قباد شفیعی

The primary objective of this research is to mitigate the negative impacts of active power fluctuations in weak power grids using grid-connected converters (GCCs). Weak grids need more infrastructure and stability measures to accommodate the integration of renewable energy sources, such as high levels of solar photovoltaic power. One of the key challenges encountered in such grids is the absence of inertia from converter-based resources, which can lead to grid instability. This thesis proposes a solution to this challenge by employing power electronics grid-forming converters to synthesize additional inertia and damping properties, effectively emulating the behavior of synchronous generators through the use of virtual synchronous generator (VSG)-based converter control strategies. By incorporating these control strategies, the proposed method aims to overcome the limitations of weak. Integrating high levels of solar photovoltaic power into weak grids can lead to local mode oscillations and grid instability. To tackle this issue, the proposed method focuses on suppressing these oscillations by emulating a virtual damper winding (VDE) within the VSG-based GCC. By incorporating virtual inertia and damping properties, mitigating active power fluctuations and enabling the smooth integration of solar photovoltaic power. A genetic algorithm (GA) optimization tool is introduced to optimize the VSG-based GCC’s performance. This tool allows for the optimization of virtual damping and inertia parameters, enabling the VSG-based converter to effectively adapt to the changing conditions of weak grids. Through comprehensive time-domain and frequency-domain analyses, the proposed method is evaluated, and simulation results validate the effectiveness of the optimization technique and implementation procedure. The validity of the proposed method is further confirmed through simulations conducted in the MATLAB/Simulink environment, which encompass various operating scenarios encountered in weak grids. The thesis provides a comprehensive discussion of the approach, optimization tool, and simulation results, emphasizing the efficacy of the proposed method in addressing the challenges associated with weak grids.

پنل‌های فتوولتائیک (PV) به عنوان یک منبع انرژی تجدید‌پذیر به طور فزاینده‌ای در رسیدگی به چالش‌های انرژی جهانی و کاهش اثرات زیست محیطی، حیاتی شده‌اند. برای بهینه‌سازی کارایی و عملکرد سیستم‌های فتوولتائیک، مدلسازی دقیق و پیش‌بینی خروجی‌ها نظیر جریان، ولتاژ و توان پنل و یا مدلسازی ولتاژ مدارباز، جریان اتصال کوتاه، ولتاژ و جریان درحداکثر نقطه توان در شرایط محیطی متفاوت، ضروری است. این پایان‌نامه یک مطالعه پژوهشی و آزمایشگاهی در زمینه مدلسازی پنل‌های خورشیدی با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین، با هدف افزایش درک رفتار سیستم فتوولتائیک با رویکرد جعبه سیاه، ارائه می‌کند. این تحقیق با ارزیابی انتقادی رویکردهای مدل‌سازی مرسوم آغاز می‌شود و محدودیت‌های آن‌ها را در گرفتن روابط غیرخطی و انطباق با شرایط محیطیِ پویا، آشکار می‌کند. برای غلبه بر این چالش‌ها، یادگیری ماشینی به عنوان یک جایگزین قدرتمند ظاهر می‌شود که قادر به یادگیری الگوهای پیچیده از مجموعه داده‌های گسترده و ارائه پیش‌بینی‌های دقیق است. این پایان نامه به بررسی ساده‌ترین تکنیک‌های مختلف یادگیری ماشین، از جمله رگرسیون چند‌جمله‌ای، رگرسیون نمایی، و شبکه های عصبی می‌پردازد که با دو دسته داده‌های دنیای واقعی و یک دسته داده‌های مصنوعی شامل دما، تابش و بار اعمال می‌شوند. اثربخشی این الگوریتم‌ها از طریق آزمایش و تجزیه و تحلیل، با تمرکز بر دقت، توانایی تعمیم به داده‌های تست و اعتبارسنجی با داده‌های واقعیِ آزمایشگاهی، ارزیابی می‌شوند. برای مطالعه هرچه بهتر پنل‌ها، و تکمیل تحقیق، شناسایی پارامترها با مدل مداری تک دی.دی و الگوریتم ردیابی حداکثر توان برای مقایسه و اعتبارسنجی مدل، پیاده‌سازی شده‌اند. علاوه بر این، کیفیت داده‌ها، به ویژه تحریک‌پذیری، برای افزایش همگرایی و استحکام مدل‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرند.

نفوذ غیر قابل اجتناب منابع انرژی تجدید‌پذیر، در تولید انرژی مورد نیاز شهرها و صنایع واین حقیقت،که تولید انرژی تجدید‌پذیر، ارزان‌ترین گزینه برای تامین انرژی در ‌بلند مدت است، پژوهشگران را بر‌آن داشته تا روش‌های بهره‌برداری از انواع انرژی‌های تجدید‌پذیر، شامل انرژی خورشیدی، پیل سوختی، انرژی بادی و غیره، را هدف پژوهش‌های خود قرار دهند. در‌این میان، ماهیت متغیر این انرژی‌ها، در شرایط و زمان‌های مختلف، باعث شده تا مبدل‌های الکترونیک قدرت و روش‌های کنترل آنها در جهت بهینه سازی استخراج و بهره‌برداری از انرژی‌های تجدیدپذیر، به شدت مورد توجه قرار گیرند. با توجه به اینکه، توان تولیدی برخی از منابع انرژی تجدید‌پذیر از نوع جریان مستقیم بوده و نیز بخش بزرگی از مصرف‌کننده‌ها از خروجی جریان مستقیم تغذیه می‌کنند، ریزشبکه‌های جریان مستقیم در سالهای گذشته بسیار مورد توجه هستند. مبدل‌های الکترونیک قدرت، به عنوان یکی از المان‌های اصلی از ریزشبکه‌ها، وظیفه انتقال و کنترل کیفیت توان را بر عهده دارند. از آنجا که استفاده از این مبدل‌ها هزینه اولیه ریزشبکه‌ها را بالا می برد، استفاده از مبدل های DC-DC در شرایطی که توان تولیدی و تغذیه تجهزات مصرف-کننده، هر دو از نوعDC باشد دارای صرفه اقتصادی است. در این تحقیق، مبدلDC-DC منبع امپدانسی، با توجه به مزایای آن نسبت به سایر مبدل‌ها از جمله استفاده به عنوان مبدل افزاینده و کاهنده به صورت همزمان معرفی شده است. در این تحقیق، پس از مدلسازی فضای حالت ساختار استاندارد این مبدل، از روش کنترل حذف‌کننده فعال اغتشاشADRC برای دفع اغتشاشات وارد به سیستم و در نهایت ارائه توان پایدار و با کیفیت به مصرف کننده، استفاده شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد، کنترل کننده ADRC به خوبی می‌تواند پایداری و قابلیت اطمینان مبدل منبع امپدانسی را در حضور اغتشاشات و نامعینی‌های سیستم تضمین کند.

