه ذخیره انرژی. سیستم توزیع دارای توپولوژی باس حلقوی است. همه ماژول‌ها توسط ماژول‌های تبدیل توان مبتنی بر الکترونیک قدرت (PCM) و سوئیچ‌های قطع DC به باس توزیع DC متصل میشوند. شکل 2 معماری کلی سیستم DC در نظر گرفته شده را در این کار نشان میدهد.
[1] این مقاله در تاریخ 11 مهر ماه 1403 دریافت و در تاریخ 3 اردیبهشت ماه 1404 بازنگری شد.
سعید نوابی، مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران، (email: saeed.zz1956@gmail.com).
مهدی مصیبی (نویسنده مسئول)، مجتمع دانشگاهي برق و كامپيوتر، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، تهران، ایران (email: mosayebi@mut.ac.ir).
محمدرضا علیزاده پهلوانی، مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران، (email: mr_alizadehp@mut.ac.ir).
آرش دهستانی کلاگر، مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران، (email: a_dehestani@mut.ac.ir).
[2] . Shipboard Power System
[3] . Pulse Repetition Frequency
[4] . Shipboard MicroGrid
[5] . Wound Field Synchronous Generators
[6] . Synchronous Generators
[7] . Automatic Voltage Regulator
[8] . Power Pulsed Loads
دینامیک کلی یک مدل کلی غیرخطیMVDC SPS را میتوان با معادله دیفرانسیل- جبری غیرخطی زیر (DAE) توصیف کرد:
(3)
که در آن 
بردار متغیرهای حالت موجود در اجزای دینامیکی سیستم مانند توربین‌های گاز، ماشین‌های سنکرون و محرکه‌ها است.
ورودی‌های کنترل و 
بردار متغیرهای حالت جبری مانند متغیرهای شبکه توزیع و سایر متغیرهای حالت جبری غیرخطی مرتبط با اجزای داخلی را نشان میدهد که در آن هیچ مشتقی وجود ندارد. 
بردار مقادیر اولیه برای متغیرهای حالت است.
سیستم توصیف شده توسط (3) در شکل 2 را میتوان در زمان گسسته با زمان نمونه برداری 
، به‌منظور طراحی کنترلکننده پیشبین به صورت زیر نوشت [13]:
(4)
همچنین دیاگرام تک‌خطی شبیهسازیشده شبکه شناور را میتوان
در شكل 4 مشاهده کرد که از دو بخش مجزای تولید توان تشکیل شده است.
نمای کلی یک DC SMG معمولی در شكل 3 نشان داده شده است [14]. از آنجایی که اجزای قدرت متعددی در سیستم یکپارچه شده است، و شرایط عملیاتی در کاربرد دریایی سخت است، همانطور که شكل 3 مشاهده میکنید ساختارهای مختلف سیستم قدرت شناور، اجزای آن که متشکل از ماژول تولید انرژی، ادوات الکترونیک قدرت، بارهای خدماتی، توان بالا و ... و موتورهای الکتریکی و پروانه و قسمت پیشرانش را در آن مشخص کرده است.
کیفیت توان با انحراف ولتاژ شین از ولتاژ شین مرجع نشان داده می‌شودکه تابع هزینه بر همین اساس بهصورت زیر بهدست می‌آید:
(5)
(الف) (ب)
شکل 5: مدل استفادهشده برای بار، (الف) پالس اعمالی به سیستم و (ب) استفاده از منبع جریان وابسته به عنوان معادل بار پالسی.
که
متغیر حالت تعریف شده در مدل مذکور زمان نمونه نشان میدهد. 
آخرین مرحله زمانی است. هدف کنترلکننده به‌حداقل‌‌رساندن تابع هزینه فوق به‌منظور حفظ ولتاژ شین، نزدیک به مقدار مرجع است.
در ادامه به معرفی اجزاء و ادوات مختلف استفاده شده در این ساختار پرداخته شده است و انواع مختلف هر کدام از این زیرسیستم ها آورده شده است.
2-2 مدل بار استفادهشده در شبیهسازی
بارهای مختلفی در شبیهسازی استفاده شده است که از جمله آنها میتوان به بارهای خدماتی و بارهای توان بالا و بارهای پالسی اشاره کرد که بار پالسی بهصورت منبع جریان وابسته در شکل 5 بهصورت مدل نشانداده شده است.
میتوان با داشتن جریان از (6) مقدار توان بار پالسی را محاسبه کرد و همچنین بالعکس.
(6)
سیستم حفاظتی SMG باید حساسیت تشخیص خطا، سرعت رفع و برطرف‌کردن خطا، صرفه‌جویی و سادگی را برآورده کند. با این حال، موانعی برای برآورده‌ساختن این خواسته‌ها وجود دارد. همانطور که در بخشهای قبلی معرفی شد، PPLها توان گذرای زیادی را جذب می‌کنند. بنابراین، جریان ممکن است باعث عملکرد نادرست رله ها و مدارشکن ها شود. علاوه بر این، طراحی سیستم های زمین در شناورها به دلیل نداشتن زمین واقعی دشوار است. بدنه را به عنوان زمین، با مقاومت بالا یا یک نقطه خنثی به زمین در نظر گرفته می شود. فرآیند مدیریت خطا در DC
شکل 6: فرایند مدیریت خطا [16].
SMGها شبیه به زیر شبکه های زمینی است. ولتاژ و جریان منبع در شکل 6 آورده شده است. هدف از مدیریت خطا حفاظت از سیستم و برگشت به حالت پایدار است. روش ها برای هر فرآیند حفاظتی در این بخش مورد بحث قرار گرفته است [16].
همانطور که بیان شد هدف اصلی مدیریت خطا حفظ پایداری سیستم است که با توجه به شکل 6 که مشخصه ولتاژ و جریان در شرایط مختلف در زیرشبکه DC شناور نشان داده شده است، هدف اصلی کاهش مرحله چهارم نمودار جریان یعنی بازیابی انرژی است که در هنگام بروز خطا (که میتواند ایجاد اتصال کوتاه یا کشیده شدن یک بار پالسی در مدت زمان کوتاه و ... باشد) اتفاق می‌افتد. مشخصه جریان سیستم درچهار مرحله تغییر حالت داده که متناسب با آن مشخصه ولتاژ نیز تغییراتی میکند که در شکل 6 نشان داده شده است.
