اختبار وظائف التحكم في المحولات الكهربائية عالية المستوى

مع زيادة الطاقة المثبتة من مصادر التوليد الموزعة (DGS)؛ ظهرت العديد من المشكلات بعد استخدام الهياكل والهياكل الجديدة، بحيث يجب تطوير وحدات تحكم عالية المستوى للتشغيل الآمن لشبكات الطاقة ذات الاختراق العالي لـ (DGS)، كما تصبح هذه المهمة صعبة مع زيادة حجم وتعقيد أنظمة الطاقة الحديثة.

الضرورة من التحكم في المحولات الكهربائية عالية المستوى

تشهد أنظمة الطاقة الكهربائية (EPSs) تحولاً كبيراً تفرضه زيادة وتنويع استهلاك الطاقة وضرورة تحديث مرافق توليد الطاقة، وبعد التغييرات في أنظمة العرض والطلب الفرعية؛ فإنه يجب تعزيز شبكات النقل والتوزيع بتقنيات جديدة تتيح نقل الطاقة بكفاءة وأمان، بحيث تلعب الأجهزة الإلكترونية القوية دوراً رئيسياً في هذه العملية.

ولطالما كان تطوير (EPS) المحتوي على الأجهزة الإلكترونية القوية عملية صعبة، لذلك سوف يصبح الأمر أكثر تعقيداً في المستقبل بسبب ضرورة التطوير السريع والموثوق لأجهزة الطاقة الجديدة ومفاهيم التحكم، كما أدت المنافسة القوية في سوق الطاقة الكهربائية والإلحاح البيئي إلى وضع مصممي (EPS) تحت الضغط، حيث يتعين عليهم تطوير أنظمة طاقة موثوقة ومرنة لتطبيقات مختلفة.

كما يعد تصميم التطبيقات ونماذجها الأولية والتحقق من صحتها على نطاق واسع من ظروف التشغيل وتقييمات الطاقة عمليات مستهلكة للوقت، حيث أن (EPS) معقد للغاية للإدارة ويزداد تعقيدها بسبب وجود مصادر التوليد الموزعة (DGS)، لذلك من الضروري وجود إطار عمل يسهل التطوير والاختبار السريع لـ (DGS) وتفاعله مع (EPS).

الوصف المتكامل لأهداف لمحاكاة خوارزميات التحكم بالمحولات

الهدف من هذا الطرح هو اقتراح حلول لهذه المشاكل، بحيث تم وصف منصة متكاملة للمحاكاة والاختبار الفعال لخوارزميات التحكم لـ (DGS) الحديثة وتفاعلها مع الشبكة الكهربائية في هذا البحث أن يتكون إطار الاختبار المقترح من المكونات المتكاملة التالية:

• هياكل تحكم (DGS) عالية المستوى توفر وظائف المحولات الرئيسية.

• نظام إدارة للاختبار الشامل للسيناريوهات المختلفة.

• برنامج للحصول على البيانات وتقييمها.

• بيئة تطوير متكاملة لـ (EPS) المعقدة التي لا تحتوي فقط على عقد سلبية، ولكن أيضاً على عقد (DGS).

بيئات التطوير الحاضنة لمراحل التحكم بالمحولات الكهربائية

تتوفر بيئات أو أطر تطوير متكاملة مختلفة لتطوير هياكل التحكم (DGS) الحديثة، بحيث تتم مناقشة أدائهم ومزاياهم وعيوبهم، كما أنه تعد أدوات المحاكاة مثل (MATLAB / Simulink ، PSPICE ، PSIM)، وهي مناسبة لتطوير خوارزميات التحكم في إلكترونيات القدرة وللتحليل العابر، ولكنها غير مُحسَّنة لمحاكاة الأنظمة التي تتكون من عدد كبير من عقد نظام الطاقة السلبية، على سبيل المثال (EPS) الغني بـ (DGS) أو للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة غير الخطية.

وعلى الرغم من أنه يمكن استخدام (DigSILENT ، PSS ، NEPLAN ، ETAP) لنمذجة (EPS) الكبيرة؛ إلا أنها تفتقر إلى النهج التصاعدي، أي أنها لا تتضمن نماذج من الأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة بدقة كافية، لذلك إذا كان عدد المكونات الإلكترونية للطاقة مرتفعة جداً؛ فإن هذه الأدوات ذات استخدام محدود، كذلك المحاكاة توفر المساحة والأموال مقارنة بالمختبرات المادية، ولكنها لا توفر بيئة تطوير حقيقية.

ولجعل تصميم واختبار التحكم أقرب إلى ظروف المختبر الحقيقية؛ فإنه يتم استخدام منصة محاكاة تسمى برنامج في الحلقة (SIL)، بحيث يثبت هذا النهج أنه منخفض الدقة على الرغم من محاكاة وحدة التحكم والمصنع في جهاز واحد وسلامة إشارات الإدخال أو الإخراج ليست حرجة، كذلك يمكن استخلاص نفس النتيجة لإجراء اختبار المعالج في الحلقة (PIL)، وهو المستخدم للتحقق من برنامج التحكم الفعلي المطبق في معالج مخصص يتحكم في نموذج المصنع الافتراضي.