Microgrids represent a new structure in power systems, characterized by the presence of distributed generator (DG) sources. These systems have prompted the reconfiguration of traditional power systems to accommodate the unique capabilities of microgrids. One of the most significant features of microgrids is their ability to operate in an islanded mode, which enables them to supply the required energy during disturbances in the main grid. Power sharing is an essential requirement for islanded microgrids, and it presents a substantial challenge. Insufficient power sharing leads to unbalanced load sharing, which can cause damage to both consumers and the grid during grid-connected operation, as well as create voltage instability conditions. Appropriate power sharing enhances microgrid performance and controllability during faults. Achieving proper power sharing among DGs in a microgrid necessitates suitable control schemes. In microgrids comprising multiple DGs, droop control is a widely used technique for power sharing purposes. Droop control maintains voltage and frequency at different values compared to reference levels and distributes active and reactive power among DGs. While active power is proportionally shared among DGs according to their rated power, reactive power sharing is prone to errors due to differences between line impedance and inverter output impedance. To achieve precise power sharing using droop control in microgrids, it is crucial to compensate for these impedance differences. The proposed control approach in this work is based on the implementation of virtual dynamic loops as a modifying term for effective power sharing. Employing virtual dynamic loops is a promising strategy for improving the performance of conventional droop control methods. The primary objective of this work is to utilize virtual dynamic loops to achieve accurate active and reactive power sharing in microgrids. The application of virtual dynamic loops reduces the dependency of droop control on line impedance and inverter output impedance while preserving the simplicity of the droop control structure. Furthermore, the straightforward design of virtual dynamic loops enhances system reliability. In this work, various types of virtual dynamic loops, such as virtual impedance loops and virtual control loops, are employed to accomplish precise power sharing and improve the performance of microgrids

با توجه به رو به اتمام بودن سوخت های فسیلی و آلودگی های زیست محیطی ایجاد شده در اثر مصرف بی رویه ی این سوخت ها، انرژی های تجدیدپذیر به عنوان جایگزینی پاک و کم هزینه مطرح شده اند. یکی از روش های قابل اطمینان و پرکاربردی که در سال های اخیر برای تزریق منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه های برق، معرفی شده است، تولیدات پراکنده ی دارای اینورتر است. تولیدات پراکنده به غیر از تامین توان در زمان وصلی شبکه اصلی، ملزم به تامین بارهای متصل به خود در حالات قطعی و خطاهای شبکه نیز هستند. بنابراین اینورترهای به کار رفته در تولیدات پراکنده، می بایست توانایی عملکرد در هر دو مد متصل به شبکه و مستقل از شبکه (جزیره ای) را دارا باشند، و به صورت ملایم و یکپارچه میان این مدها گذار کنند. گذار بین این مدها، ممکن است سبب ایجاد اعوجاجات و نوساناتی در سیگنال های ولتاژ و جریان شود. بنابراین، اعمال کنترل کننده مناسب به اینورترهای مورد استفاده در تولیدات پراکنده، جهت به حداقل رساندن این نوسانات و تضمین گذاری ملایم و نرم، از نکات لازم و حائز اهمیت برای عملکرد مناسب و بهینه تولیدات پراکنده است، چرا که اهداف تولیدات پراکنده توسط اینورترها محقق می گردد. روش کنترلی استفاده شده در این پژوهش، کنترل مدل-پیش بین است که از یک تابع هدف واحد، برای دستیابی به اهداف کنترلی در هر چهار مد کاری اینورتر بهره می گیرد. ضمنا"، از یک الگوریتم تشخیص مد کاری و همگام سازی، برای شناسایی مد کاری اینورتر و تنظیم فاز ولتاژ بار بر اساس فاز ولتاژ شبکه، پیش از اتصال به شبکه استفاده می کند. همچنین یک استراتژی خودتنظیم، به تنظیم خودکار وزن های تابع هدف در هر بازه سوئیچینگ می پردازد. نوآوری این پایان نامه، استفاده از اینورتر منبع ولتاژ سه فاز همراه با بار سه فاز می باشد. با توجه به نتایج عددی حاصل، می توان گفت که کنترل کننده ذکر شده با دستیابی به THD اندک و فراجهش جزئی ولتاژ لینک DC، به ویژه در مدهای گذار، توانسته عملکرد مناسب و قابل قبولی را در بهبود پاسخ اینورتر و تضمین گذار ملایم و یکپارچه ایفا کند.

