الأنظمة الكهروضوئية ذات الجهد المتوسط والمتصلة بالشبكة

تعتبر المحولات متعددة المستويات ذات الجهد المتوسط (MV) حلاً واعداً لأنظمة الخلايا الكهروضوئية (PV) على نطاق واسع لتلبية الطلب السريع على الطاقة الكهربائية، بحيث تركز هذه العمليات على مراجعة الهياكل المختلفة والتحديات التقنية للطوبولوجيا المعيارية متعددة المستويات وتصميم دارات الوحدات الفرعية الخاصة بها للتطبيقات الكهروضوئية.

تحليل الأنظمة الكهروضوئية ذات الجهد المتوسط والمتصلة بالشبكة

من بين مصادر الطاقة الموزعة المختلفة (DER)، بحيث يكتسب إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) حصة متزايدة في سوق الكهرباء، كما أنه تم التخطيط لمزيد من النمو من قبل العديد من البلدان بهدف تحقيق شبكة متجددة بنسبة (100٪)، بحيث أدت هذه التطورات إلى إنشاء أسواق جديدة وتركيب المزيد من محطات توليد الكهرباء التي تعمل بالجيجاوات وانخفاض أسعار الوحدات الكهروضوئية.

كما وصلت “السعة العالمية” للطاقة الشمسية الكهروضوئية إلى (627) جيجاواط مدفوعة بعدد متزايد من المنشآت السكنية والتجارية، وذلك فضلاً عن مشاريع المرافق العامة، بحيث تظهر فرص جديدة من أنظمة الطاقة الكهرومائية الكهروضوئية الهجينة مع “وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية” العائمة حيث تكون مساحة الأرض محدودة.

أيضاً يتكون الهيكل المشترك لمحطة الطاقة الكهروضوئية واسعة النطاق من وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية ومحولات التيار المستمر والعاكسات الكهروضوئية ومرشحات الخط ومحول الجهد المتوسط (MV)، بحيث يعتبر العاكس الكهروضوئي قلب محطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، حيث يدير تدفق الطاقة عبر النظام والاتصال بالشبكة الكهربائية.

أيضاً تم استخدام تقنيات العاكس الكهروضوئية المركزية تجارياً في بناء محطات كهروضوئية واسعة النطاق لعقود، ومع ذلك؛ فإنهم يعانون من معدلات الجهد الكهربائي أو الطاقة المنخفضة وفقدان الكفاءة بسبب التحكم المركزي لتتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، بحيث يوضح الشكل التالي (1) الهيكل المشترك لمحطة الطاقة الكهروضوئية التقليدية واسعة النطاق.

أيضاً يعد المحول (MV) جزءاً أساسياً من المصنع وهدفه هو توفير كل من العزل الجلفاني للنظام الكهروضوئي والاتصال بشبكة الجهد الكهربائي المتوسط، ومع ذلك؛ فإن استخدام محولات الطاقة الضخمة والثقيلة يزيد بشكل كبير من تكلفة النظام ووزنه وحجمه.

وفي محاولة لتحقيق المزيد من مستويات الجهد والطاقة؛ تم اختيار محولات متعددة المستويات لاستبدال العاكس ثنائي المستوى داخل المحطات الكهروضوئية، بحيث تم تقديم محولات ذات ثلاثة مستويات محايدة (NPC) للتطبيقات الكهروضوئية بسبب بساطة التصميم والتوافر في السوق، ومع ذلك تتطلب طوبولوجيا (NPC) ارتباطاً مشتركاً للتيار المستمر مما يقلل من نمطيتها وكفاءة التحكم في (MPPT).

الهياكل المعيارية الجديدة لمحولات الطاقة الكهروضوئية

تعتبر الهياكل المعيارية الجديدة لمحولات الطاقة الكهروضوئية عالية الأداء مطلوبة لتحقيق نمطية وكفاءة أعلى وكثافة طاقة وحتى مستويات الجهد أو الطاقة، كما يظهر هناك طوبولوجيا ثنائية وبنطاقان رئيسيان من المحولات متعددة المستويات، وهما محول جسر (H) المتتالي (CHB) والمحول المعياري متعدد المستويات (MMC)، وذلك يعتبر أداءً متميزاً من خلال الجمع بين جميع متطلبات هيكل العاكس الكهروضوئي الجديد.

كما يتميز كلا المحولين بالتحكم المستقل في (MPPT) والهيكل المعياري، كما ويمكن توصيلهما مباشرة بشبكات الجهد المتوسط وكفاءة أعلى مقارنة بالطوبولوجيا متعددة المستويات الأخرى، وهو جزء أساسي في هذه الطوبولوجيا هو دائرة الوحدة الفرعية (SM) التي تتدفق فيها الطاقة من الوحدات الكهروضوئية إلى محطات التيار المتردد العاكس.

أيضاً يجب أن يوفر تصميم الدائرة (SM) تأريضاً للصفائف الكهروضوئية وتحكماً فعالاً في (MPPT) وكثافة طاقة عالية، وعلى الرغم من الميزات الفريدة لـ (CHB ،MMC)؛ فإن عدم تطابق الطاقة بين أرجل المحول والخلايا أثناء توليد الطاقة الكهروضوئية غير الموزعة الشديدة يعتبر التحدي الرئيسي لهذه الهياكل، حيث كانت الحاجة إلى إدخال إستراتيجية موازنة للتخفيف من عدم توافق الطاقة هذا والتحكم في تدفق طاقة المحول الرئيسي.