همانطور که در شکل 7 مشاهده میکنید مدل ریاضی ذخیرهساز انرژی که یک ابرخازن است بهصورت یک مقاومت و خازن ساده شده است که معادلات بر اساس جریان و ولتاژ خازن به صورت (7) بیان شده است. 
ولتاژ لینک DC است که خروجی ذخیرهساز انرژی را به لینک DC متصل می کند.
(7)
جریان و 
ولتاژ خازن است. وهمچنین ولتاژ لینک DC 
شکل 7: مدار معادل ذخیرهساز انرژی (ابرخازن).
نوشته شده است. در نهایت معادلات ذخیره ساز انرژی به صورت (7) بهدست آمده است.
مبدل DC / DC برای اتصال ESS به باس DC مورد نیاز است. مبدل DC / DC پل فعال دوطرفه 1(DAB) به دلیل داشتن مزایای دوجهته بودن شارش جریان، راندمان بالا، ساختار مدولار، ایزوله و سوئیچینگ نرم، به طور رایج مورد استفاده قرار می گیرد [17]. به‌طور مشابه، مبدلهای مدولار چند سطحی DC / DC نیز انتخاب خوبی برای کاربردهای توان بالا هستند [18]. در اینجا از دو مبدل باک استفاده شده است که در دو سطح ولتاژ را کاهش داده و بار های DC را تغذیه می‌کنند. در یک ریزشبکه شناور که از مجموعه‌های تولید، باتری‌های ESS و انواع مختلف بارهای کشتی تشکیل شده است. ژنراتورها و باتری‌های ESS به صورت موازی به گذرگاه DC متصل هستند. بارهای کشتی شامل سیستم نیروی محرکه الکتریکی، بارهای خدمات کشتی، PPL و سایر بارهای اختصاصی با توان بالا است [19]. نمودار یک DC SMG در شکل 8 ارائه شده است که در آن بار پالسی به همراه منبع ذخیره ساز انرژی و سایر مشخصات و ویژگی های یک شبکه شناور در سمت DC نشان داده شده‌اند.
مدل ریاضی مبدل استفاده شده در شبیهسازی بهصورت زیر است [19]:
(8)
(9)
(10)
در ادامه ماتریس حالت مبدل بهصورت (11) نوشته میشود:
, (11)
3- کنترل منابع تولید توان
همانطور که در شکل 9 نشانداده شده است منابع تولید توان از قبیل ژنراتور، ذخیره‌کننده‌های انرژی و ... باید توسط یک سیستم مدیریتی کنترل شوند و به همین منظور با توجه ساختار توزیعشدگی الگوریتم کنترلی، کنترل‌کننده‌های محلی با یک کنترل‌کننده‌ی مرکزی و همچنین با یکدیگر در ارتباط هستند.
برای هر کدام از منابع تولید توان باید یک کنترلکننده طراحی شود که به همین منظور برای منابع ذخیرهساز انرژی مبدلهای DC-DC دوجهته و برای یکسوسازها، کنترلکننده یکسوساز AC-DC انجام شده است که در ادامه به‌تفصیل توضیح داده شده است.
شکل 8: مدل DC شناور به همراه بار پالسی و مبدل دوجهته.
3-1 یکسوساز
از کنترلکننده PID در دو بخش استفاده شده است که میتوان به بخش کنترل کانورتر (یکسوساز) یعنی کنترل مدولاسیون یکسوساز برای تولید پالس گیت برای سوئیچ‌های هر ساق یکسوساز و تولید پالس برای کنترل ولتاژ خروجی مبدل دوجهته که ویژگی‌های روش کنترلی و بخشهای مختلف آن در ادامه آورده شده اشاره کرد.
همانطور که در ژنراتور سنکرون بدون موتور دیزلی گاورنر را از طریق یکسوکننده‌های فعال به باس DC متصل می‌کنند. در حالت DC، دیزل‌ژنراتورها باید با سرعت نامی کار کنند و ژنراتورها توان نامی را تولید می‌کنند تا حداکثر راندمان حاصل شود. در این حالت، دیزل ژنراتورها منابع اصلی انرژی هستند و توان اکتیو مرجع برابر با توان نامی شبکه است و منابع انرژی کمکی نقش کنترل ولتاژ و تأمین توان مصرفی بار پالسی را دارند و معماری کنترل توزیعشده در ساختار مبدل دوجهته مورد استفاده قرار گرفته است.
یکسوساز ششپالسه با سوئیچ‌های کنترل‌شونده که باتوجه به الگوریتم کنترلی که در بخش قبلی توضیح داده شد توسط الگوریتم کنترلی که بلوکهای شبیهسازی در Matlab در شکل 10 نشانداده شده اعمال میگردد. ولتاژ AC شبکه ولتاژ DC و مقادیر جریان و ... ورودی بلوک PWM برای تولید پالس گیت برای یکسوساز هستند.
شکل 11 مدل سیمولینکی یکسوساز شش پالسه را نمایش میدهد که پالس گیت‌های آن توسط بلوک PWM تولید میشود.
در ادامه در شکل 12 پالس اعمالی به سوئیچ‌های یکسوساز و ولتاژ تبدیلیافته به محور 
و 
در حلقه کنترلی ولتاژ را مشاهده میکنید.
در ادامه در کنترلکننده بر روی یکسوساز نتایج بهصورت شکلهای زیر بهدست آمده است که شکلهای زیر نمودار خروجی بلوکهای حلقه‌های کنترلی ولتاژ و جریان را نشان داده است. در ادامه نیز در جدول 1 پارامترهای اعمالی به سیستم آورده شده است.
3-2 مبدلهای DC/DC
مبدل DC/DC برای اتصال ESS به باس DC مورد نیاز است. مبدل DC/DC پل فعال دوگانه 2(DAB) به دلیل برخورداری از مزایای دوجهته بودن شارش جریان، راندمان بالا، ساختار مدولار، ایزوله و
[1] . Dual Active Bridge
[2] . Dual Active Bridge
شکل 9: ساختار کنترلی اعمالی بر منابع انرژی ومدیریت کلی سیستم.
شکل 10: الگوریتم کنترلی مورد استفاده برای پل یکسوسازی.
شکل 11: یکسوساز ششپالسه به همراه تولید پالس فرمان سوئیچها.
شکل 12: نمودار پالس اعمالی به ساق.های یکسوساز.