در دهه های اخیر، استفاده از کنترلکننده های خطی و مدرن در ریزشبکه ها در میان محققین حوزه کنترل محبوبیت زیادی پیدا کرده است. دو نوع ازاینگونه کنترلکننده ها، کنترل کننده انتگرالی-تناسبی و مدل پیشبین هستند که دارای پارامترهای تنظیم شونده هستند. لذا اعمال رویکردهای تنظیم کننده این پارامترها حیاتی هستند. یکی از مباحث مهم در ریزشبکهها، اعمال رویکردهای متناسب برای دستیابی به گذاری نرم در لحظات گذار از حالتهای عملیاتی یک ریزشبکه یعنی جزیرهای و متصل به شبکه است. همچنین یکی از چالشهای اساسی در کنترل سیستمهای تشکیلدهنده یک ریزشبکه، استخراج مدل یک آن با چند واحد تولید پراکنده میباشد. همین موضوع، شالوده اصلی کار این پایاننامه را بنا نهاده است. در ورای این مباحث، استفاده از یک رویکرد یکپارچه و بدون نیاز به تغییر کنترلکنندهها در حالتهای عملیاتی ریزشبکه و همچنین لحظه گذار، یکی از مباحث مهم در پیادهسازی و مباحث اقتصادی است. در این پایاننامه، از یکی از کنترلکنندههای دادهمحور آفلاین تحت عنوان تنظیمکننده فیدبک تکرارشونده استفاده شده است. سپس، اعمال همین تنظیمکننده بر روی کنترلکنندههای تناسبی- انتگرالی و پیشبین جهت تنظیم پارامترهای این کنترلکنندهها در جایگاه جبرانسازهای توان بهمنظور دستیابی به گذار نرم بین حالتهای عملیاتی یک ریزشبکه دو واحدی، ایده و کار اصلی این پایاننامه است. درنهایت، مقایسه هر دو روش پیشنهادی بر سیستم موردمطالعه، در محیط متلب/سیمولینک تحت سه سناریو مختلف انجام شده است

تولیدات پراکنده مبتنی بر اینورتر بهعنوان یک راهکار مطمئن و کارآمد برای استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر مطرح شدهاست. سیستمهای تولید پراکنده علاوه بر تولید توان در حضور شبکه، بایستی قادر به تامین بارهای محلی در هنگام قطعی شبکه اصلی نیز، باشند. بنابراین، اینورترهای این سیستمها باید قادر به عملکرد در هر دو حالت متصل به شبکه و جزیرهای (مستقل از شبکه یا ایزوله) باشند. این سیستمها در حالت متصل به شبکه، بهعنوان منبع جریان برای شبکه ،ACو در حالت جزیرهای، بهعنوان منبع ولتاژ برای بار، جهت کنترل ولتاژ و فرکانس به شمار میروند. گذار بین وضعیتهای عملکردی، میتواند با ایجاد عدم انطباق فرکانسی، فاز یا دامنه میان ولتاژ خروجی اینورتر و ولتاژ شبکه، باعث اعوجاج شکل موج ولتاژ یا جریان شود. در نتیجه برای گذار نرم و بدون تغییرات ناگهانی و اعوجاج باید رویکرد جامعی در سیستم کنترلی اینورترها در نظر گرفته شود. رویکرد کنترلی پیشنهادی در این پژوهش، تحتعنوان کنترل ترکیبی فازی-پیشبین، با استفاده از منطق فازی، امکان تنظیم هوشمندانه ضرایب تابع هزینه کنترل پیشبین را فراهم میآورد، و قابلیت رد اغتشاش ناشی از بارهای غیرخطی را داراست. روش کنترلی ذکر شده، علاوه بر بهبود پاسخ دینامیکی اینورتر در حالات ماندگار، منتج به بهبود رفتار آن در شرایط گذار میشود. این بهبود، با استفاده از معیارهای کنترلی مختلف در شبیهسازی سنجیده شدهاست. کنترلکننده ترکیبی فازی- پیشبین ارائه شده، ضمن کاهش اعوجاج هارمونیکی کل، خطای حالت ماندگار، و فراجهش/ فروجهشهای پاسخ زمانی اینورتر، باعث افزایش بازدهی نیز میگردد، و در برابر نامعینیهای پارامتری، مقاوم است. نوآوری این پایاننامه در ترکیب دو روش کنترلی فازی و پیشبین، و بهکارگیری کنترلکننده ترکیبی حاصل در اینورترهای منبع ولتاژی مورد استفاده در تولیدات پراکنده است

