استقرار محولات الجهد الكهربائي في الشبكات الضعيفة

ضرورة استقرار محولات الجهد الكهربائي في الشبكات الضعيفة

يعمل الدافع نحو الموارد المتجددة على تحويل إنتاج الطاقة إلى العقد الموزعة، مما يجعل عاكس مصدر الجهد المعدل (PWM) (VSI) دائرة واجهة مستخدمة على نطاق واسع بين المصادر المتجددة والشبكة؛ خاصةً بأن الاستخدام الواسع النطاق لمحولات (PWM) في شبكة الطاقة يجعل تحليل استقرار أنظمة (VSI) المرتبطة بالشبكة مصدر قلق أساسي لمهندسي الطاقة.

كما تظهر العديد من الدراسات أن استقرار (VSIs) المرتبطة بالشبكة الكهربائية يتأثر بمتطلبات التحكم والمرشح، إلى جانب عوامل التصفية والتحكم، بحيث  يمكن للشبكة الضعيفة أن تؤثر سلباً على استقرار (VSIs) المرتبطة بالشبكة، بحيث يتم تعريف الشبكة الضعيفة بشكل عام على أنها شبكة طاقة ذات نسبة دائرة قصر منخفضة (SCR)، أي مقاومة عالية وثابت خمول منخفض (H)، وهي سمات نموذجية للشبكات الصغيرة.

نتيجة لذلك، بحيث يمكن أن يتشوه الجهد والتردد في الشبكات الضعيفة. علاوة على ذلك، لذلك قد يصبح (VSI) المرتبط بالشبكة غير مستقر إذا كان الجهد عند نقطة اقتران مشترك (PCC) يحتوي على مكون توافقي عند التردد الكهربائي الطبيعي لمرشح (LCL)، بحيث سيكون الموقف أكثر تعقيداً إذا تم استخدام مسار تغذية الجهد لتقليل وقت استجابة نظام الحلقة المغلقة.

وبالمثل؛ فإنه يمكن لمسارات الاقتران في مخطط التحكم أن تدفع النظام نحو عدم الاستقرار في شبكة ذات توافقيات حالية، ومن ثم؛ فإن تحليل ثبات العاكسات في الشبكات الضعيفة يمثل مشكلة معقدة تتطلب نماذج ديناميكية مفصلة، كما تم الإبلاغ عن تقنيات مساحة حالة موقع الجذر وتقنيات مقاومة “نيكويست” لتحليل الاستقرار في (VSIs) المربوط بالشبكة.

تستخدم التقنية القائمة على الممانعة دوائر مكافئة مجمعة، وبالتالي لا يمكن ببساطة دراسة تأثير معطيات الدائرة والتحكم الفردية على استقرار النظام، في التحليل الديناميكي لوحدات (VSI) المرتبطة بالشبكة عبر طرق فضاء الحالة، كما يُنظر عادةً إلى نموذج مبسط إما للمصنع (الدائرة) أو لوحدة التحكم، وهذا التبسيط يجعل من الصعب تحليل استقرار النظام الكلي إذا احتاج المرء إلى دراسة تأثير الاختلافات المتزامنة في معطيات الدائرة الكهربائية والتحكم.

نموذج الدولة والفضاء لشبكة ربط -VSI

في هذا القسم، يُشتق نموذج فضاء الحالة لمحرك (VSI) ذو الحلقة المغلقة والمرتبط بالشبكة والذي يتحكم فيه (PQ)، والذي يظهر في الشكل التالي (1)، بينما يمكن العثور على العديد من نماذج فضاء الحالة لنماذج (VSI) ذات الحلقة المفتوحة والمرتبطة بالشبكة في الدراسات، وذلك لغرض استمرارية واستنساخ العمل المقدم في هذا القسم.

لذلك فإن نموذج الحلقة المفتوحة، بحيث أعيد بناؤه بشكل موجز والتحقق منه في الملحق (A)، بحيث لاحظ أن نموذج الحلقة المفتوحة لـ (VSIs) المربوط بالشبكة مشتق من نمط تبديل (PWM)، وذلك نموذج الحلقة المفتوحة للإشارة الصغيرة هو:

حيث أن:

(i ~ inv = [i ~ qi ~ d] T): هو اضطراب خرج العاكس.

(v ~ c = [v ~ qv ~ d] T): هو جهد مكثف المرشح.

(i ~ g = [i ~ gqi ~ gd] T): هو تيار الشبكة الكهربائية.

(v ~ pcc = [v ~ pccqv ~ pccd] T): هو الجهد الكهربائي عند (PCC).

علاوة على ذلك، (u ~ = [m ~ ψ ~] T)، حيث أن (m ~) هو مؤشر التشكيل و (ψ ~) هي الزاوية بين المرحلة (A) لجهد خرج العاكس والمحور (q)، انظر الشكل التالي (2)، أيضاً، (ω ~)، بحيث يمثل تباين تردد الشبكة، ومرة أخرى يتم توفير مزيد من التفاصيل.

