استخدام معوضات ردود الفعل الرنانة للجهد الكهربائي

أهمية استخدام معوضات ردود الفعل الرنانة للجهد الكهربائي

في الوقت الحاضر، تنمو أجيال طاقة الرياح بسرعة في جميع أنحاء العالم وأصبحت واحدة من أكثر تقنيات التوليد المتجددة الواعدة، ومن بين الأنواع المختلفة لنظام تحويل طاقة الرياح (WECS)، حيث اكتسبت (WECS) ذات التغذية المزدوجة (DFIG) المستندة إلى (WECS)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1))، حيث أن نسبة متزايدة بسبب المزايا البارزة، بما في ذلك تشغيل التردد الكهربائي الثابت المتغير السرعة تبلغ أربعة أرباع القدرة النشطة والمتفاعلة.

كذلك المحولات الكهربائية الأصغر تصنف حوالي 30٪ من تصنيف المولد وانخفاض التكلفة وخسارة الطاقة  مقارنة بالمولدات الحثية ذات السرعة الثابتة والمولدات المتزامنة، وعادةً يتم تثبيت (WECS) المستندة إلى (DFIG) في المناطق النائية حيث تكون الشبكات الريفية ضعيفة وغالباً ما تحدث اختلالات في الجهد بسبب الأحمال غير المتوازنة وخطأ الشبكة غير المتماثل.

وعندما يظهر عدم توازن الشبكة الكهربائية، بحيث تنشأ روابط تدفق التسلسل السلبي والتيارات في كل من ملفي الجزء الثابت والدوار، مما ينتج عنه تموجات تردد مزدوجة كبيرة في عزم الدوران الكهرومغناطيسي وقد تقصر عمر المكونات الميكانيكية، إلى جانب ذلك تتسبب الطاقة المتذبذبة، والتي تتدفق عبر رابط التيار المستمر بين محول جانب الشبكة (GSC) والمحول الجانبي الدوار (RSC)، خاصةً في تقلبات جهد التردد مرتين في مكثف التيار المستمر.

ونتيجة لذلك، قد يتعين فصل أنظمة التوليد القائمة على (DFIG) دون التحكم في الجهد غير المتوازن عن الشبكة، وهو الأمر الذي لا يقبله كود الشبكة الجديد، وبالتالي من الضروري أن يكون لدى (WECS) المستندة إلى (DFIG)، كذلك القدرة على العمل في ظل حالة معينة من عدم توازن الجهد الثابت وتحمل عدم توازن الجهد العابر الأكبر دون تعثر.

كما تم التحقيق في تشغيل نظام (DFIG) المتصل بالشبكة أثناء عدم توازن الشبكة، وفي مخطط التحكم التقليدي لأنظمة (DFIG)، بحيث تم تطبيق جهازي تحكم متناسبين (PI) في حلقة التحكم الحالية على أساس تحلل مكونات التسلسل الموجب والسالب، حيث كانت وحدات التحكم الحالية نفذت في الأطر المرجعية المتزامنة الإيجابية والسلبية على التوالي.

وبسبب التأخير الزمني وأخطاء التحكم الناتجة عن تحلل كل من مكونات التسلسل الإيجابية والسلبية؛ قد يتدهور الأداء الديناميكي للنظام والاستقرار، بالإضافة إلى ذلك من الضروري تحليل الإشارات المقاسة لحساب مراجع تيار التسلسل السالب حتى في ظل ظروف جهد الشبكة المثالية، مما يزيد بشكل كبير من العبء الحسابي للتنفيذ العملي.

النموذج الرياضي الخاص بنظام DFIG

في نظام التوليد القائم على (DFIG)  يتمثل الهدف الأساسي لـ (RSC) في التحكم في متوسط قيمة القوى النشطة والتفاعلية للجزء الثابت ويحافظ (GSC) على جهد التيار المستمر عند قيمة ثابتة، ومنذ أن تمت دراسة النموذج التفصيلي لكل من (RSC) و (GSC) في حالة الشبكة غير المتوازنة؛ فقد تم تقديم وصف موجز مباشرة في هذا القسم.

نموذج [RSC (DFIG)]: تظهر الدارة المكافئة (DFIG) في الإطار المرجعي المتزامن الموجب (dq +) في الشكل التالي (2)، حيث يمكن التعبير عن روابط تدفق الجزء الثابت والدوار على التوالي:

حيث أن:

(ψψ): هو التدفق.

(I): هو التيار الكهربائي.

(Ls = Lm + Lσs) و (Lr = Lm + Lσr): هي الحث الذاتي لللفات الثابتة والدوارة.

(Lδs ، Lδr ، Lm): هي محاثات تسرب الجزء الثابت والدوار ومحاثة متبادلة، وهي مخطوطات علوية موجبة بحيث يمثل الإطار المرجعي المتزامن الإيجابي ويمثل الرمزان (s و r) الجزء الثابت والدوار ويمثل الحرفان (d و q) المكونات عند المحورين (d – q) على التوالي.

