التحكم بالمحولات الكهروضوئية المتصلة بشبكة مصدر التيار

ضرورة التحكم بالمحولات الكهروضوئية المتصلة بشبكة مصدر التيار

مع تطوير توليد الطاقة الكهروضوئية (PV)، تم فحص التقنيات ذات الصلة بشكل كامل وتطبيقها على نطاق واسع، بحيث تحتوي محولات مصدر الجهد (VSI) على تقنيات تطبيق أكثر نضجاً، وبالتالي؛ فإن المحولات المتصلة بالشبكة الكهروضوئية السائدة هي في الغالب محولات مصدر الجهد الكهربائي، ومع ذلك ونظراً للمزايا مثل قدرة التعزيز وإمكانية حماية الدائرة القصيرة والقدرة على التحكم في التيار المباشر؛ فإن محولات المصدر الحالي (CSIs) مناسبة أيضاً لتطبيقات توليد الطاقة الكهروضوئية.

في السنوات الأخيرة، تركزت (CSI) على نطاق واسع من قبل العلماء المحليين والأجانب، بحيث يتم الحصول على طوبولوجيا من النوع الحالي من خمسة مستويات من ثلاث مراحل من خلال الاشتقاق المزدوج للطوبولوجيا من نوع الجهد ثلاثي الأطوار المكون من خمسة مستويات، كما وتم اعتماد استراتيجية التعديل والتحكم لـ (VSI)، مما أدى إلى أداء ديناميكي ومستقر.

كذلك يختلف منحنى الجهد والجهد في المصفوفة الكهروضوئية المستخدم في (VSI)؛ فإن منحنى تيار الطاقة المستخدم في (CSI) يكون مستقيماً تقريباً على الجانب الأيمن من أقصى نقطة طاقة، لذا فإن طريقة (MPPT) التقليدية القائمة على مراقبة الاضطراب أو زيادة التوصيل يمكن أن تسبب تيار (DC-link) يكون خارج نطاق السيطرة ويؤدي إلى مزيد من التغيير الجاد في الطاقة.

كما تم اقتراح خوارزمية (MPPT) جديدة تعتمد على مقاومة الاضطراب، والتي يمكنها حل مشكلة (MPPT) الموجودة في (CSI) بكفاءة، وبالتركيز على تيار التسرب لـ (CSI)؛ فإنه يتم استخدام مكثف الانقسام وتوصيل نقطة الوسط الخاصة به بالسلك المحايد لجهد الشبكة الكهربائية، والذي يمكن أن يحافظ على فرق الجهد بين المحطات الكهروضوئية والسلك المحايد ثابتاً لمنع تسرب الوضع الشائع حاضر.

كذلك تم اقتراح محول (H7) لمصدر التيار الكهروضوئي الجديد بدون محول ثلاثي الأطوار ذو السبعة مفاتيح، بحيث لا يمكن لهذه الطريقة أن تمنع بشكل فعال تيار التسرب في الوضع الشائع فحسب؛ بل يمكنها أيضاً حل مشكلة النبض ثنائي القطب الموجودة في الطريقة التقليدية، ومع ذلك كانت هناك دراسات قليلة حول (LVRT) من (CSI) حتى الآن، بحيث تعني (LVRT) أن العواكس يمكن أن تبقى في عملية متصلة بالشبكة لفترة معينة من الوقت عندما تكون شبكة الطاقة معطلة، وبمعنى آخر يمكن للعاكسات الركوب خلال وقت خطأ معين.

متطلبات النظام الكهروضوئي الخاص بـ LVRT

تختلف متطلبات (LVRT) لمختلف المرافق في النطاقات المحددة والمواصفات التفصيلية، بحيث يوضح الشكل التالي (1) متطلب (LVRT) النموذجي الذي تفرضه الشبكة الوطنية الصينية، بحيث يجب أن تكون محولات الطاقة الكهروضوئية قادرة على الركوب عبر الجهد المنخفض لمدة (3) ثوانٍ على الأقل، كذلك المتطلبات التفصيلية مدرجة على النحو التالي:

• عندما ينخفض جهد الشبكة تحت المنحنى (1) في الشكل (1)، يجب إزالة أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية من الشبكة.

• بعد استعادة جهد الشبكة، بحيث يجب استعادة الطاقة النشطة الناتجة إلى حالة التشغيل العادية بمعدل لا يقل عن (10٪) من الطاقة المقدرة في الثانية.

• أثناء (LVRT)، يجب أن توفر محولات الطاقة الكهروضوئية القدرة التفاعلية المقابلة كما هو معبر عنه في الشكل التالي (2) لدعم شبكة الطاقة الكهربائية.

