الانتقال السلس بين أنماط التشغيل المتصلة بالشبكة الكهربائية

أهمية الانتقال السلس بين أنماط التشغيل المتصلة بالشبكة الكهربائية

جذبت الشبكات الصغيرة (MG) اهتماماً هائلاً في العقود القليلة الماضية، وذلك نظراً لسهولة تكاملها مع موارد الطاقة الموزعة (DER) جنباً إلى جنب مع قدرتها على استيعاب الاختراق العالي لمصادر الطاقة المتجددة (RES)، ووفقاً للتعريف المعتمد من قبل وزارة الطاقة الأمريكية والعديد من الوكالات الأوروبية؛ يشير (MG) إلى مجموعة من الأحمال المترابطة و (DERs) وأنظمة تخزين الطاقة (ESS) التي تنظمها وحدة تحكم ويمكن أن تعمل ككيان مستقل فيما يتعلق بشبكة الطاقة.

لذلك تم توضيح (MG) التفاعلية الشبكية الأساسية في الشكل التالي (1).

تلعب (MGs) دوراً رئيسياً في تعزيز مرونة الشبكة الكهربائية وموثوقية نظام التوزيع إلى جانب تمكين الاختراق العالي لـ (DERs)، حيث إن إدراج (DERs) في توليد الطاقة في ظل بيئة إرسال منظمة يمكن أن يعزز بشكل كبير كفاءات استخدام الطاقة ودعم القدرة التفاعلية وتنظيم تردد الجهد (V-f).

كما قد يؤدي التضمين المباشر وغير الخاضع للإشراف لأسطول من المحولات في شبكة الطاقة إلى تعريض استقرار الشبكة للخطر، بحيث يحدث هذا بشكل خاص عندما تتقلب نقطة تشغيل العاكس مع الظروف المحيطة، كما يمكن التخفيف من مشكلات الاستقرار هذه من خلال تشكيل شبكة من (MGs) والتحكم في تشغيلها باستخدام أنظمة التحكم الهرمي وإدارة الطاقة.

وفي ظل عمليات (MG) العادية في الوضع المتصل بالشبكة (GC)؛ توفر المحولات الحد الأقصى من الطاقة المتاحة للشبكة جنباً إلى جنب مع الخدمات المساعدة الأخرى مثل دعم الطاقة التفاعلية، وهنا يتم تكوين هذه المحولات للعمل في الوضع المتحكم فيه الحالي (CCM) وتتبع مراجع الجهد عند نقطة اقتران مشترك (PCC).

كذلك يتم تنظيم استقرار (MG) في هذه الحالة بشكل متماسك من خلال المصادر المختلفة في شبكة التوزيع الكهربائية في حالة حدوث عطل في الشبكة، كما يجب فصل أسطول المحولات الكهربائية، وفي (MG) عند اكتشاف الخطأ، لذلك تمت مناقشة أوقات اكتشاف الأعطال للعاكسات (أو MG) المقابلة للشبكة غير الطبيعية (V-f).

كما تم وضعها بواسطة معايير (IEEE 1547)  و (IEC 61727) المحدد في الجدول التالي (1). ومع ذلك أثناء هذه الأعطال؛ سيتم أيضاً فصل الأحمال الحرجة في (MG) عن شبكة المرافق، مما يؤدي إلى انقطاع الطاقة المزودة بها، ومن ثم يمكن إعادة صياغة التحدي الرئيسي في تحقيق انتقال سلس فيما يتعلق بتأمين الأحمال الحرجة بالطاقة غير المنقطعة التي يتم سحبها من المحولات المجاورة أثناء عملية الانتقال.

تصنيف مخططات التحكم للتشغيل ثنائي الوضع للعاكس الأحادي

أجريت الأبحاث المبكرة حول الانتقال السلس بهدف عزل المحولات الفردية أثناء حدوث خطأ، كما تم تقديم تحكم انتقال سلس لمصدر جهد متحكم فيه (VC-VSI) بواسطة (Gao et al)، حيث يتم تنفيذ حلقات تنظيم (V-f) في التحكم الأساسي الذي يمكن أن يعمل في أوضاع (GC) و (IS) والتبديل بين هذه الأوضاع بسلاسة، كما يتضمن الانتقال من وضع (GC) إلى وضع (IS) الكشف عن انخفاض جهد الشبكة بواسطة خوارزمية اكتشاف الجزر.

ثم يتم ضبط الكسب المتكامل “KQ” لحلقة استعادة الجهد على الصفر بعد فتح (STS)، بحيث يؤدي ذلك إلى رفع جهد (PCC) إلى القيمة الاسمية ويمكن للعاكس الآن بدء التشغيل في وضع الجزيرة مما يتيح فصلًا سلساً عند استعادة الشبكة الكهربائية.