سوئیچینگ نرم، به طور رایج مورد استفاده قرار می‌گیرد. با اتصال چندگانه یک DAB، ظرفیت توان مبدل را میتوان به‌راحتی افزایش داد. به طور مشابه، مبدلهای مدولار چندسطحی DC/DC نیز انتخاب خوبی برای کاربردهای توان بالا هستند [14].
برای اینکه کنترل توزیع شده مبدلهای DC-DC را پیاده سازی کنیم بایددر قسمت منبع تولید توان کمکی سیستم قدرت شناور که از منبع ذخیرهساز انرژی استفاده شده است تلاش کنترلی که در اینجا دوره کاری مبدلها است را هدف کنترلی قرار داده و توزیعشدگی بین این متغیر انجام شود که در ادامه در مورد کنترل توزیع شده توضیح داده شده است.
4- کنترل پیشبین توزیعشده
4-1 کنترل پیشبین
الگوریتم کنترل پیشبین را برای مدیریت سیستم قدرت شناور DC
شکل 13: ساختار کلی عملکردکنترل پیشبین.
غیرخطی پیشنهاد شده است. کنترلکننده مبتنی بر MPC برای کنترل سیستم قدرت شناور DC در هنگام داشتن بار پالسی با توان بالا طراحی شده است. MPC غیرخطی همچنین برای رسیدن به کمترین هزینه و خطای کمتر با استفاده از تابع هزینه مناسب، پایداری مجانبی سیستم حلقه بسته را تضمین میکند. قبل از ارائه پیشینه مطالعات انجام شده در این فصل، مبانی رویکرد کنترل پیشبینی مدل در بخش زیر توضیح داده شده است.
کنترل پیشبینی مدل (MPC) یک رویکرد مبتنی بر مدل است که از مدل سیستم برای پیشبینی متغیرهای حالت آینده استفاده میکند و با بهینهسازی یک تابع هدف با قیدهای عملیاتی، یک دنباله کنترل بهینه را در افق پیشبین 
ایجاد میکند. فقط اولین عنصر در دنباله کنترل بهینه در لحظه 
به سیستم اعمال میشود و باقی کنار گذاشته میشود [16].
MPC را قادر میسازد تا با ترکیب مدلی از سیستم که تأثیر اقدامات کنترلی را برای مدتزمان محدودی پیشینی میکند، یکقدم فراتر از کنترل بهینه برویم؛ بنابراین در این روش اثرات آتی تصمیمات کنترلی بهعنوان بخشی از مسئله بهینهسازی در نظر گرفته میشود. MPC میتواند تابع هزینه را به هر شکلی از جمله غیرخطیها یا چندین هدف کنترلی و همچنین قیود مختلف مدیریت کند. وجود مدل سیستم یک شرط ضروری برای توسعه کنترل پیشبینی است. ساختار اصلی MPC در شکل 13 نشانداده شده است. همانطور که در شکل 13 مشاهده میکنید قیود و تابع هزینه نیز در کنترلکننده نقش بسزایی دارند و درواقع یکی از مهم‌ترین پارامترهایی که تأثیرگذار در معادلات است قیودی است که باید در مسئله توزیع توان در شناورها با کنترل پیشبین در نظر گرفت و به نحوی این قیود را در مقادیر توان خروجی تنظیم کرد که در صورت اعمال پارامترهای کنترلی اعمالی از سوی کنترلکننده، سیستم بتواند به‌خوبی مقدار ولتاژ خروجی و در نتیجه توان دریافتی از منابع مختلف را با مدیریت درستی که کنترلکننده انجام داده دریافت کند و خللی در سیستم تغذیه شناور وجود نداشته باشد.
تابع هدف کلی برای MPC غیرخطی به شرح زیر است:
(12)
که در آن 
یک تابع غیرخطی را نسبت به 
و 
نشان میدهد و آخرین مرحله زمانی است. در هر مرحله زمانی ، پیش‌بینی‌ها و دنباله کنترل بهینه در یک افق پیشبینی محدود 
محاسبه میشوند؛ بنابراین تابع هزینه زیر در هر مرحله زمانی به حداقل میرسد:
(13)
باتوجه به محدودیتهای حالتΨ(x(k)) < 0 ، محدودیتهای ورودی کنترل و محدودیتهای دینامیکی به طور معمول، یک تابع هدف که "هزینه" را به حداقل میرسد. در اینجا، تابع هزینه نقطه تنظیم زیر استفاده میشود:
(14)
که در آن 
نشان دهنده نرم اقلیدسی است. 
و
ماتریس‌های وزنی هستند. 
نشان‌دهنده تغییرات ورودی های کنترل است و 
مقدار مطلوب بردار متغیر حالت در مرحله زمانی است.
در این مقاله از حل‌کننده fmincon در Matlab برای یک مسئله بهینه سازی چندمتغیره غیرخطی استفاده میشود. این حل‌کننده شامل چهار الگوریتم بهینهسازی است: interior-point (default), trust-region-reflective, SQP, and active-set که با تنظیم گزینه‌ها در تابع fmincon قابل انتخاب هستند. توجه داشته باشید که fmincon یک روش مبتنی بر گرادیان است که برای کار بر روی مسائلی طراحی شده است که در آن توابع هدف و محدودیت هر دو پیوسته و دارای مشتقات اول پیوسته هستند که در این تحقيق از روش SQP استفاده شده است.
4-2 کنترل پیشبین توزیعشده
در کنترل پیشبین ساختار کنترل چند سیستم بهصورت کلی به سه دستة متمرکز، غیرمتمرکز و توزیع شده تقسیم‌بندی میشود که بر اساس نوع ارتباط زیرسیستم‌ها با هم و تابع هزینه سیستم تقسیم‌بندی میشوند. روش های کنترلی مختلفی برای سیستم های چند عامله وجود دارد که در ادامه به آنها اشاره شده است. همانطور که در شکل 14 نشانداده شده است ساختار کنترل چند سیستم به صورت کلی به سه دسته‌ی متمرکز، غیرمتمرکز و توزیع شده تقسیم بندی می شود که بر اساس نوع ارتباط زیرسیستم ها با هم و تابع هزینه سیستم تقسیم‌بندی شده‌اند.
