التحكم الكهربائي بنظام الطاقة الكهروضوئية الواصل بالشبكة المحلية

الغرض من التحكم الكهربائي لنظام PV الواصل بالشبكة المحلية

أدى الطلب المتزايد على الكهرباء وتأثيرات استخدام الوقود الأحفوري، مثل الاحتباس الحراري إلى زيادة هائلة في استخدام الطاقة المتجددة. لذلك من بين مصادر الطاقة المتجددة؛ فقد حظيت الأنظمة الكهروضوئية (PV) بأكبر قدر من الاهتمام بسبب خصائصها المتمثلة في الحوافز الاقتصادية وسهولة الوصول إلى البيئة والتقدم التكنولوجي.

ووفقاً لتوقعات السوق؛ فمن المتوقع أن يصل إجمالي السعة الكهروضوئية المركبة إلى (1.4) تيراواط بحلول عام 2024م، مما يعكس مستوى دمج الأنظمة الكهروضوئية في الشبكة الكهربائية، ومع ذلك؛ فإن دمج العديد من الأجيال الكهروضوئية في الشبكة يمثل تحدياً لتشغيل نظام الطاقة واستقراره وموثوقيته، كما تم اعتماد بعض استراتيجيات التحكم لتحسين أداء تكامل الطاقة الكهروضوئية في الشبكة.

كما تم اعتماد طريقة تحكم ضبابية عصبية للتحكم في الطاقة النشطة والمتفاعلة لنظام الكهروضوئية المتصل بالشبكة الكهربائية، وبشكل عام تكون وحدة التحكم المنطقية الضبابية قابلة للتكيف بدرجة كبيرة من حيث التعامل مع نظام معقد وغير خطي بدون نموذج رياضي، بحيث تعتمد القواعد الغامضة والاختيار العصبي إلى حد كبير على تجربة المستخدم.

ومع ذلك؛ فإن تدريب الشبكة العصبية يستغرق وقتاً طويلاً لأنه يتطلب حجماً كبيراً من البيانات لإجراء حساب دقيق، حيث إن الطبيعة البسيطة لوحدة التحكم التناسبية المتكاملة (PI) تجعلها معتمدة بشكل كبير في الأنظمة المتصلة بالشبكة الكهروضوئية الحكامة، كما اقترح طريقة تحكم (PI) لركوب الجهد المنخفض في النظام الكهروضوئي المتصل بالشبكة.

أيضاً تم استخدام وحدات تحكم (PI) لتحسين التشغيل الديناميكي للنظام المتصل بالشبكة الكهروضوئية، بحيث تم تحسين الاستقرار القوي والتسامح للجيل الموزع باستخدام مدخلات متعددة ومخرجات متعددة لضبط وحدة تحكم (PI)، بينما يمكن أن توفر وحدة التحكم (PI) ثباتاً واسعاً في دائرة التحكم؛ فإن أداء وحدة التحكم (PI) يقتصر على اضطراب الحمل الكهربائي الصغير.

لذلك يعد تحديد القيم المناسبة لوحدة التحكم (PI) أمراً صعباً للغاية بسبب عدم الخطية وتغير المعلمة في نظام (PV)، بحيث يمكن أن يؤدي ضبط معلمات (PI)، وذلك باستخدام طريقة التجربة والخطأ إلى حدوث أخطاء ويستغرق وقتاً طويلاً، وبدلاً من ذلك تم اعتماد خوارزميات (metaheurism) للحصول على معلمات (PI) دقيقة بسبب بساطتها وسهولة تنفيذها وقوتها وخصائصها المشتقة المجانية.

نمذجة النظام المتصل بالشبكة الكهروضوئية

يتكون النظام الكهروضوئي (100) كيلوواط من ألواح (PV) ومحول تعزيز (DC / DC) ومكثف ناقل (DC) ووحدة تتبع أقصى نقطة للطاقة ومحول ثنائي الاتجاه (DC / AC) ثنائي الاتجاه مع وحدة تحكم ومرشح وخطوط نقل، كما وتم استخدام محولات الصعود، حسب الشكل التالي (1) لدراسة أداء (MRFO)، وذلك لكل وحدة (PV) لديها تصنيف (305.2W_p).

كما تم ترتيب المصفوفات الكهروضوئية (الألواح) في (66) سلسلة، حيث تتكون كل سلسلة من خمس وحدات في سلسلة (66 × 5 × 305.2 واط = 100.7 كيلو واط)، كما يتم توضيح وصف نموذج التصميم في القسم الفرعي التالي.

نمذجة المصفوفات الكهروضوئية والتحكم (MPPT)

يظهر النموذج المكافئ للصفيف الكهروضوئي في الشكل التالي (2|)، كما ويتألف هذا من عدة وحدات مكونة من عدة خلايا، بحيث يُصوَّر النموذج الرياضي للصفيف الكهروضوئي على النحو:

حيث إن:

(Ipv = NpIpc): هو تيار ضوئي للصفيف.

(IPvc): هو تيار الضوء الساقط.

(Np): هو عدد الخلايا المتصلة المتوازية.

(Io = NpIo): هو تيار تشبع الصفيف.

(Ioc): هو تيار التشبع العكسي للديود.