وكل ذلك بحيث تتعقب كتلة (PLL) سعة جهد (PCC) والتردد الكهربائي والمرحلة لتحقيق التزامن قبل البدء في إعادة الاتصال بالشبكة، ومع ذلك يتسبب هذا المخطط في حدوث مشكلات في الاستقرار عند تنفيذه على محولات متعددة متصلة بالتوازي والتي تنشأ بسبب نقص التنسيق بين الوحدات المجاورة.

كما تم الإبلاغ عن عمل مبكر آخر حول الانتقال السلس لمحولات (GC) بواسطة، حيث تم اقتراح محولات تفاعلية للخط لتوفير طاقة غير منقطعة للأحمال المحلية في حالة حدوث عطل في الشبكة، بحيث تقوم الخوارزمية المقترحة بإيقاف تشغيل (STS) عند اكتشاف الخطأ وتراقب حجم جهد الحمل والمرحلة لتحويل العاكس إلى وضع (VC-VSI)، حيث ينخفض ​​تيار التبديل إلى الصفر.

وعند إزالة الخطأ؛ فإنه يتم تشغيل خوارزمية المزامنة حيث يتم في البداية زيادة الجهد المرجعي للعاكس لأعلى أو لأسفل لمطابقة سعة جهد الحمل مع جهد الشبكة، وبعد ذلك تتطابق كتلة تزامن الطور المدفوعة بوظيفة التخلفية مع مرحلة جهد الحمل مع مرحلة الشبكة عن طريق زيادة أو تقليل تردد جهد الحمل الكهربائي.

وبعد المزامنة الناجحة، يتم تحويل العاكس إلى (CCM) ويتم تشغيل المفتاح لتحقيق الانتقال السلس إلى وضع (GC)، الا أن عيب هذا المخطط هو الانحرافات الكبيرة لجهد الحمل بسبب الاعتماد على التيار والحمل بالإضافة إلى متطلبات أجهزة الاستشعار المتعددة، كما يقترح مانويل وآخرون حلاً لهذه الانحرافات الكبيرة في الجهد الكهربائي.

حيث يستخدم معوض ترهل الجهد مكثفين لتقليل تقلبات الجهد أثناء عملية الانتقال، وفي حالة حدوث الخطأ في الدورة النصف الموجبة؛ فإنه يتم توصيل المكثف المشحون الموجب بالحمل بينما في حالة حدوث خطأ في نصف دورة سالبة، كما يتم توصيل المكثف المشحون السالب وتفريغه في الحمل، وبالتالي الاحتفاظ بجهد (PCC) ثابت، كذلك فإن العيب هنا هو الحاجة إلى مكونات مكثف إضافي.

مخططات التحكم الخاصة بتخفيف اضطرابات التردد وقفزات الطور

تم اقتراح مخططات تحكم أخرى للتخفيف من اضطرابات التردد أو قفزات الطور أثناء عملية الانتقال، وذلك من خلال  استراتيجية انتقالية تتضمن فصل الأحمال لاستعادة جهد العاكس، وفي وضع (GC) يعمل العاكس لتوفير الطاقة المثلى لشبكة الطاقة الكهربائية، وذلك بناءً على توفر الطاقة وتكلفة الطاقة وما إلى ذلك.

وهنا يتم تعويض فرق الطاقة بين التوليد والطلب على الحمل بواسطة الشبكة، وذلك عند حدوث عطل في الشبكة، بحيث ينفصل العاكس عن الشبكة ويستمر في حقن الطاقة المحددة مسبقاً بالحمل مما يؤدي إلى عدم التوافق بين توليد الطاقة والطلب، كما يؤدي هذا إلى انجراف (V-f) في نقطة تشغيل العاكس الموجود على الجزيرة والذي يحتاج إلى تعويض لاستعادة جهد الحمل قبل إعادة التوصيل.

كذلك يتم تحقيق الاستعادة من خلال تقنية فصل الأحمال الذكية المقترحة والتي يتم فيها فصل جزء مقدر من الحمل المحلي غير الحرج، وذلك وفقاً لأولوية محددة مسبقاً تساعد على توجيه نظام الطاقة بعيداً عن عدم الاستقرار المحتمل، وعندما يتم مسح خطأ الشبكة؛ فإنه يتم تشغيل العاكس في وضع الجزيرة المتزامن حتى تتم مزامنة كلا النظامين، بحيث تقدر خوارزمية المزامنة فرق الطور “θ” بين الشبكة و جهد الحمل بأخذ مجموعتين من قياسات الجهد.

وبعد ذلك يتم تحديد جيب فرق الطور “sinθ” مما يؤدي إلى تقدير زاوية المرحلة الجديدة “الجديدة” التي تتم مزامنة الفولتية العاكس والشبكة من أجلها، وذلك بمجرد مزامنة جهد الحمل مع الشبكة، كما يتم إغلاق المفتاح وتنتقل وحدة التحكم إلى (CCM) قبل الانتقال إلى وضع (GC)، ومع ذلك فقد تم التحقق من أن جهد الحمل وتيار الشبكة لا يزالان بهما تذبذبات كبيرة أثناء عملية الانتقال.