یکی از مزایای اصلی کنترل توزیع شده نسبت به سایر روش‌ها رفتار تحمل خطا1 و مقاومت خوب2 آن است. این بدان معناست که اگر یک خطای غیرمنتظره در یک زیر سیستم رخ دهد، سایر کنترلرهای محلی همچنان می‌توانند کار کنند و کل سیستم تحتتأثیر خطای احتمالی قرار نمی‌گیرد. انعطافپذیری بالا یکی دیگر از مزایای مهم ساختار توزیع شده است. این ساختار هرگونه گسترش و نگهداری3 سیستم کنترل را ساده میکند. از دیگر مزایای آن اگر یک زیرسیستم جدید به سیستم فعلی اضافه شود، فقط باید زیرسیستم‌هایی را که با زیر سیستم جدید تعامل دارند اصلاح کرد. علاوه بر مزایای گفته شده پیادهسازی یک ساختار توزیع شده به دلیل نیازهای محاسباتی کمتر آن آسان‌تر است. این به این دلیل است که یک مشکل پیچیده با چندین مسئله در مقیاس کوچک‌تر جایگزین میشود [18].
[1] Error-Tolerance Behavior
2. Robustness
3. Maintenance
شکل 14: انواع روش های کنترلی چندعامله [17].
4-3 الگوریتم پیشبین توزیع شده
در ادامه گام‌های زیر برای رسیدن به یک الگوریتم کنترل پیشبین آورده شده است که بهصورت زیر است:
1- در ابتدا زیرسیستم‌ها شروع به فرستادن دیتا یا اطلاعات خود برای هماهنگکننده اصلی میفرستند و مقادیر اولیه توسط هماهنگکننده برای هر کدام از زیرسیستم‌ها فرستاده میشود.
2- هر کدام از پیش‌بین‌های محلی می‌توانند بهصورت جدا یا به‌طورکلی در یک الگوریتم که در اینجا کنترل پیشبین است بهینهسازی را انجام دهند.
3- سپس مقادیر بهینه‌سازی‌شده هر زیر سیستم دریافت میشود و متغیرهای آینده جایگزین میشوند.
4- مقدار خطا محاسبه می شود.
5- مقادیر برای مرحله بعد شبیهسازی به‌روزرسانی میشود.
6- مقادیر به‌روز شده به برای همة زیرسیستم‌ها ارسال میشود.
7- مراحل 2 تا 6 به تعداد مورد نیاز که خطا را به کمترین مقدار برساند تکرار میشود.
در شکل 15 سیستم با کنترل توزیع شده را مشاهده میکنید که از دو زیر سیستم با متغیر های 
و 
را بین هماهنگ کننده اصلی به اشتراک گذاشته و مقادیر جدید را برای رسیدن به کمترین خطا دریافت می‌کنند.
5- شبیهسازی و تحلیل نتایج
با توجه به این موضوع که کنترل و مدیریت توان در مواقع اضطراری در شناورها هدف و غایت این تحقیق بوده است؛ لذا بار پالسی بهعنوان شرایط نامطلوب در نظر گرفته شده است و مبنای انتخاب سه سناریو میزان پایداری و مدیریت توان در شناور در سه سناریوی اعمالی به سیستم است. به همین منظور در حالتهای مختلف این بار پالسی به سیستم اعمال شده است و نتایج آن در ادامه توضیح داده شده است.
شکل 15: کنترل توزیع شده برای دو زیرسیستم.
شکل 16: نمای کلی از ریزشبکه شناور.
5-1 سناریوی اول
حالت عادی شناور در حضور چندین نوع بار DC است که مدلسازی شده است و نمای کلی مدل سیستم بهصورت شکل 16 است. در این سناریو در هر مرحله زمانی مشخص که در شکلهای ادامه مشخص شده است بارهای خدماتی مشخصی به سیستم اضافه شده و مدیریت توان شناور توسط منبع اصلی تولید توان یعنی ژنراتور بررسی میشود و در ولتاژ لینک DC ، ولتاژ و جریان منبع AC و دیگر نتایج شبیهسازی نشانداده شده است.
شکل 17: (الف) ولتاژ و (ب) جریان شبکه AC (بزرگنمایی).
شکل 18: (الف) توان اکتیو و (ب) توان راکتیو کشیده شده از سمت AC.
شکل 19: (الف) نمودار جریان لینک DC و (ب) نمودار توان راکتیو در سمتDC .
همانطور که در شکلهای بعدی مشاهده میشود نمودار ولتاژ و جریان شبکه AC آورده شده است و تغییرات مختلف در زمینه تغییرات بار نشان‌داده‌شده است. مقادیر توان اکتیو راکتیو شبکه AC نیز ارائه گردیده است. تغییرات جریان اعمالی به شبکه DC شناور بهصورت شکل 15 است که در زمان‌های 4/0 ثانیه و 6/0 ثانیه اعمال شده است و تغییرات بار را در سمت DC شبکه نشان میدهد. ولتاژ و جریان در سمت AC در شکل 17 نشانداده شده است که میزان تغییرات در سمت جریان AC نشان‌دهنده توانایی سیستم در کنترل توان و پایداری ولتاژ و عملکرد صحیح سیستم در تأمین توان در خواستی از سوی بار توسط منبع تولید توان است.
شکل 18 نمودارهای توان اکتیو و راکتیو بر حسب کیلووات کشیده شده از شبکه منبع را نمایش میدهد. این تغییرات، گویای اعمال بار به شبکه در سمت DC بوده که تقاضای توان بیشتری از سمت AC را به دنبالداشته و با کنترلکننده در یکسوکننده این مقدار افزایش توان با اعمال سیگنال کنترلی مناسب تضمین گردیده و شبکه با افت توان مواجه نخواهد شد.
شکل 20: (الف) ولتاژ لینک DC و (ب) ولتاژخازنهای فیلتر.
شکل 21: مدل کلی شبیهسازیشده شناور.
شکل 22: نمودار پالس جریان کشیده در سناریوی دو.
به دلیل وجود شبکه DC بعد از یکسوساز توان راکتیو خروجی لینک DC صفر است و میتوان نتایج تغییرات در توان راکتیو شبکه لینک DC را در شکل 19 مشاهده کرد.
در ادامه شکل 20 ولتاژ لینک DC در طی آزمایش سناریوی اول را نشان میدهد. که شکل 20- الف نمودار ولتاژ لینک DC و شکل 20- ب نمودار ولتاژ خازنهای فیلتر خروجی است. همانطور که در شکل 20 مشاهده میگردد تغییرات بار و میزان توان آن در ثانیه هایاعمالی به وضوح نشان دهندهی کاهش ولتاژ در شبکه قدرت شناور بوده که طولانیبودن این زمان باعث اختلالاتی در شبکه شناور شده و خاموشی سراسری در شناور را به دنبال خواهد داشت.