یکی از گزینه های مناسب جهت تامین انرژی برق، منابع تولید پراکنده می باشند که امروزه از مهمترین منابع تامین انرژی برق هستند. حضور منابع تولید پراکنده، شبکه های توزیع گذشته را از حالت پسیو به شبکه های اکتیو تبدیل کرده است. با توجه به حضور منابع تولید پراکنده در سطح توزیع، ماهیت ریزشبکه-ها تا حد زیادی با شبکه های قدیمی متفاوت است. در مقایسه با سیستم های قدرت سنتی انواع متفاوتی از منابع کوچک در ریزشبکه ها استفاده می شود. در نتیجه ی وجود منابع کوچک چندگانه، مدل دینامیکی ریزشبکه بسیار پیچیده خواهد بود. با توجه به دینامیک متفاوت انواع مولدهای پراکنده در مقایسه با نیروگاه های بزرگ، حضور تولیدات پراکنده، روی مشخصات دینامیکی شبکه تاثیر می-گذارد. به همین دلیل مدل سازی و آنالیز رفتار کنترلی این مولدها نیاز به بررسی دقیق دارد. در ریزشبکه ها این مسئله مهمتر می نماید؛ چرا که به دلیل کوچک بودن ظرفیت ریزشبکه، ممکن است یک منبع تولید پراکنده، درصد قابل توجهی از بار را تامین نماید و رفتار دینامیکی آن، کنترل ولتاژ و فرکانس را به شدت تحت تاثیر قرار دهد. بر همین اساس، ارزیابی امنیت دینامیکی ریزشبکه ها برای مصون ماندن از پیشامدهای مختلف و تداوم تغذیه مشتریان از اهمیت اساسی برخوردار است. ایمنی یک سیستم در واقع به توانایی آن برای مقابله با اختلالات و نارسایی ها مرتبط بوده و بستگی به شرایط کاری آن و احتمال بروز حوادث در شبکه دارد. از نقطه نظر تاریخی، تضمین شرایط بهره برداری ایمن نسبت به شرایط بهره برداری اقتصادی از اهمیت بیشتری برخوردار است. زمانی که یک شبکه از درجه ایمنی پایین برخوردار باشد، همواره در معرض خرابی های بزرگ و در برخی موارد فاجعه آمیز نظیر آنچه تاکنون در برخی از شبکه های الکتریکی در سرتاسر جهان رخ داده است می باشد و نه تنها خسارت اقتصادی زیادی به بار آمده، بلکه زندگی و جان انسان ها نیز در معرض خطر قرار گرفته است. در چنین شرایطی، برای اطمینان از اینکه سیستم به اندازه کافی قابل اعتماد است بایستی به درستی طراحی و در مرحله بهره برداری به خوبی نظارت گردد تا همواره حاشیه ایمنی لازم حفظ گردد؛ که این نیازمند انجام آنالیز دقیق سیستم قبل و بعد از طراحی می باشد. برای این منظور لازم است تا مدل های دقیقی از سیستم در دسترس طراحان و بهره برداران باشد و این امر یعنی مدل سازی از اهمیت اساسی برخوردار است. در بحث مدل سازی بایستی به اندازه مدل، دقت مدل و اعتبار آن توجه ویژه نمود. در این رساله، مدلسازی ریزشبکه در حالت جزیره ای جهت بررسی پایداری گذرا انجام خواهد شد. با توجه به اینکه در بررسی پایداری گذرا، اجزای دارای اینرسی تاثیرگذار خواهند بود، لذا یکی از چالش های موجود در مسیر مدل سازی، مدل کردن منابع تولید انرژی مبتنی بر اینورتر می باشد که فاقد اینرسی هستند. در هنگام مدل سازی این نوع منابع، ممکن است از مفهوم ژنراتور سنکرون مجازی استفاده شود؛ به این ترتیب که می توان از این مفهوم جهت ایجاد دینامیک های لازم در رفتار منابع تولید انرژی مبتنی بر اینورتر استفاده کرد. در این حالت با به میان آوردن اینرسی مجازی، پایداری گذرا فرموله و تعریف خواهد شد. با افزایش نفوذپذیری منابع تولید انرژی توزیع شده مبتنی بر مبدل های الکترونیک قدرت، اینرسی سیستم کاهش می یابد و به تبع آن عملکرد در مقابله با اغتشاش و پایداری ریزشبکه در حالت جزیره ای کاهش می یابد. لذا در مدل سازی پایداری گذرا، مفهوم اینرسی مجازی در مورد منابع اینورتری بکار گرفته می شود. به بیانی دیگر، با افزایش سطح نفوذ مولدهای اینورتری، تاثیر اینرسی و میرایی کم در عملکرد دینامیکی و پایداری شبکه افزایش می یابد. یک راه حل، افزایش اینرسی به صورت مجازی جهت استحکام بخشیدن به سیستم است. اینرسی مجازی را می توان با استفاده از ذخیره سازهای انرژی کوتاه مدت همراه با یک مبدل الکترونیک قدرت و یک مکانیزم کنترلی مناسب در یک سیستم که ژنراتور سنکرون مجازی نامیده می شود ایجاد کرد. بر خلاف ماشین سنکرون واقعی، پارامترهای ژنراتور سنکرون مجازی قابلیت تنظیم جهت بهبود پاسخ دینامیکی سیستم را دارا می باشد. از دیدگاه مبحث پایداری، اگر ظرفیت نفوذ مولدهای اینورتری بزرگ و بزرگتر شود، سیستم قدرت به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. مفهوم ژنراتور سنکرون مجازی می تواند به عنوان یک راه حل مفید برای بهبود پایداری دینامیکی در شبکه های برق از جمله ریزشبکه ها در نظر گرفته شود.

تولید متمرکز سنتی در چند سال اخیر به دلیل افزایش نگرانی در مورد آلودگی محیط زیست و بحران انرژی فسیلی، جذابیت خود را از دست داده است. تولیدات پراکنده ممکن است یک گزینه امیدوار کننده باشد زیرا می تواند اتصال منابع انرژی تجدید پذیر، مانند پنل های خورشیدی، توربین های بادی، دیزل ژنراتور، پیل های سوختی و میکروتوربین ها را تسهیل کند. برای افزایش قابلیت اطمینان، انعطاف پذیری وکیفیت توان، چندین واحد تولید پراکنده، همراه با بارها و سیستم های ذخیره انرژی، در یک واحد کنترل پذیر معروف به ریز شبکه قرار دارند. به طور معمول منابع انرژی تجدیدپذیر از طریق رابط های مبتنی بر الکترونیک قدرت مانند اینورترها به نقطه اتصال مشترک متصل می شوند. که از مشکلات اصلی این رابط های اتصال، در کنار بارهای غیرخطی ایجاد هارمونیک های ولتاژ می باشد. بنابراین، کنترل هماهنگ اینورترهای موازی و کیفیت ولتاژ نقشی اساسی در عملکرد قوی ریزشبکه ها دارد. در این پایان نامه، ابتدا به مدل سازی سیستم اینورتر که در آن بار یا شبکه به عنوان ترکیبی از منابع ولتاژ و جریان در نظر گرفته شده است، پرداخته می شود که این منابع ولتاژ و جریان در فرکانس های هارمونیک فردی ارائه شده است در نتیجه، می توان هر فرکانس هارمونیکی را جدا کنترل کرد. علاوه بر بررسی نحوه تحویل توان به یک منبع ولتاژ ثابت از طریق یک امپدانس، نحوه تحویل توان به یک منبع جریان ثابت پرداخته می شود به این معنی که استراتژی کنترل ژنراتور سنکرون مجازی برای سیستم های تحویل توان به یک منبع جریان ثابت، به جای منبع ولتاژ ثابت ایجاد شده است. سپس این امر برای تولید یک کنترل کننده ژنراتور سنکرون مجازی هارمونیکی ارائه می شود تا مقدار مناسب ولتاژ هارمونیک به ولتاژ مرجع اینورتر اضافه شود و ولتاژ هارمونیک ژنراتور سنکرون مجازی بر روی امپدانس خروجی به دلیل جریان هارمونیک جبران شود. کنترل کننده ژنراتور سنکرون مجازی هارمونیکی، ولتاژ خروجی را در فرکانس هارمونیک فردی مجبور می کند نزدیک به صفر باشد و اعوجاج هارمونیک کل ولتاژ خروجی را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد. برای بررسی اثربخشی عملکرد آن با کنترل کننده افتی مقایسه می شود. از نرم افزار MATLAB در محیط SimPowerSystems جهت ارزیابی عملکرد کنترل کننده ها استفاده شده است.