بالنسبة إلى (VSI) المربوطة بالشبكة، بحيث يعد مخطط التحكم في (PQ) هو استراتيجية التحكم الأكثر شيوعاً، والتي يتم استخدامها في هذه الورقة، في حين قد تكون هناك حاجة إلى مخططات تحكم أخرى في وضع الجزيرة لتنظيم الجهد بشكل مباشر في (PCC)، كما هو موضح في الشكل السابق (1)، بحيث يتم استشعار الفولتية من خط إلى خط وتيارات الخط من جانب الشبكة عند (PCC) وتحويلها إلى إطار (dq) الذي يتم استخدامه بعد ذلك كمدخلات في مخططات التحكم في (PQ).

حلقات التحكم (P ، Q) متتالية مع حلقات التحكم في التيار الكهربائي (q ، d)، وذلك للتحكم بشكل مستقل في الطاقة النشطة والمتفاعلة، وذلك وفقاً لذلك، يجب إضافة أربعة متغيرات حالة جديدة، (yP) و (yiq ، yQ و، yid) لنموذج الحلقة المفتوحة، فيما يتعلق بكتل التكامل في وحدات تحكم (PI) الأربعة الموضحة في الشكل السابق (1)، بحيث ثم يتم وصف متغيرات الحالة بواسطة:

هنا تعتبر، (P ∗ Q) هي القيم المرغوبة للطاقة النشطة والمتفاعلة المقدمة للشبكة على التوالي، أيضاً في (PCC)، كما يمكن التعبير عن القوة النشطة والمتفاعلة من حيث الكميات المقاسة كـ:

تحليل موقع الجذر لمحولات مصدر الجهد الكهربائي المرتبطة بالشبكة (VSI)

في هذا القسم، يتم تحليل استقرار (VSI) المرتبطة بالشبكة ذات الحلقة المغلقة باستخدام النموذج الذي تم تطويره في القسم السابق، وعلى وجه الخصوص، بحيث يتم فحص تأثيرات الشبكة الضعيفة على استقرار (VSI) باستخدام تحليل القيمة الذاتية، وذلك عندما يتم أخذ الاختلافات في تأخير وقت التحكم و (Td) والتخميد السلبي و (Rf) و (LCL filer) و (PQ-control).

وبالنسبة للنتائج المعروضة في هذا القسم، ترد القيم الأولية لمعلمات الأجهزة في الجدول التالي (1)، و أيضاً يتم ضبط تأخير وقت التحكم على (0.3) مللي ثانية ويظل كسب مسار الاقتران ثابتاً (ωL = 0.565Ω) حسب الشكل (1)، أيضاً تم ضبط مكاسب وحدة التحكم (PI) في الشكل التالي (3) بشكل أساسي على (Kp1 = Kp3 = 0.01)، (Kp2 = Kp4 = 0.5)، (Ki1 = Ki3 = 2−10) ،(Ki2 = Ki4 = 5−10).

هنا يتم اختيار قيم (Kp) بناءً على متطلبات النظام الأولية، وذلك عمداً بهامش طفيف من منطقة غير مستقرة لدراسة موضع الجذر. يُفترض مبدئياً أن التخميد السلبي (LCL) هو صفر ولكن مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) لمكثف فيلم (30- μF) تم نمذجة عن طريق ضبط (Rf = 0.008) لنطاق تردد دراسة الحالة.

في أنظمة التوزيع ذات الجهد المنخفض، تكون نسبة (Xg / Rg) حوالي واحد، وفي الشكل السابق (3)، يظهر موضع جذر أقطاب النظام (قيم eigenvalues) حيث يتم زيادة نسبة (Xg / Rg) تدريجياً من (0.5) إلى (5) عن طريق زيادة (Lg) من (0.16 mH) إلى (1.6 mH)، وذلك عندما (Rg = 0.12Ω)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3).

كما تؤدي زيادة (Lg) إلى دفع زوج من الأقطاب، (λ3 ، λ4)، وذلك نحو منطقة غير مستقرة، بينما تظل الأقطاب الأخرى مستقرة، كما يصبح النظام غير مستقر لـ (Lg> 1.12 mH)، أي (Xg / Rg> 3.5) و (SCR <40)، لذلك إذا زادت نسبة (Xg / Rg) تدريجياً من (0.5) إلى (5) عن طريق تقليل (Rg) من (0.12Ω) إلى (0.012 Ω)، حيث أن (Lg = 0.16mH) يصبح من خلاله النظام مستقراً لـ (Rg> 0.064 Ω)، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق، لذلك كلاهما (Lg ، Rg)، بحيث يحددان ضعف شبكة الجهد المنخفض.