بناء جمل التحكم الكهربائي المرتبطة بالمحولات

في معظم الحالات، يتم تطبيق هيكل تحكم متقدم مع محاكاة (HIL)، كما أنه يتم تقديم لمحة موجزة عن هياكل التحكم، كما أن الحلقات المغلقة بالطور (PLLs) ومشتقاتها تعتبر ضرورية لضمان تقدير دقيق لبيانات جهد الشبكة في ظل ظروف الشبكة الاسمية ودون الاسمية.

كذلك تم اقتراح نظرة عامة شاملة على حلول المزامنة المختلفة للمحولات الكهربائية المتصلة بالشبكة الكهربائية، بحيث يتم إعطاء (PLLs) مع استقرار عابر محسّن أثناء أعطال الشبكة، بينما يتم إعطاء (PLLs) على أساس الدمج العام المعزز من الدرجة الثانية.

وبالإضافة إلى ذلك؛ فقد تم تطوير العديد من حلول حلقة التحكم الحالية المختلفة، إلا أن معظمها يعتمد على استخراج مكون متماثل ومناقشة ضبط المعطيات بالإضافة إلى الأداء الديناميكي والتتبع للتحكم المباشر في المحقون الحالية، وعلاوة على ذلك تم تحليل إنتاج الطاقة النشطة والمتفاعلة واستخدامها على نطاق واسع في السنوات الأخيرة.

كما تمت مناقشة الاقتران القوي لمحولات (Microgrid) مع اللاخطية المصاحبة، بحيث يظهر تحليل تحسين جودة التيارات العاكسة المتزامنة جنباً إلى جنب مع تقليل تذبذبات الطاقة أثناء أعطال الشبكة غير المتوازنة، كذلك يتم إعطاء استراتيجيات مختلفة لتحديد الأولويات لتوليد الطاقة المتفاعلة التي يرغب فيها مشغلو الشبكة، بحيث يعتمد مخطط التحكم الخاص بالمحول الكهربائي.

وبالنسبة الى إدارة إجراءات اختبار عمل المحولات الكهربائية؛ فغنه تم تطوير واختبار (EPSs) تحت إشراف بشري، بحيث يتم بدء كل خطوة من الإجراء المقابل بواسطة أمر مباشر يقدمه المستخدم، لذلك أدت ضرورة تكرار الاختبار الشامل وزيادة التعقيد إلى توظيف أدوات برمجية لتنفيذ النص شبه الآلي أو الآلي والتلاعب البيئي، وبالتالي؛ فإن تطوير مكتبات واجهة برمجة التطبيقات (API) ضروري.

آلية الحصول على البيانات الخاصة بالمحولات وتحليلها

يعد الحصول على البيانات وتحليلها جزءاً لا يتجزأ من إطار العمل المتكامل المقترح، كما أنه يجب جمع كمية كبيرة من البيانات في الوقت الفعلي بمعدلات عالية لأخذ العينات من كل من مرحلة الطاقة ومنصة التحكم، ومن ثم يجب أن تكون إجراءات الحصول على البيانات فعالة ويجب تقليل تأثيرها على التشغيل القياسي لوحدة التحكم الكهربائي.

كذلك يجب أن يكون تحليل البيانات المجمعة مباشراً وشاملاً، وعلى الرغم من وجود العديد من الإجراءات الروتينية مفتوحة المصدر التي يمكن استخدامها لتصميم برامج للحصول على البيانات وتحليلها؛ إلا أنه من المدهش أن القليل من الحلول المتاحة تجارياً، بالإضافة إلى ذلك يبقى نادراً ما توجد إرشادات حول كيفية إنشاء حلول مخصصة فعالة في الدراسات البحثية.

وبالنسبة الى عملية تكوين الإطار المقترح؛ فإنه يجب بالضرورة دمج جميع الأدوات والأساليب المقدمة في القسم السابق من أجل التطبيق الناجح لأي إطار اختبار فعال، بحيث يوضح الشكل التالي (2) الخطوط العريضة للإطار المقترح لتطوير واختبار أنظمة الطاقة الحديثة والتحكم فيها.

وأخيراً يتم توصيل المولدات الموزعة (DG) بشبكة توزيع ذات هيكل عشوائي، وفي هذه الدراسة تحديداً يتم محاكاة (DG) مع مصادر الطاقة الأولية (PV ، توربينات الرياح) كما أنه يتم توصيلها عبر محولات ثلاثية الطور بشبكة توزيع التيار المتردد، كما يتم التحكم في كل (DG) بواسطة وحدة تحكم محلية “للتوليد الموزع” (DGC)، والتي تقيس المتغيرات التناظرية وتولد إشارات التحكم لمرحلة الطاقة الكهربائية.