کنترل ثانویه توزیع یافته در ریزشبکه ها به دلیل مقاوم بودن در برابر مشکل نقطه شکست و قابلیت قطع و اتصال بر کنترل ثانویه های متمرکز و غیرمتمرکز ترجیح داده می شود. از آنجایی که در این استراتژی کنترلی واحدهای مختلف از طریق لینک های مخابراتی باهم در ارتباط هستند، این استراتژی در برابر حملات سایبری آسیب پذیر است. بیشتر مقالات ارائه شده برای ریزشبکه ها در این زمینه مربوط به تاثیر و تشخیص حملات سایبری هستند و به ارائه روشی تاب آور در برابر حملات کم تر توجه شده است. به علاوه، برای اغلب حملات سایبری تاکنون هیچ روش تاب آوری برای ریزشبکه جریان مستقیم ارائه نشده است. در این پژوهش، طراحی کنترل کننده ثانویه تاب آور در برابر حملات سایبری برای ریزشبکه جریان مستقیم مورد مطالعه قرار می گیرد. در ابتدا، کنترل ثانویه توزیع یافته در ریزشبکه جریان مستقیم بررسی و سپس تاثیر حملات سایبری بر عملکرد این ساختار کنترلی ارزیابی می شود. یک روش کنترلی تاب آور در برابر حمله تزریق داده غلط در کنترل ثانویه توزیع یافته ریزشبکه جریان مستقیم ارائه می شود. در روش ارائه شده، زمانی که لینک مخابراتی مورد حمله قرار می گیرد، لینک مورد حمله تشخیص داده شده و سپس تاثیر داده غلط تزریق شده توسط حمله سایبری، بوسیله یک کنترل کننده ی تناسبی انتگرالی حذف می شود. از آنجایی که این روش کنترلی تنها در برابر حمله تزریق داده غلط تاب آور است، یک روش کنترلی مبتنی بر روش فازی در برابر حملات سایبری ارایه می شود. در این روش، وزن های مخابراتی بین واحدها در کنترل توزیع یافته -که متاثر از نوع حمله وهمچنین داده ی غلط تزریق شده توسط حمله سایبری است- توسط کنترل کننده ی فازی تنظیم می شوند. عملکرد روش های ارائه شده بر روی یک ریزشبکه ی جریان مستقیم نمونه و در محیط نرم افزار متلب مورد ارزیابی قرار می گیرد.

محدودیت سوخت های فسیلی و مسائل زیست محیطی، موجب گسترش استفاده از منابع تولید پراکنده شده است. کنترل توزیع شده، یک روش متداول، برای بهره برداری بهینه از منابع و افزایش کارایی و کاهش پیچیدگی کنترل است. پیشرفت سریع فنّاوری و شبکه ارتباطی و همچنین در دسترس بودن منابع محاسباتی با دقت بالا، کنترل از راه دور، بهره برداری و نظارت بر ریزشبکه ها را امکان پذیر کرده و ریزشبکه ها را به یک سیستم سایبری فیزیکی تبدیل می کند.این سیستم ها،در برابر تهدیدات سایبری، بدافزارها و ویروس ها آسیب پذیر می باشند. بنابراین امنیت باید به عنوان یک چالش در طراحی کنترل کننده در ریزشبکه ها در نظر گرفته شود. در این پژوهش ابتدا، به مطالعه و بررسی تهدیدات و آسیب پذیری های کنترل ثانویه توزیع یافته در ریزشبکه های جریان متناوب پرداخته می شود. سپس، جهت بهبود تاب آوری در برابر حملات سایبری در لایه ارتباطی، روشی بر اساس تئوری گراف و الگوریتم اجماع ارائه شده است. برای حفظ پایداری سیستم در برابر حملات در ریزشبکه، و افزایش خودترمیمی سیستم، کنترل کننده مقاوم بر مبنای تئوری فیدبک کمی ارائه شده است. از نتایج حاصل از این پژوهش می توان در بهبود تاب آوری سیستم های توزیع شده در برابر حملات سایبری استفاده کرد.

