استراتيجية تعويض انخفاض الجهد الكهربائي لمكيف جودة الطاقة

تحليل استراتيجية تعويض انخفاض الجهد الكهربائي لمكيف جودة الطاقة

مع زيادة حمل الطاقة غير الخطي وبقاء بنية شبكة التوزيع الكهربائية أكثر تعقيداً؛ تصبح مشاكل جودة الطاقة أكثر خطورة، وعلى وجه الخصوص؛ فإنه يمكن أن تؤثر مشكلة جودة الجهد بشكل كبير على التشغيل العادي للحمل الحساس المرتبط بشكل كبير بشبكة التوزيع، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية هائلة وتأثيرات سلبية، كما تنتشر مشكلات جودة الطاقة المعقدة والمزدوجة بشكل شائع في الصناعات، مثل صناعة السيارات والإلكترونيات والمستشفيات والمرافق الترفيهية.

ونظراً لكونه معدات تعويض شاملة لجودة الطاقة؛ فإن مكيف جودة الطاقة الموحد (UPQC) مناسب بشكل خاص لحل المشكلات المذكورة أعلاه، والتي يمكن أن تخفف من مشكلات الجودة الحالية والجهد مثل التوافقية وعدم الاتزان وانتفاخ الجهد والارتخاء، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (1)، بحيث يتم توصيل محولي (UPQC) مع تركيبة ظهر إلى ظهر بشبكة الطاقة في سلسلة وتحويل على التوالي، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتعويض ترهل الجهد مع تبادل الطاقة الداخلي.

أيضاً يمكن تقسيم استراتيجية تعويض ترهل الجهد لـ (UPQC) إلى ثلاثة أنواع، وهي تعويض ما قبل الترهل وتعويض الطور والحد الأدنى من تعويض الطاقة، بحيث يتشابه تعويض ما قبل الترهل والتعويض في الطور مع استراتيجية التعويض الخاصة بمرمم الجهد الديناميكي (DVR)، والتي تركز على الحد الأدنى من حجم الجهد والقفز بزاوية الطور الكهربائي.

كما تمت المقارنة مع الحد الأدنى لتعويض الطاقة الكهربائية لـ (DVR)، بحيث اقترح طريقة (VA) الدنيا  (UPQC-VAmin)، والتي تستخدم خوارزمية مثالية غير خطية لحساب زاوية الحقن لتعويض الجهد لتقليل قدرة تعويض الترهل، وبالإضافة إلى ذلك، تم اقترح استراتيجية تعويض ترهل وتضخم الجهد مع حقن طاقة نشطة وتفاعلية متزامنة بواسطة كلا المحولين من (UPQC-UPQC-S)، والتي يمكن أن تزيد من استخدام السعة لمحول السلسلة وتعويض الحمولة التفاعلية.

كما يعتمد كل من (UPQC-VAmin) و (UPQC-S) على نفس المبدأ، والذي يحدد زاوية حقن معينة لجهد الحقن، وذلك من أجل تحسين طاقة خرج (UPQC)، وعلى الرغم من أن هذه الاستراتيجيات يمكن أن تقلل من السعة المركبة لـ (UPQC)؛ إلا أنها تحتاج إلى ضخ قدر كبير من الطاقة النشطة، والتي ستشكل صعوبة في تحقيق التعويض المستدام لانخفاض الجهد الكهربائي.

ومع ذلك، بالنسبة لنظام توزيع الجهد المنخفض على أساس الحفاظ على جهد ناقل التيار المستمر، وعادةً ما تتمتع (UPQC) بقدرة كافية على حقن الجهد لتعويض انخفاض الجهد، لذلك بدلاً من استخدام السعة؛ فإنه يصبح الاستخدام المتنقل الحالي هو النقطة الرئيسية لاستراتيجية التعويض الأمثل.

مبدأ تعويض انخفاض الجهد الكهربائي UPQC-SRI

يوضح الشكل التالي (2) مخطط طور التعويض لـ (UPQC-SRI)، وذلك عند حدوث ترهل الجهد، ومع الحمل الاستقرائي على سبيل المثال؛ فإنه يقوم محول السلسلة بحقن الجهد الذي يكون طوره متقدماً على النظام.

وفي غضون ذلك، يقوم محول التحويل بحقن الطاقة التفاعلية للنظام، مما يجعل حقن الجهد لمحول السلسلة عمودياً على تيار النظام، لذلك يمكن لـ (UPQC) تقليل طاقة التعويض وحقن الطاقة التفاعلية في نفس الوقت بواسطة محولين، بحيث يتم تمثيل زاوية حقن الجهد كـ (α)، ووفقاً لقانون جيب التمام؛ فإنه يمكن تحديد العلاقة بين متجهات الجهد في الشكل التالي (2).