در نتیجه میتوان گفت که تغییرات توان بارهای توان پایین در هنگام اضافه‌شدن به شبکه شناور تأثیر جزئی و ناچیزی روی شبکه داشته و با کنترلکننده مناسب میتوان این ناپایداری در توازن توان را جبران و ولتاژ خروجی را در ولتاژ ثابت لینک DC بدون تغییر حفظ کرد.
5-2 سناریوی دوم
در این سناریو زیر شبکه شناور در حالت غیرطبیعی و در شرایط یک‌بار پالسی در مدتزمان 1/0 ثانیه در شبکه بررسی شده است. همانطور که در شکل 21 مشاهده میشود مدل سیستمی شناور در نرم‌افزار Matlab توسط بلوکهای آن شبیهسازی گردیده است که متشکل از چند بخش است که توضیخات در مورد هر کدام از بلوک‌ها و نحوهی فرمول‌بندی
شکل 23: (الف) ولتاژ و (ب) جریان در شبکه AC (بزرگنمایی)
شکل 24: (الف) توان اکتیو و (ب) توان راکتیو کشیدهشده از شبکه AC.
ریاضی و اجزای آن در قسمت‌های قبل ارائه شده است. در سناریوی قبل بارهای توان پایین مورد بررسی قرار گرفت؛ اما در این سناریو بار پالسی به سیستم اعمال میشود که به دلایل مختلف از جمله بارهای چالش‌زا در شبکه شناور بوده که باعث ناپایداری در توازن توان تولیدی مصرف شده در نتیجه مقدار ولتاژ خروجی لینک DC را تحتتأثیر قرار میدهد.
در ادامه نمودار ولتاژ و جریان شبکه در حالت استفاده از بار پالسی را نشان میدهد که شبکه شناور به مدت 1/0 ثانیه تحتتأثیر بار پالسی قرار گرفته تا عملکرد کنترل‌کننده‌ها در تأمین توان توسط منبع تولید توان و قادر بودن ژنراتورها به تولید توان اضافی مورد بررسی قرار بگیرد. بعد از اتمام زمان بار پالسی مدتی بعد سیستم به حالت اولیه خود باز میگردد که برای جلوگیری از خاموشی در برق سراسر در زمان اعمال بار پالسی باید تدابیری اندیشید که در ادامه توضیح داده شده است. شکل 22 نمودار پالس توان اعمال شده به شبکه را نشان داده است. همچنین در ولتاژ و جریان در سمت AC در هنگام اعمال بار پالسی نشانداده شده است.
شکل 23 نمودار ولتاژ شبکه AC را نشان میدهد که در زمان اعمال پالس، شبکه متحمل جریان زیادی شده و بعد از پایان بار پالسی در زمان 7/0 ثانیه شبکه به حالت پایدار برگشته است.
در شکل 24 توانهای اکتیو و راکتیو سمت AC در اثر تغییرات بار بهنمایش درآمده است. این تغییرات به نحوی است که میزان توان مصرف از تولید بیشتر بوده و نیاز به استفاده از منابع کمکی تولید توان برای جلوگیری از خاموشی و قطع برق در شناور است.
شکل 25 ولتاژهای لینک DC خازنهای لینک DC را نشان میدهد که مجموع مقدار ولتاژ DC آنها در نهایت برابر با ولتاژ لینک DC است.
در نهایت در شکل 26 نحوة تقسیم توان در هنگام اعمال بار پالسی نشانداده شده است که میتوان گفت که میزان توان تولیدی توسط ژنراتور به اندازة توان مصرفی بار کافی نبوده و توان کمکی منبع ذخیرهساز انرژی به واسطة مبدل دوجهته به سیستم تزریق میشود و
شکل 25: (الف) ولتاژ لینک DC و (ب) ولتاژ خازنهای فیلتر لینک DC.
شکل 26: پخش توان از منابع مختلف تولید توان در هنگام توان پالسی.
شکل 27: نمای کلی شبکه شناور به همراه ذخیرهساز انرژی.
مجموع توان باعث پایداری در ولتاژ و توازن توان در شبکه شناور میشود.
5-3 سناریوی سوم
در این حالت ریزشبکه شناور در حالت بار پالسی بررسی شده است که توان مورد نیاز برای بار مدتزمان بیشتری در مدار است که دیگر کنترلکننده به دلیل محدودیت توان ژنراتورها قادر به مدیریت توان نیست و نیاز به یک منبع تولید کمکی با مدتزمان بیشتری در شبکه است که به همین منظور باز هم از یک منبع ذخیره انرژی استفاده شده است. مقدار جریان کشیده شده از شبکه توسط مبدل دوجهته در ابرخازن ذخیره شده و پیک جریان گرفته میشود و افت ولتاژ نیز توسط باتری که منبع کمکی (ذخیرهساز انرژی) است جبران میشود. در ادامه زیربخش‌های توضیح داده شده در شکل 27 آمده است. همچنین پیادهسازی آن در سیمولینک Matlab در شکل 28 نشانداده شده است.
کنترل پیشبینی مدل (MPC) یک رویکرد مبتنی بر مدل است که از مدل سیستم برای پیشبینی متغیرهای حالت آینده استفاده میکند و با بهینهسازی یک تابع هدف با قیدهای عملیاتی، یک دنباله کنترل بهینه را
شکل 28: نمای کلی مدلسازی مبدل به همراه کنترل پیشبین توزیعشده.
شکل 29) نمودار جریان کشیده شده از شبکه DC در لحظه افت ولتاژ.
جدول 1: پارامترهای کنترل پیشبین توزیعشده بین اعمالی به شبکه DC شناور.
بلوک | مقادیر | متغیر |
Matlab Function | ۴ | Control Horizon (P) |
Matlab Function | ۱۲ | Prediction Horizon (N) |
در افق پیشبین P ایجاد میکند. فقط اولین عنصر در دنباله کنترل بهینه در لحظه N به سیستم اعمال میشود و باقی کنار گذاشته میشود که در جدول 1 این پارامترها بر اساس شرایط و مشخصات سیستم مشخص و اعمال شده است.