در ریزشبکه های DC منابع تولید پراکنده، منابع ذخیره ساز انرژی و بارها با مشخصات الکتریکی متفاوت معمولاً از طریق مبدل های الکترونیک قدرت به لینک DCمتصل می شوند. حضور این مبدل های واسط دو مسئله اساسی را ایجاد می کنند. اول: مبدل های واسط سمت بار و بارهای متصل شده به آنها به عنوان بار توان ثابت عمل می کنند که اثر منفی بر روی پایداری سیگنال کوچک سیستم می گذارند؛ دوم: مبدل های واسط سمت منابع هیچگونه خاصیت اینرسی و میرایی به سیستم اضافه نمی کنند و درنتیجه اینرسی ذاتی کل سیستم پایین است. در این رساله، مدلسازی، تحلیل پایداری ریزشبکه DCبا اینرسی کم در حضور بارهای توان ثابت، مورد بررسی قرار گرفته و با بهره گیری از مفهوم منابع توان تحت کنترل و مفهوم اینرسی مجازی در ریزشبکه های ،ACپاسخ دینامیکی سیستم بهبود داده می شود. منبع توان تحت کنترل از سه بخش اصلی واحد ذخیره ساز انرژی، مبدل الکترونیک قدرت واسط و استراتژی کنترل مناسب تشکیل شده است، که برای داشتن پاسخ دینامیکی بهتر، هر کدام از این سه بخش بصورت ویژه مورد مطالعه قرار می گیرند. برای واحد ذخیره ساز انرژی، ابرخازن پیشنهاد می شود که دارای چگالی توان بالا بوده و پاسخ دینامیکی سریعی را فراهم می نماید. استراتژی کنترل پیشنهادی از دو بخش اینرسی مجازی و میرایی مجازی تشکیل شده است که درحلقه ی کنترل جریان داخلی مبدل واسط اعمال می شوند. ضریب اینرسی مجازی پیشنهادی بر روی فیدبک مشتق ولتاژ خروجی قرار گرفته و موجب کاهش نرخ تغییرات ولتاژ بلافاصله بعد از وقوع خطا می گردد. حلقه میرایی مجازیپیشنهادی موجب کاهش اثرمنفی بار توان ثابت شده وبا افزایش نسبت میرایی سیستم،پایداری ریزشبکه DCرا بهبود می دهد. روش کنترل پیشنهادی به ساختار مبدل واسط وابسته نبوده و کارایی آن بر روی مبدل کاهنده 1و مبدل افزاینده 2بررسی شده است. به منظور بررسی پایداری ریزشبکه DCمورد مطالعه، مدل دقیق سیگنال کوچک سیستم با استفاده از روش متوسط گیری فضای حالت استخراج می شود. با مطالعه مقادیر ویژه غالب سیستم، تاثیر پارامترهای کنترل کننده پیشنهادی بر روی پایداری مورد بررسی قرار گرفته و مقادیر مناسب آنها به دست می آیند. مدلسازی ها و شبیه سازی های مورد نیاز در محیط های Simulinkو SimPowerSystemsاز نرم افزار MATLAB انجام شده اند

در این رساله تمرکز اصلی بر مساله بازیابی غیرمتمرکز فرکانس و اشتراک گذاری توان اکتیو می باشد. در همین راستا، به منظور بازیابی فرکانس و تخصیص دقیق توان اکتیو، یک کنترل کننده بهینه مبتنی بر رگولاتور مربعات خطی LQR ارائه می شود. کنترل بهینه ارائه شده به منظور ارضای اهداف کنترل ثانویه فرکانس نیازی به تبادل اطلاعات از طریق زیرساخت مخابراتی ندارد. برخلاف اکثر کارهای موجود، یک رویّه سیستماتیک به منظور طراحی کنترل کننده ثانویه ارائه می شود. به منظور طراحی این کنترل کننده تنها از دینامیک فیلتر پایین گذر موجود در حلقه کنترل شیب-افتی استفاده می شود. رفتار غیرمتمرکز، ساده بودن روش طراحی و اجرا، بهینه بودن بر اساس تابع هزینه ای خطی-مربعی و سادگی در حل مساله از ویژهگی های اصلی این روش است. در ادامه نیز یک کنترل ثانویه برای بازیابی فرکانس و اشتراک گذاری دقیق توان راکتیو مبتنی بر تخمین توان اکتیو واحدهای مجاور ارائه می شود. نحوه حل مساله با بکارگیری مشخصه اصلی فرکانس به عنوان یک متغیر سراسریِ ریزشبکه های خودگردان در حالت ماندگار تحقق یافته است. تخمین توان اکتیو تنها بر اساس ضریب شیب-افتی P-Q انجام گرفته شده است. مشخصه غیر متمرکز بودن، با بکارگیری پروتکل اجماع، نه تنها که فرکانس واحدها را به مقدار نامی خود بازمی گرداند، بلکه اشتراک گذاری دقیق توان اکتیو بین واحدها را نیز حفظ می کند. ورودی های مورد استفاده در پروتکل اجماع مبتنی بر تخمین توان اکتیو تولیدی واحدهای مجاور هستند و به تبادل اطلاعات مابین واحدها نیازی ندارد (و یا حداقل اطلاعات را خواستار میباشد.) آنالیز پایداری مربوط به دینامیک فرکانس و توان اکتیو کل سیستم به صورت تابع تبدیل یک سیستم چند ورودی-تک خروجی انجام شده است. علاوه بر آن، پارامترهای کنترلی مربوط به پروتکل اجماع به گونه ای تعیین شده است که عملکرد پایدار سیستم تضمین شود.