ووفقاً للشكل (2)، يمكن التعبير عن جهد الجزء الثابت والدوار في الإطار المرجعي (dq +) كـ:

حيث أن:

(U): هو الجهد الكهربائي.

(Rs ، Rr): هي مقاومات الجزء الثابت والدوار على التوالي.

(ω1): هي السرعة الزاوية المتزامنة.

(ωr): هي السرعة الزاوية للجزء المتحرك.

(sl = ω1 − ωr): هي السرعة الزاوية للانزلاق.

الوصف العام لاستراتيجية التحكم المقترحة لنظام DFIG

من أجل تجنب الحساب المرجعي المعقد والتحلل المتسلسل، يعرض الشكل التالي (3) الرسم التخطيطي العام لخطة التحكم المقترحة بناءً على معوضات ردود الفعل الرنانة لتنفيذ التشغيل المستقل لـ (RSC و GSC)، وكما يتضح تتكون استراتيجية التحكم المقترحة من منظمين:

• وحدة التحكم (PI) الحالية.

• ردود الفعل الرنانة تعويض.

يتم تنفيذ استراتيجية التحكم في الإطار المرجعي الموجب للتسلسل الموجّه للجهد (dq +)، حيث تتصرف مكونات التردد الأساسية كإشارات تيار مستمر، كما ويتم تحويل مكونات التسلسل السالب إلى إشارات تيار متردد نبضة عند (2ω1) في الشكل (3)، كما تُستخدم وحدات تحكم (PI) لتنظيم إشارات التيار المستمر، كما ويمكن أن توفر معوضات التغذية المرتدة الرنانة، والتي تتكون من منظمات الرنين، كما تحقق كسباً لا نهائياً عند التردد الأساسي المزدوج.

كما وتجدر الإشارة إلى أن منظمات الرنين حساسة لتغيرات التردد التي قد تؤدي إلى تدهور أداء التحكم في حالة تغيير التردد، بحيث تم اقتراح منظم الرنين التكيفي، حيث يمكن تحديث تردد الرنين بناءً على معلومات التردد التي تم الكشف عنها بواسطة حلقة طور مغلقة (PLL)، إلى جانب ذلك تم تقديم (PLL) القائم على الرنين، وذلك لتحقيق تتبع دقيق وسريع لتردد الشبكة وزاوية الطور في ظل ظروف جهد الشبكة غير المتوازنة.

بالنسبة لـ (RSC)، بحيث تُستخدم وحدات التحكم (PI) لتنظيم متوسط القوة النشطة والمتفاعلة للجزء الثابت، كما وقد تم تصميم معوضات ردود الفعل الرنانة لتحقيق أربعة أهداف تحكم مختلفة، أي تيار الجزء الثابت المتوازن والتيار الدوار الجيبي والقوى النشطة والمتفاعلة السلس للجزء الثابت وعزم دوران المولد الثابت، كما يمكن ضبط التيارات المقاسة والقوى المحسوبة وعزم الدوران مباشرةً كمدخلات لمعوضات الرنين المرتدة.

وبالتالي، يمكن تجنب التحلل المتسلسل والحسابات المعقدة لمراجع التيار الدوار للتسلسل السلبي في استراتيجية التحكم المقترحة. بالنسبة لـ (GSC)، كما يتم استخدام وحدات التحكم (PI) لتنظيم متوسط (GSC) للقوى النشطة والمتفاعلة لجهد ثابت للتيار المستمر، بينما تُستخدم معوضات ردود الفعل الرنانة لتقليل تذبذب جهد التيار المستمر وإزالة تذبذبات الطاقة التفاعلية (GSC).

كذلك يتم استخدام جهد التيار المستمر (Vdc) والطاقة التفاعلية (GSC Qg) مباشرة كمدخل لمعوضات ردود الفعل الرنانة، كما يتضح؛ فإنه لا يلزم نقل معلومات الطاقة من (RSC) إلى (GSC) في استراتيجية التحكم المقترحة هذه، وبالتالي يمكن الحصول على تشغيل مستقل لـ (RSC) و (GSC) لأنظمة (DFIG) في ظل ظروف جهد الشبكة غير المتوازنة.

كما تمت دراسة عملية مستقلة ومعززة لأنظمة [(DFI)G] في ظل ظروف جهد الشبكة غير المتوازنة في هذه الدراسة.، بحيث يتم عرض التصاميم التفصيلية لاستراتيجية التحكم المقترحة، كما تؤكد النتائج التجريبية على الإعداد المختبري لنظام (DFIG) بقدرة (1.5) كيلو واط على فعالية استراتيجية التحكم المقترحة.