(Vt = NsKT / q): هو الجهد الحراري لصفّ الألواح.

(T): هي درجة حرارة الخلية.

(q): هي شحنة الإلكترون.

(a): هو ثابت المثالية للديود.

(Rs): هي مقاومة سلسلة مكافئة للصفيف.

(Rp): هي المقاومة الموازية المكافئة للصفيف.

(N): هو عدد الخلايا في السلسلة.

(k): ثابت بولتزمان.

كما يصف الجدول التالي (1) معلمات صفيف (SunPower SPR-305E-WHT-DPV (Sseries = 5 و Pparallel = 66) المستخدمة لمحاكاة (MATLAB / Simulink)، كما يصف الشكل التالي (2) منحنى (I-V) و (P-V) النموذجي للصفيف الكهروضوئي الذي تم الحصول عليه باستخدام صفيف (1) تحت إشعاع متغير.

الحد الأقصى لخوارزمية وتتبع نطاق العرض التقديمي

تختلف طاقة الخرج الكهروضوئية بسبب تغير درجة الحرارة والإشعاع، نتيجة لذلك يتم استخراج نقطة الطاقة القصوى (MPP) من نظام (PV) باستخدام خوارزمية (MPPT) تُستخدم خوارزمية (MPPT)، والمسماة [Perturb and Observe (P&O)] لأغراض المحاكاة، كما تم قياس وتسجيل قيم التيار والجهد اللحظي في فترة زمنية محددة. تمت إضافة قدر صغير من الاضطراب إلى الجهد المرجعي بحجم خطوة ثابت في كل وقت محدد.

كما تشير الزيادات في طاقة الخرج فيما يتعلق بالزيادة في المرجع إلى أن النظام كان يقترب من (MPP)، ولذلك يجب الاحتفاظ بمسار الاضطراب على طول نفس المسار، وإلا فسوف يتحرك الاضطراب في الاتجاه العكسي، وبالتالي قد يصل النظام الكهروضوئي إلى نقطة تأرجح بالقرب من (MPP) الحقيقي، كما يتم تمثيل الوصف الرياضي لخوارزمية (P&O) على النحو التالي:

حيث تمثل [Ppv (k) ، Ppv (k − 1) ، Vpv (k) ،Vpv (k 1)ٍ] القدرة الحالية والقوة المقاسة مسبقاً والجهد الكهروضوئي الحالي والجهد السابق على التوالي.

كما تم تنفيذ محول تعزيز (DC / DC) في هذه الدراسة لتحقيق نقطة تشغيل (MPPT) عن طريق ضبط دورة العمل (D)، كما يتطلب تصعيد مقدار جهد الدخل إلى القيمة التشغيلية المرغوبة لتوصيل الحمل محولًا للدفع، بحيث يشتمل النسخ المتماثل المثالي لمحول التعزيز (DC / DC) على مفتاح عالي التردد ومحث وصمام ثنائي ومكثف ترشيح خرج وخوارزمية (MPPT) وإشارة حاملة عالية التردد ومقارن عالي السرعة ووحدة تحكم (PI) وذلك حسب الشكل التالي (4).

كما تم اختيار معلمات محول (DC / DC)، وذلك لجعل المحول يعمل في وضع التوصيل المستمر، كما يصف الجدول التالي (2) معلمات المحاكاة لمحول دفعة (DC / DC)، بحيث تم إرسال طاقة الخرج إلى خوارزمية (MPPT)، والتي أنتجت بالتالي دورة مجرى الهواء (D)، كما تم التحكم في عملية محول (DC / DC) بواسطة قيمة (D) التي ستنتج الجهد المطلوب (Vmpp).

وبالنسبة لمحول تيار مستمر / تيار متردد؛ فإن الغرض الأقصى من خوارزمية وحدة التحكم القائمة على (MRFO) هو توليد طاقة نشطة للشبكة في (PCC)، كما تم تحقيق ذلك عن طريق إنتاج تيارات مرجعية من روابط (DC) عبر محول (DC / AC)، وذلك من الشكل السابق (1)، بحيث يتم تمثيل إطار (abc) المكافئ في (PCC) على النحو التالي باستخدام تيار (Kirchhoff) والجهد الكهربائي:

حيث أن (Lf) هو محث الواجهة (C) هو مكثف (DC-link)، كما تمثل (SA ، SB ، SC)، وهي ظروف توازن النموذج تحت حالات التبديل الخاصة به و (UO′O) هو الجهد بين نقطة الشبكة المحايدة (O ‘) والنقطة الافتراضية المحايدة من نموذج الدائرة المقابل (O).

وأخيراً أظهرت هذه الدراسة تطبيقاً جديداً لوحدة التحكم (PI) القائمة على (MRFO) مع التصميم على تحسين أداء النظام الكهروضوئي المتصل بالشبكة الكهربائية، كما تم تحقيق الوظيفة الموضوعية وتقليل وظيفة مرونة النظام الكهربائي من خلال استخدام (ISE)، ووفقاً لذلك، تم استخدام وحدات التحكم القائمة على (PI) المستندة إلى (MRFO) لتعزيز تشغيل الأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة غير الخطية من أجل التكامل الفعال للطاقة الكهروضوئية في الشبكة لتحقيق جودة طاقة سلسة.