در سالهای اخیر، ریزشبکه های DCبه دلیل کنترل ساده تر آنها، افزایش روزافزون منابع تجدیدپذیر انرژی با خروجی DCو همچنین افزایش بارهای ،DCموردتوجه ویژهای قرارگرفته اند. منابع تجدیدپذیر انرژی غالباً فاقد اینرسی و یا دارای اینرسی پایینی هستند؛ حال، ریزشبکه های DCدر حالت جزیرهای (نبود پشتیبانی شبکه ی اصلی) و نفوذ بالای منابع تجدیدپذیر انرژی، اینرسی بسیار پایینی دارند که ریزشبکه را در برابر نوسانات (تولید و بار) و اغتشاشات، آسیب پذیر می کند و حاشیه ی پایداری سیستم را کاهش می دهد. اخیراً برای رفع این مشکل، مفهوم اینرسی مجازی معرفی شده است. یکی از شناخته شده ترین راهکارها برای تولید اینرسی مجازی، ماشین/ژنراتور سنکرون مجازی می باشد. این تحقیق، در راستای بهبود دینامیک ریزشبکه های ،DCبا استفاده از اینرسی مجازی و کنترل مقاوم می باشد. در این روش، از یک کنترل کننده ی مجازی بر اساس مفهوم ژنراتور سنکرون مجازی برای بهبود دینامیک یک ریزشبکه ی DCاستفاده می شود. کنترل کننده ی مجازی به همراه کنترل کننده ی داخلی و کنترل کننده ی ثانویه، به یک مبدل باک اعمال می شود. به منظور داشتن عملکرد بهینه و مقاوم ریزشبکه در برابر اغتشاشات و نامعینی ها، یک راهکار جدید بر پایه ی کنترل بهینه و مقاوم ∞𝐻 برای تنظیم پارامترهای کنترل کننده مجازی پیشنهاد می شود. کنترل کننده ی بهینه و مقاوم ∞𝐻 بر اساس مدل سیگنال کوچک ریزشبکه و به جای کنترل کننده ی مجازی طراحی می شود. سپس، این دو کنترل کننده بر اساس یک الگوریتم پیشنهادی در ارتباط با هم قرار می گیرند و پارامترهای بهینه و مقاوم کنترل کننده ی مجازی تعیین می شوند. در سایر روشهای ارائه شده، صرفاً یک کنترل کننده ی مقاوم برای ریزشبکه طراحی می شود و از نامعینی ها و اغتشاشات وارده بر سیستم که بر اینرسی آن تاثیرگذارند، صرفنظر می شود؛ اما در روش پیشنهادی کنترل کننده ی مقاوم در راستای تنظیم ضرایب کنترل کننده ی مجازی به کار گرفته می شود. در ادامه، ریزشبکه ی DCموردمطالعه، در محیط نرم افزار Simulink/MATLABشبیه سازی می شود. سپس، برای ارزیابی عملکرد و کارایی کنترل کننده ی مجازی با پارامترهای پیشنهادی، ریزشبکه تحت آزمون های مختلفی قرار می گیرد. نتایج شبیه سازی، کارایی کنترل کننده مجازی پیشنهادی در کنترل ولتاژ ریزشبکه را به خوبی نشان می دهند. نتایج به دست آمده، علاوه بر اینکه عملکرد مقاوم و بهینه ی ریزشبکه را در حضور نامعینی ها و اغتشاشات نشان می دهند، کارایی و انعطاف پذیری کنترل کننده ی مجازی را در راستای بهبود اینرسی و دینامیک ریزشبکه را نیز مشخص می کنند.

امروزه ریزشبکه های الکتریکی به عنوان گروهی از مهمترین بازیگران شبکههای هوشمند شناخته میشوند که در انواع DC ،ACو ترکیبی مورد مطالعه و پژوهش و همچنین پیادهسازی آزمایشگاهی و بهرهبرداری واقعی هستند. این شبکههای توزیع فعال که از مجموعهای منابع تولید پراکنده و مصرفکنندگان در مجاورت یکدیگر تشکیل شدهاند، قابلیت بهرهبرداری در حالت اتصال به شبکه برق اصلی و منفصل (جزیرهای) را دارند. تاکنون این دو حالت عملکرد در حوزههای مختلف پایداری، کنترل، حفاظت، برنامهریزی و بهرهبرداری کانون توجه محققان بوده است. در سالهای اخیر، بهرهبرداری متصل به هم ریزشبکهها به عنوان حالت بهرهبرداری جدید مورد توجه قرار گرفته است که میتواند به بهبود انعطافپذیری تولید و مصرف، قابلیت اطمینان، تابآوری، افزایش نفوذ منابع تجدیدپذیر و کاهش بارزدایی بیانجامد. هرچند که مزایای ذکرشده برای ریزشبکههای متصل به هم در مراجع معتبر ادعا شده و به طور شهودی قابل اثبات هستند اما باید به صورت جزئی مورد تحقیق قرار گرفته و تمامی چالشهای موجود بررسی شوند. پیش از هر چیز، اتصال چندین سیستم نسبتاً گسترده منجر به تشکیل یک سیستم با ابعاد بزرگ شده که نحوه مدلسازی و تحلیل اثر هر جزء بر روی پایداری و کنترل سیستم، یک چالش مهم و قابل تامل است. از این رو، در این رساله مدلسازی، تحلیل و بهبود پایداری ریزشبکههای ACمتصل به هم مورد توجه قرار گرفته است. دو نوع از ادوات اتصال ریزشبکههای ACشامل کلیدهای قدرت و مبدلهای پشت به پشت در تحقیقات لحاظ شدهاند که هر دو گروه ریزشبکههای ACمتصل به هم از طریق این ادوات مدلسازی شده و پایداری آنها تحلیل و ارزیابی شده است. مدلهای خطی کاهش مرتبه یافته جهت تحلیل پایداری مدهای غالب فرکانس پایین و بررسی پاسخ فرکانس به کمک ترکیب روشهای اغتشاش و تجمیع به دست آمدهاند. با استفاده از تحلیل مقادیر ویژه، ماتریس مشارکت و تحلیل حساسیت، بازههای قابلقبول جهت پایدارسازی سیگنال کوچک ریزشبکههای متصل به هم برای مهمترین پارامترهای داخلی ریزشبکهها و ادوات واسط محاسبه شدهاست. همچنین پایداری حالت گذرای سیستم مورد مطالعه تحلیل و ارزیابی شده که در مورد مبدلهای پشت به پشت منجر به مقید نمودن ولتاژ لینک DCشده است. در انتها یک کنترلکننده دروپ تعمیمیافته مجهز به توابع منطقی جهت بهبود عملکرد ریزشبکههای متصل به هم در شرایط اضطراری پیشنهاد شده است. مدلسازیها و شبیهسازی های مورد نیاز در محیطهای Simulink ،Editorو SimPowerSystemsاز نرمافزار MATLABو همچنین به صورت بهنگام در شبیهساز دیجیتال -OPAL RTانجام شدهاند.