حيث أن (VSe ، VS ، VL) هي مقدار جهد التعويض وجهد النظام و جهد الحمل على التوالي، بحيث يمكن اشتقاق جهد التعويض كـ:

حيث (D) هو معامل ترهل الجهد الكهربائي (D = Vs / VL)، وفي الوقت نفسه يقوم محول التحويل بحقن الطاقة التفاعلية لتعويض ترهل الجهد، كما ويمكن إعطاء حجم تعويض (ISh) الحالي بواسطة:

حيث يمثل (IL) حجم تيار الحمل الكهربائي، و (φ)  هي زاوية قوة الحمل، بحيث يتم إعطاء حجم (IS) الحالي للنظام بواسطة:

وبالنسبة الى الاستنتاجات المذكورة أعلاه لحالة الحمل السعوي، وفي ظل مراعاة الظروف المختلفة لانخفاض الجهد؛ فإنه يمكن تحديد (α) على أنه (90) درجة باستخدام استراتيجية التعويض لـ (USQC-SRI)، بحيث يظهر مخطط الطور في الشكل التالي (3).

كما يمكن لهذه الطريقة أن تحقق صفراً من الحقن الفعال للطاقة لتعويض ترهل الجهد مع حمل تيار محول أقل، كما ويمكنها تعويض القدرة التفاعلية للحمل، ومع ذلك يتم استنتاج الاستنتاجات المذكورة أعلاه في ظل ظروف مثالية دون النظر إلى القيود الحالية. لذلك ستتم مناقشة استراتيجية (UUPQC-SRI) مع قيود حد الحمل للتيار الكهربائي.

تحليل منطقة حقن الطاقة النشطة الصفرية باستخدام UPQC-SRI

تركز العديد من الأبحاث بشكل أساسي على تحسين قدرة (UPQC)، ومع ذلك تركز الاستراتيجية المقترحة على محدودية القدرة على التحمل الحالي للأسباب التالية:

• بشكل عام، يتم تثبيت (UPQCs) مباشرة على الحمل غير الخطي والحساس عند مستوى الجهد المنخفض، كما بأخذ نظام ثلاثي الأطوار (380) فولت كمثال، بحيث يتكون (UPQC) من ثلاث مجموعات من محولات الجسر الكامل أحادية الطور من الخلف إلى الخلف باستخدام (IGBTs) كمفاتيح، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (1)، بحيث يمكن أن يتجاوز جهد ناقل التيار المستمر (600) فولت.

• باستخدام الاستراتيجية المقترحة، يمكن لـ (UPQC) الحفاظ على جهد ناقل التيار المستمر دون إخراج الطاقة النشطة (على افتراض أنه يمكن تجاهل فقدان UPQC)، لذلك يمكن أن يعمل محول السلسلة في أي ظرف من ظروف انخفاض الجهد دون تقييد جهد التعويض عن طريق التصميم المناسب لنسبة المحولات التسلسلية.

• كما أن تيار النظام هو المجموع المتجه لتيار الحمل وتيار تعويض محول التحويل، وخاصة عند حدوث ترهل شديد في الجهد، بحيث سيكون حجم تيار النظام أكبر من تيار الحمل، مما قد يؤدي إلى زيادة التيار للمحولات الكهربائية التي تستخدم (UPQC-SRI)، لذلك فإن قدرة الحمل الحالية لـ (UPQC) لها علاقة وثيقة مع حالة انخفاض الجهد ونسبة الجهد لمحول السلسلة.

أخيراً تم اشتقاق مبدأ تعويض ترهل الجهد في هذا البحث، ثم تُقترح استراتيجية تعويض الجهد (UPQC-SRI) مع التكوين الأمثل للحمل الكهربائي، بحيث يمكن أن تحقق هذه الاستراتيجية التحكم في عامل القدرة الموحد وتوفر تعويضاً مستداماً لانخفاض الجهد عن طريق الحقن المتزامن للقدرة التفاعلية من كل من المحولات التحويلية والمتسلسلة في (UPQC).

وبالإضافة الى مراعاة حد الحمل الكهربائي؛ فإنه يتم تقديم منطقة (UPQC-SRI)، ومن ثم يتم الحصول على القيمة الحدية لتيار التحويل، وعلاوة على ذلك يتم تحليل شروط تعويض كل من ترهل الجهد والتيار التوافقي للحمل في ظل ثلاثة ظروف ترهل.

لذلك يتم التحقق من استراتيجية (UPQC-SRI) والخوارزمية المقابلة لها بواسطة منصة (PSCAD / EMTDC)، بحيث يشير كل من التحليل ونتائج المحاكاة إلى أنه عند حدوث ترهل الجهد الكهربائي الشديد، كما يمكن لـ (UPQC-SRI) تعويض انخفاض الجهد الكهربائي بحقن طاقة أقل نشاطاً من استخدام الاستراتيجيات التقليدية.