مبدل دو جهته و مبدل باک استفاده شده که برای کنترل سوئیچ زنی آنها از روش توزیعشده و در واقع ساختاری بر مبنای تأثیر سایر عامل‌ها بر روی یکدیگر مورد بررسی قرار گرفته است. در سناریوی سوم مدتزمان بیشتری توان از شبکه کشیده میشود و باتری مدتزمان بیشتری در شبکه است و زمان شارژ و تخلیه باتری هم در ادامه نشان‌داده‌شده است و شکلهای مقایسه برای نشان‌دادن ناتوانی ژنراتور در تأمین میزان توان اعمالی به سیستم است. در شکل 29 نمودار جریان کشیدهشده از شبکه DC نشانداده شده است.
نمودار توان تولیدی قسمت‌های مختلف تولید توان که در مجموع توان تولیدی باتری و ژنراتور توانسته است توان مدنظر را تأمین کرده و توازن توان را برقرار کند. منبع ذخیرهساز انرژی که از باتری استفاده شده است به لینک DC متصل میشود و مقدار کاهش ولتاژ به‌واسطة مدیریت توان را جبران خواهد کرد (شکل 30). شکل ولتاژ و SOC باتری را نشان میدهد. در این قسمت برای آزمون پک‌باتری در زمان طولانی مقیاس
شکل 1: پخش توان در از منابع مختلف تولید توان در هنگام اعمال بار توان بالا.
شکل 31: نمودار ولتاژ و ظرفیت باتری و میزان جریان اعمالی به پک باتری به ترتیب از بالا به پایین.
شکل 32: نمودار ولتاژ خروجی مبدل.
شکل 33: نمودار ولتاژ خروجی مبدل (بزرگنماییشده).
شکل 34: مبدل دو جهته با کنترل PID.
زمانی تغییر کرده تا به‌خوبی شارژ و دشارژ (تخلیه) باتری هم مورد بررسی قرار گرفته باشد که در شکل زیر نمودار درصد شارژ باتری و ولتاژ آن را در اثر تغییرات پالس اعمالی به شبکه شناور مشاهده میکنید.
شکل 32 پالس جریانی را برای حالتی که به تعداد بالا از شبکه کشیدهشده نمایش میدهد. در این شکل ولتاژ خروجی به همراه عملکرد کنترل پیشبین توزیعشده برای حالت کاری سرعت بالای کنترلکننده قابل بررسی است. شکل 33 نیز به صورت بزرگنماییشده همان نمودارهای ولتاژ و جریان پالسی را نمایش میدهد.
6- مقایسه روشهای کنترلی
در شکل 34 شبیهسازی مبدلها توسط کنترلکننده PID نشان‌داده‌شده است که دو المان مختلف دو مدار توسط بلوک PID کنترل میشود.
در شکل 35 مقایسه ولتاژ خروجی مبدل دو جهته در دو روش کنترلی متفاوت یعنی کنترل PID و DMPC نشانداده شده است که همانطور که در شکل واضح است خطای PID از DMPC بوده و در هنگام اعمال پالس، تغییرات بسیار بیشتر بوده و به دلیل قابلیت پیشبین بودن در ساختار کنترل پیشبین توزیع شده نوسان ولتاژ بسیار کمتر بوده است.
در شکل 36 شبیهسازی مبدلها با کنترل پیشبین توزیع شده نشان‌داده‌شده است که شامل دو المان کنترلی برای کنترل این مبدلها استفاده شده است. در ادامه مقایسه بین کنترل پیشبین توزیعشده و تناسبی را در ولتاژ خروجی مبدل آورده شده است. همانطور که در شکل 37 نشان‌داده‌شده است در حالت PID نوسان بیشتری وجود دارد و در زمان ایجاد پالس نتوانسته است به‌خوبی ولتاژ مرجع را دنبال کند.
شکل 35: نمودار ردیابی خطا ولتاژ با کنترلکننده PID.
شکل 36: مبدل دو جهته با کنترل DMPC.
شکل 37: نمودار ردیابی خطا ولتاژ با کنترلکننده PID.
شکل 38: نمودار محاسبه زمان پاسخگویی به پالس اعمالی در (الف) کنترلکننده پیشبین توزیعشده، و (ب) کنترلکننده تناسبی .
شکل 38 مقایسه دو روش کنترلی یعنی کنترل تناسبی و پیشبین توزیع را از منظر زمان پاسخگویی به خطا و بازگشت به شرایط اولیه نشان میدهد.
جدول 2: مقایسه کلی نتایج بهدست آمده از دو روش کنترلی اعمالی
به سیستم الکتریکی شناور.
کنترل کننده تناسبی | کنترل پیشبین توزیعشده | پارامتر |
24/0 | 1/0 | زمان نشست |
21/0 و 6/0 (دامنه = 40) | 005/0 (دامنه = 10) | زمان خیز |
17/0 | 07/0 | زمان اوج |
578/3 | 5438/0 | خطای حالت ماندگار |
همانطور که مشاهده میکنید با اعمال بار پالسی به سیستم زمان پاسخ به افت ولتاژ به وجود آمده در ولتاژ خروجی لینک DC در کنترل پیشبین توزیع کمتر از کنترل تناسبی است که کادرهای مستطیلی شکل نشان‌دهندة زمان بازگشت سریع‌تر کنترل پیشبین توزیع شده به حالت اولیه و رفع خطای به وجود آمد است که در نتیجه میتوان گفت در کنترل پیشبین توزیع شده، سیستم قدرت شناور پایداری بیشتری دارد.
همانطور که در مشاهده میکنید پاسخگویی دو کنترلکننده تناسبی و پیشبین نشان‌داده‌شده است و با توجه به اینکه زمان اعمال بار پالسی 1/0 ثانیه است کنترل‌کننده‌ای بهتر است که در زمان مکفی یعنی کمتر از این زمان به اعمال بار پاسخ نشان داده و بتواند افت ولتاژ ایجاد شده در شبکه را جبران و در نتیجه مدیرت توان در شناور انجام شود. باتوجه‌به نتایج شبیهسازی برای مدیریت توان توسط دو ساختار ارائه شده میتوان به نتایج جدول 2 رسید.