الأنظمة الكهروضوئية القائمة على محول CHB ثلاثي الأطوار

تعتبر طوبولوجيا محول (CHB) واحدة من أكثر الطوبولوجيا الواعدة بين عائلة المحولات متعددة المستويات، وذلك نظراً لبنيتها الفريدة، بحيث تتكون طوبولوجيا (CHB) من عدة خلايا جسر (H) متصلة متتالية مع مصادر طاقة معزولة للتيار المستمر كمدخلاتها، كما  تُستخدم طوبولوجيا (CHB) للمحركات الحثية والمعوض المتزامن الثابت (STATCOM) ومرشح الطاقة النشط (APF) وتطبيقات تخزين البطارية.

كما تعد قيود طوبولوجيا (CHB) بسبب الحاجة إلى مصادر طاقة معزولة متعددة ميزة للتطبيقات الكهروضوئية نظراً لقدرة المصفوفات الكهروضوئية على العمل كمصادر منفصلة للتيار المستمر، بحيث يوفر محول (CHB) نمطية وقابلية للتوسع والتحكم المستقل في (MPPT، كما تم اقتراحه للعديد من التطبيقات الكهروضوئية مثل أسطح المنازل المتصلة بالشبكة ذات الجهد المنخفض ومحطات (MV) الكبيرة الحجم.

وفيما بعد؛ فإنه من المحتمل أن يتم استخدام محول (CHB) أحادي الطور لتوصيلات شبكة الجهد المنخفض كما هو مقترح، بينما يتم استخدام التكوين ثلاثي الطور للأنظمة الكهروضوئية واسعة النطاق كما هو موضح في الشكل التالي (2) باستخدام تقديم طوبولوجيا (CHB) للتطبيقات الكهروضوئية في ثلاثة تكوينات مختلفة، وهي الوحدات الكهروضوئية المنفصلة والوصلة المغناطيسية المشتركة ووصلة التيار المستمر المشتركة.

أيضاً تم اقتراح نظام الكهروضوئية المتصل بالشبكة واسع النطاق مع خلايا جسر (H) متتالية متصلة بالوحدات الكهروضوئية من خلال محولات تيار مستمر ثنائي الجسر النشط (CF-DAB)، بحيث تم استخدام محول من نوع (CF-DAB) لتوفير عزل كلفاني وتأريض للصفائف الكهروضوئية بمزيد من التحكم بدرجة الحرية، وبالإضافة إلى ذلك اقترح المهندسون استخدام مكثفات الفيلم لتقليل تموجات جهد التيار المستمر ذات التردد المنخفض القادمة من المحولات الكهروضوئية.

كذلك يوضح الشكل التالي (3) هيكل المجموعات الكهروضوئية المتصلة بالشبكة المتصلة بشبكة دلتا، وبالنسبة لكل مجموعة؛ فإن العديد من خلايا الجسر (H) المتتالية جنباً إلى جنب مع محولات (DC-dc) المعزولة تنقل الطاقة مباشرة من المصفوفات الكهروضوئية إلى أطراف الشبكة دون الحاجة إلى و (LFT)، بث إن استخدام محولات (dc-dc) المعزولة هو ضمان التحكم الموزع في (MPPT) وتأريض صفائف (PV).

أيضاً يوضح الشكل التالي (4) هيكل طوبولوجيا (CHB)، وهو مكون من خمسة مستويات وثلاث مراحل للتكامل مع شبكات (MV)، بحيث ترتبط الجسور (H) بعدة روابط مغناطيسية عالية التردد الكهربائي تتكون من ملف أساسي واحد متصل بمصدر التيار المستمر المشترك، أي المصفوفات الكهروضوئية وثلاث ملفات ثانوية للاتصال ثلاثي الطور، كما يبقى التحدي الرئيسي لتصميم وتكلفة النواة المغناطيسية.

وأخيراً تم اقتراح تكوين (PV) متعدد السلاسل مع وصلة (DC) مشتركة للأنظمة الكهروضوئية واسعة النطاق، كما وتم التحقق من صحتها تجريبياً، بحيث يحتوي هيكل النظام على العديد من السلاسل الكهروضوئية جنباً إلى جنب مع محولات (DC-DC) المتصلة بناقل التيار المستمر المشترك.

وبعد ذلك يتم استخدام ناقل التيار المستمر المشترك لتنشيط خلايا الجسر (H) للمحولات المرتبطة بالشبكة الكهربائية من خلال محولات (fly-back dc-dc) المعزولة، بحيث يحقق النظام عزلاً كلفانياً و (MPPT) مستقل مع كفاءة نظام أقل نسبياً وتكلفة أعلى بسبب زيادة عدد مراحل التحويل، وعلاوة على ذلك وبالمقارنة مع الهياكل المعزولة الأخرى وعلى الرغم من أن محولات (fly-back) معروفة بتصميمها الاقتصادي والبسيط؛ إلا أنها تعاني من تيارات خرج غير مستمرة، مما يزيد من التوافقيات المتولدة ويقلل من كفاءة المحول.