الطوبولوجيا والنموذج الرياضي لـ CSI

يوضح الشكل التالي (3) (CSI) ثلاثي الطور، والذي يتكون من مجموعة من الصفيف الكهروضوئي ومحث تخزين الطاقة بوصلة (DC) ودائرة جسر كامل ثلاثية الطور ومرشح (CL)، وفي الشكل (3)، يمثل (Ldc) محث ارتباط (DC)، كما ويمثل (Rdc) المقاومة الطفيلية لمحث رابط (DC) ويمثل (C ، L) مكثف مرشح جانب التيار المتردد ومحث على التوالي.

(idc ، udc) هو (us ، ig و ug) ويمثلان التيار والجهد لوصلة (DC) والتيار والجهد من جانب العاكس والتيار والجهد على جانب الشبكة على التوالي، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن بنية التحكم في الشكل (3) هي التحكم التقليدي في الحلقة المزدوجة في الرتل المرجعي المتزامن (d -q).

وبتجاهل المقاومة الطفيلية في مرشح (CL)؛ فإنه يتم إعطاء النموذج الرياضي للنظام في الإطار المرجعي الثابت ثلاثي الطور:

حيث تشير (Qk) إلى وظيفة التبديل لكل ذراع جسر، وذلك كما هو محدد:

حيث يمثل (SUk) و (SDk) المفتاح العلوي والمفتاح السفلي في ذراع الجسر (k) على التوالي، كما أنه يتم أيضًا تحويل النتائج المستخلصة من الاستبدال المعادلة (2) إلى (1) إلى إطار مرجعي متزامن من مرحلتين، والنظر فقط في المكون الأساسي لوظيفة التبديل، ثم أن المعادلة (3) يمكن الحصول عليها من خلال:

حيث يشير الحرفان (d ، q) إلى مكونات المحور (d ، q) على التوالي وهو التردد الزاوي لجهد الشبكة، كما يشير (md ، mq) إلى مكونات (d -axis ، q -axis) للمكون الأساسي في وظيفة التبديل على التوالي، وفي الإطار المرجعي المتزامن؛ فإن جميع المتغيرات هي متغيرات التيار المستمر، وعندما يكون النظام مستقراً؛ فإن المصطلحات التفاضلية في المعادلة (3) تساوي صفراً، وفي الوقت نفسه يمكن الحصول على توجيه متجه جهد الشبكة على المحور (d) من خلال:

صعوبة (LVRT) في طوبولوجيا (CSI) التقليدية

استمد القسم الثالث مناطق عمل الحالة المستقرة لتيار رابط (DC) في (CSI) عندما يتراجع جهد الشبكة بشكل متماثل وغير متماثل على التوالي، وعلى هذا الأساس؛ سيناقش هذا القسم بشكل أكبر صعوبة تحقيق (LVRT) في طوبولوجيا (CSI) التقليدية.

وعندما يتدلى جهد الشبكة؛ فإنه يمكن أن يصف الواقع منطقة عمل الحالة المستقرة لتيار رابط (DC) في (CSI)، كما يمكن ملاحظة أن الحد الأدنى لتيار (DC-link)، بحيث سيرتفع مع انخفاض (ugm)، وعندما يتدلى جهد الشبكة إلى حد معين؛ فإن القيمة المرجعية لتيار رابط (DC) المعطاة بواسطة (MPPT)، بحيث ستكون خارج منطقة العمل ذات الحالة المستقرة، مما يؤدي إلى عدم استقرار (CSI).

من الناحية النظرية، ولتحقيق (LVRT) لـ (CSI)؛ فإنه يحتاج فقط إلى التحكم في تيار ارتباط (DC)، وذلك ليكون ضمن الحدود المشتقة، كما ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تعديل (MPPT)، ثم ستعمل الخلايا الكهروضوئية في وضع (non-MPPT)، ومع ذلك نظراً للخاصية الأصلية للخلايا الكهروضوئية، يبقى من الصعب جعل نظام (CSI) يستقر أثناء (LVRT) خاصةً عندما يتدهور جهد الشبكة بشكل خطير.

وأخيراً حللت هذه الدراسة صعوبة (LVRT) في طوبولوجيا (CSI)، كما التقليدية واقترحت طريقة جديدة للتحكم في (LVRT)، والتي تعتمد على طوبولوجيا (CSI) المحسنة، وعلى وجه التحديد عندما ينخفض جهد الشبكة بشكل خطير؛ فإن القيمة المرجعية لتيار رابط (DC) ستكون خارج الحدود المستقرة المشتقة، مما يتسبب في خروج نظام (CSI) عن السيطرة.

ومن ناحية أخرى؛ فإنه وعلى الرغم من أنه يمكن تغيير القيمة المرجعية لتيار رابط (DC) إلى حد ثابت عن طريق تعديل (MPPT)؛ فلن يتم التحكم في نظام (CSI) بسبب الخاصية الأصلية للخلايا الكهروضوئية، وذلك لحل هذه المشكلة، كما تم اقتراح طريقة تحكم جديدة تعتمد على طوبولوجيا محسنة لتحقيق (LVRT).