7- نتیجهگیری
این مقاله یک معماری کنترل توزیعشده برای یک سیستم قدرت غیرخطی شناور را پیشنهاد میکند. در ابتدا، مدل کلی شناور به چندین زیر سیستم به‌هم‌پیوسته تقسیم میشود. در سطح کنترل محلی، یک رویکرد کنترل پیشبینی مدل برای کنترل هر زیرسیستم انتخاب میشود. مسئله بهینهسازی برای هر MPC محلی بر اساس اندازه‌گیری‌های محلی و آخرین متغیرهای تعاملی به‌دست‌آمده از زیرسیستمهای دیگر باتوجه‌به وضعیت‌های زیرسیستم و محدودیتهای ورودی حل میشود. هدف اصلی ارائه یک ساختار کنترلی به‌روز در سیستمهای شناور برای کنترل ولتاژ و جریان با استفاده از دوره کاری مبدلها و یکسوساز در ورودی گذرگاه DC است که نتایج شبیهسازی نیز برای نشان‌دادن کارایی روش توزیع شده پیشنهادی ارائه شده است. مدل غیرخطی شناور به دو زیر سیستم تقسیم شده و تحلیل عملکرد ساختار توزیع شده در مقایسه با روش متمرکز با کنترلکننده تناسبی بررسی شده است. نشان‌داده‌شده است که با اعمال رویکرد کنترل توزیع شده، محاسبات کمتر و انعطافپذیری بیشتر سیستم و همچنین عملکرد بهتری به ثبت رسیده است.
پیوست
مشخصات پارامترهای استفادهشده برای شبیهسازی سناریوهای کنترلی متفاوت در نرم افزار Matlab در جدول پ- 1 ارائه شده است.
مراجع
[1] Z. Dong, X. Cong, Z. Xiao, X. Zheng, and N. Tai, "A study of hybrid energy storage system to suppress power fluctuations of pulse load in shipboard power system," in Proc. Int. Conf. Smart Grids Energy Syst, pp. 437-441, Perth, Australia, 23-26 Nov. 2020.
[2] M. M. Mardani, M. H. Khooban, A. Masoudian, and T. Dragičević "Model predictive control of DC-DC converters to mitigate the
جدول پ- 1: مشخصات پارامتر های استفادهشده در شبیهسازیها.
مقادیر | پارامتر | بلوک |
400 | ولتاژ (نامی) | DC Bus |
810 | ولتاژ نامی (ولت) | Battery Pack |
50 | ظرفیت (آمپرساعت) | |
15 | ماکزیمم جریان تخلیه (آمپر) | |
130 | سلف (میلی هانری) | DC-DC Converter |
70 | خازن (میلی فاراد) | |
20 | فرکانس سوئیچینگ (کیلوهرتز) | |
001/0 |
| |
0265/0 |
| |
5/8 | توان نامی (کیلووات) | Diesel Generator |
296 | ولتاژ خط‌به‌خط (ولت) | |
50 | فرکانس (هرتز) | |
875/0 |
| |
19/0 |
| |
136/0 |
| |
1625/0 |
| |
135/0 |
| |
0163/0 | Stator Leakage |
effects of pulsed power loads in naval DC microgrids," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 66, no. 7, pp. 5676-5685. Jul. 2019.
[3] D. Perkins, T. Vu, H. Vahedi, and C. S. Edrington, "Distributed power management implementation for zonal MVDC ship power systems," in Proc. 44th Annu. Conf. IEEE Ind. Electron. Soc., pp. 3401-3406, Washington, DC, USA, 21-23 Oct. 2018.
[4] T. Goya, et al., "Coordinated control of energy storage system and diesel generator in isolated power system," Int. J. Emerg. Electr. Power Syst., vol. 12, no. 1, Article ID: 2580, Jan. 2011.
[5] X. Zhaoxia, et al., "Coordinated control of a hybrid-electric-ferry shipboard microgrid," IEEE Trans. Transp. Electrif., vol. 5, no. 3, pp. 828-839, Sept. 2019.
[6] H. M. Hasanien, "Design optimization of PID controller in automatic voltage regulator system using taguchi combined genetic algorithm method," IEEE Syst. J., vol. 7, no. 4, pp. 825-831, Dec. 2013.
[7] Z. Jin, L. Meng, J. M. Guerrero, and R. Han, "Hierarchical control design for a shipboard power system with DC distribution and energy storage aboard future more-electric ships, " IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 14, no. 2, pp. 703-714, Feb. 2018.
[8] P. Xie, et al., "A distributed real-time power management scheme for shipboard zonal multi-microgrid system," Applied Energy, vol. 317, Article ID: 119072, Jul. 2022.
[9] S. Kulkarni and S. Santoso, "Impact of pulse loads on electric ship power system: with and without flywheel energy storage systems," in Proc. IEEE Electric Ship Technologies Symp., pp. 568-573, Baltimore, MD, USA 20-22 Apr. 2009.
[10] L. Xu, et al., "A review of DC shipboard microgrids - part I: power architectures, energy storage, and power converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 37, no. 5, pp. 5155–5172, May 2022.
[11] A. Haseltalab, F. Wani, and R. R. Negenborn, "Multi-level model predictive control for all-electric ships with hybrid power generation," Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 135, Article ID: 107484, Feb. 2022.
[12] L. Xu, et al., "A review of DC shipboard microgrids - part II: control architectures, stability analysis, and protection schemes,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 37, no. 4, pp. 4105-4120, Apr. 2022.
[13] W. Zhu, J. Shi, and S. Abdelwahed, "End-to-end system level modeling and simulation for medium-voltage DC electric ship power systems," Int. J. Nav. Archit. Ocean Eng., vol. 10, no. 1, pp. 37-47, Jan. 2018.
[14] R. Mo and H. Li, "Hybrid energy storage system with active filter function for shipboard MVDC system applications based on isolated modular multilevel DC/DC converter," IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron., vol. 5, no. 1, pp. 79-87, Mar. 2017.
[15] M. Stieneker and R. W. De Doncker, "Dual-active bridge DC-DC converter systems for medium-voltage DC distribution grids," 2015 IEEE 13th Brazilian Power Electron. Conf. 1st South. Power Electron. Conf., 6 pp. Fortaleza, Brazil, 29 Nov.-2 Dec. 2015.
[16] E. F. Camacho and C. B. Alba, Model Predictive Control, vol. 2, p. 79, Springer Science & Business Media, 2013, Citado, 2013.
[17] M. Razzanelli, E. Crisostomi, L. Pallottino, and G. Pannocchia, "Distributed model predictive control for energy management in a network of microgrids using the dual decomposition method, " Optim. Control Appl. Methods, vol. 41, no. 1, pp. 25-41, Jan. 2020.