زیرساخت های شبکه هوشمند الکتریکی (SG ) به عنوان یک شبکه ارتباطی و توزیع شده در یک منطقه جغرافیایی وسیع به راحتی قابل دسترس هستند. این امر سبب به وجود آمدن آسیب پذیری های امنیتی جدیدی به واسطه وجود تکنولوژی های توزیع شده در شبکه هوشمند می شود. به نحوی که رویکردهای معمولی مانند آنتی ویروس ها و فایروال ها قادر به فراهم سازی امنیت کامل نیستند. بنابراین جهت دستیابی به یک شبکه هوشمند کارآمد، این شبکه ها نیازمند سیستم های امنیتی جدیدی هستند که ضمن رفع نمودن نواقص امنیتی موجود قادر به فراهم نمودن امنیتی پایدار در مقابل حملات احتمالی باشند. امروزه سیستم های تشخیص نفوذ به عنوان یکی از مکانیزم های اصلی در فراهم کردن امنیت شبکه ها مطرح هستند. این سیستم ها می توانند فعالیت های شبکه را بصورت پیوسته تحت نظارت و سنجش قرار داده و فعالیت های غیرعادی که مربوط به حملات می باشند را در اسرع وقت شناسایی کنند. در این پایان نامه یک نمونه سیستم تشخیص نفوذ مبتنی بر مشخصات رفتاری شبکه ارائه می گردد. جهت طراحی این سیستم ابتدا لیستی از مشخصات و قواعد رفتاری شبکه هوشمند در قالب مشخصات رفتاری ریزشبکه ها تهیه می شود سپس براساس این مشخصات وضعیت های امن شبکه توسط بردار حالت مدلسازی شده و با استفاده از تکنیک آماری آزمون فرض آشکارسازی نفوذ انجام می گیرد. سیستم های تشخیص نفوذ عموماً با دو پارامتر مهم نرخ اعلان اشتباه و نرخ عدم تشخیص نفوذ مواجه هستند. این پایان نامه براساس این دو پارامتر به بهینه سازی مسئله تشخیص نفوذ پرداخته و فضای آماری آزمون فرض را براساس مناسب ترین مقدار حد آستانه بدست آمده ناحیه بندی می کند. نتایج عددی کارآمدی مدل پیشنهادی را به عنوان گامی مهم در جهت طراحی یک سیستم تشخیص نفوذ کامل و ارتقاء امنیت شبکه نشان می دهد.

نگرانی در مورد آلودگی های محیط زیست، تغییر آب و هوا و کاهش روزافزون سوخت های فسیلی نیاز به انرژی های تجدیدپذیر در سراسر جهان را افزایش داده است. یکی از بهترین استفاده های منابع تجدیدپذیر، مفهوم ریزشبکه می باشد. ریزشبکه یک مقیاس کوچک از شبکه برق قدرت شامل منابع انرژی تجدیدپذیر، منابع ذخیره ساز انرژی و بارهاست که به هم پیوسته هستند. پیشرفت واسط های الکترونیک قدرت مانند AC/DC و DC/AC در دهه های گذشته و انعطاف پذیری آن ها در انتقال انرژی الکتریکی باعث شده است که تمایل برای طراحی و استفاده از سیستم های بیشتر شود. مبدل های الکترونیک قدرت و محرک های موتور الکتریکی که اجزای اصلی ریزشبکه های DC می باشند، وقتی لازم باشد با دقت تنظیم شوند رفتاری شبیه بار توان ثابت خواهند داشت. این نوع بارها دارای مشخصه ی امپدانس منفی در پایانه ورودی می باشند که روی پایداری سیستم و کیفیت سیستم کنترلی تاثیر می-گذارند. این تاثیر در حالت ریزشبکه جزیره ای بیشتر نمایان است و ممکن است حتی موجب ناپایداری سیستم گردد؛ بنابراین وجود این نوع بارها در ریزشبکه DC به عنوان یک چالش محسوب می شود. در این پایان نامه، ابتدا به مدل سازی و تحلیل پایداری یک ریزشبکه DC شامل یک واحد تولید پراکنده (DG) که توان مورد نیاز برای یک بار توان ثابت را تامین می کند، پرداخته می شود. سپس با توجه به نفوذ بالای این نوع بارها در ریزشبکه DC و مسئله ناپایداری در آن ها، یک کنترل کننده غیرخطی بهینه، با استفاده از روش معادله ریکاتی وابسته به حالت (SDRE)، برای مسئله ردیابی ولتاژ باس DC ارائه و با دیگر روش های مرسوم مقایسه می گردد. در ادامه برای بررسی انتقال توان در این نوع سیستم ها، سیستم مورد مطالعه را توسعه داده و برای بررسی اثربخشی عملکرد آن یک کنترل کننده افتی مبتنی بر مدل پیش بین (DMPC) طراحی و با کنترل افتی معمولی مقایسه می شود. برای ارزیابی عملکرد و کنترل کننده های طراحی شده از نرم افزار Simpower/Matlab استفاده شده است. نتایج شبیه سازی برای سیستم مورد مطالعه در انتهای هر فصل آورده شده است.