[18] D. Trentesaux, "Distributed control of production systems," Eng. Appl. Artif. Intell., vol. 22, no. 7, pp. 971-978, Oct. 2009.
[19] L. Xu, et al., "Sliding mode control for pulsed load power supply converters in DC shipboard microgrids," Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 151, Article ID: 109118, Sept. 2023.
سعید نوابی در سال 1399 مدرك كارشناسي مهندسي برق خود را از دانشگاه بوعلی سینا و در سال 1403 مدرک کارشناسی ارشد مهندسی برق خود را از دانشگاه صنعتی مالک اشتر دریافت نمود. ایشان به مدت دو سال در زمینه انرژیهای تجدیدپذیر مشغول به فعالیت بود و زمينه هاي علمي و کاری مورد علاقه ایشان عبارتند از: پیادهسازی سیستمهای کنترلی در شبکههای قدرت، تحلیل و طراحی مدارات سوئیچینگ، طراحی بردهای الکترونیکی و انرژیهای تجدیدپذیر.
مهدی مصیبی در سال 1390 مدرك كارشناسي مهندسي برق خود را از دانشگاه کاشان و در سال 1392 مدرك كارشناسي ارشد مهندسي برق خود را از دانشگاه کاشان و مدرک دکتری خود را در سال 1399 از دانشگاه شاهد دريافت نمود. ایشان از ﺳﺎل 1392 در ﻣﺠﺘﻤﻊ داﻧﺸﮕﺎﻫﻲ ﺑﺮق و کامپیوتر داﻧﺸﮕﺎه ﺻﻨﻌﺘﻲ ﻣﺎﻟﻚ اﺷﺘﺮ در ﺗﻬﺮان ﻣﺸﻐﻮل ﺑﻪ ﻓﻌﺎﻟﻴﺖ بوده و اﻳﻨﻚ ﻧﻴﺰ ﻋﻀﻮ ﻫﻴﺄت ﻋﻠﻤﻲ اﻳﻦ داﻧﺸﮕﺎه ﺑﺎ ﻣﺮﺗﺒﻪ استادیار ﻣﻲﺑﺎﺷﺪ. زمينههاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان عبارتند از: الکترونیک قدرت، ریزشبکههای هوشمند، انرژیهای تجدیدپذیر و مدیریت توان شبکه های الکتریکی.
ﻣﺤﻤﺪرﺿﺎ ﻋﻠﻴﺰاده ﭘﻬﻠﻮاﻧﻲ در ﺳﺎل 1376 ﻣﺪرك ﻛﺎرﺷﻨﺎﺳﻲ ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﺑﺮق ﺧﻮد را از داﻧﺸﮕﺎه ﺷﻬﻴﺪ ﭼﻤﺮان اﻫﻮاز و در ﺳﺎل 1380 ﻣﺪرك ﻛﺎرﺷﻨﺎﺳﻲ ارﺷﺪ ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﺑﺮق ﺧﻮد را از داﻧﺸﮕﺎه ﺻﻨﻌﺘﻲ ﻣﺎﻟﻚ اﺷﺘﺮ در ﺗﻬﺮان درﻳﺎﻓﺖ ﻧﻤﻮد. از ﺳﺎل 1377 اﻟﻲ 1388 ﻧﺎمبرده ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﺤﻘﻖ ﺳﻴﺴﺘمهای ﻗﺪرت در ﻣﺮﻛﺰ ﺗﺤﻘﻴﻘﺎت ﻛﻨﺘﺮل داﻧﺸﮕﺎه ﺻﻨﻌﺘﻲ ﻣﺎﻟﻚ اﺷﺘﺮ ﻣﺸﻐﻮل ﺑﻪ ﻛﺎر ﺑﻮد. در ﺳﺎل 1382 ﺑﻪ دوره دﻛﺘﺮاي ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﺑﺮق در داﻧﺸﮕﺎه ﻋﻠﻢ و ﺻﻨﻌﺖ ایران وارد ﮔﺮدﻳﺪ و در ﺳﺎل 1388 ﻣﻮﻓﻖ ﺑﻪ اﺧﺬ درﺟﻪ دﻛﺘﺮي ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﺑﺮق از داﻧﺸﮕﺎه ﻣﺬﻛﻮر ﮔﺮدﻳﺪ. ایشان از ﺳﺎل 1388 در ﻣﺠﺘﻤﻊ داﻧﺸﮕﺎﻫﻲ ﺑﺮق و کامپیوتر داﻧﺸﮕﺎه ﺻﻨﻌﺘﻲ ﻣﺎﻟﻚ اﺷﺘﺮ در ﺗﻬﺮان ﻣﺸﻐﻮل ﺑﻪ ﻓﻌﺎﻟﻴﺖ ﮔﺮدﻳﺪ و اﻳﻨﻚ ﻧﻴﺰ ﻋﻀﻮ ﻫﻴﺄت ﻋﻠﻤﻲ اﻳﻦ داﻧﺸﮕﺎه ﺑﺎ ﻣﺮﺗﺒﻪ استادی است. زﻣﻴﻨﻪ ﻫﺎي ﻋﻠﻤﻲ ﻣﻮرد ﻋﻼﻗﻪ ایشان ﻣﺘﻨﻮع ﺑﻮده و ﺷﺎﻣﻞ ﻣﻮﺿﻮﻋﺎﺗﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻣﺎﺷﻴﻦﻫﺎي اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ و اﻟﻜﺘﺮوﻧﻴﻚ ﻗﺪرت، ﺳﻴﺴﺘﻢ ﭘﺎﻟﺴﻲ، ﺷﺒﻜﻪﻫﺎي اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ و ﻛﻨﺘﺮل ﻣﻲﺑﺎﺷﺪ.
آرش دهستانی کلاگر در سال 1384 مدرك كارشناسي مهندسي برق خود را از دانشگاه تهران و در سال 1386 مدرك كارشناسي ارشد مهندسي برق خود را از دانشگاه اصفهان و مدرک دکتری خود را در سال 1392 از دانشگاه علم و صنعت ایران دريافت نمود.
نامبرده از سال 1393 به¬عنوان عضو هيأت علمي در دانشگاه صنعتي مالک اشتر در تهران مشغول به فعاليت گرديد. زمينههاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان عبارتند از: الکترونیک قدرت، مبدلهای توان بالا، فیلترهای اکتیو، کورههای قوس الکتریکی و سیستمهای مغناطیسی.
