التحكم عالي الأداء بالعاكس الكهربائي الذكي أحادي الطور

من المطلوب أن يكون التحكم في التوليد الموزع (DG) مرن وموثوق به للغاية للاتصال بالشبكة بكفاءة، بحيث تلعب المفاتيح الذكية دوراً رئيسياً في التحكم في (DG) ودمجها في شبكة الطاقة وتوفير وظائف متقدمة، وفي هذا البحث، تم تصميم عاكس ذكي أحادي الطور قائم على الطاقة (SPV-SSI) بقدرة (5) كيلو فولت أمبير وتحليله بالتفصيل.

الغاية من التحكم عالي الأداء بالعاكس الكهربائي

يؤدي تراجع موارد الوقود الأحفوري والمشاكل البيئية العالمية إلى تعميق الحاجة الملحة للانتقال في اتجاه موارد الطاقة المستدامة، وفي العقود القليلة الماضية يزدهر تركيب الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) بمعدل سريع بين مختلف مصادر الطاقة المتجددة (RESs)، ونتيجة لذلك تقترب قدرة التركيب العالمية لـ (SPV) من (405) جيجاوات.

كما تبيّن أنه في عام (2020)م قد تجاوزت قدرة تركيب الكهروضوئية (772 جيجاوات) طاقة الرياح (735 جيجاوات)، وفي الآونة الأخيرة تمت إضافة وظائف الشبكة المتقدمة (AGFs) إلى معيار وحدات التوليد الموزعة (DGUs) التي يتم توصيلها بشبكة الطاقة بسبب تقدم اختراق (DG).

كما أن الهدف من هذه الوظائف هو دعم شبكة الطاقة أثناء التقلبات والأعطال، وهناك بعض الأمثلة على (AGFs) التي يتوقعها المعيار المعدل هي توليد الطاقة التفاعلية وركوب الجهد المنخفض أو العالي من خلال القدرة المنخفضة أو العالية للتردد الكهربائي من خلال القدرة، لذلك تلعب العواكس الذكية (SIs) دوراً رئيسياً في التحكم ودمج (DG) في شبكة الطاقة.

وبصرف النظر عن وظيفتها الرئيسية المتمثلة في تحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة التيار المتردد؛ فإن لديها وظائف متعددة بما في ذلك التحكم في التردد الكهربائي وحدوث الأعطال والتحكم في معدل المنحدر والتحكم الفعال في الطاقة والتحكم في عامل الطاقة وتنظيم الجهد، وما إلى ذلك، أما  حالياً تُظهر البلدان المختلفة التوزيع الحقيقي وأنظمة الإرسال لتحفيز نشرها السريع.

ظهور الحاجة الى العواكس الكهربائية أحادية الطور

تُستخدم (SIs) للجهد أحادي الطور (SPV-SIs) على نطاق واسع في (DGU)، ونظراً لميزاتها الواعدة لكفاءة تدفق الطاقة ثنائية الاتجاه والمركبات التوافقية منخفضة التيار وعامل الطاقة العالية لحقن الطاقة المتولدة بكفاءة من الكهروضوئية؛ فقد ركزت العديد من الأبحاث على محولات مرتبطة بالشبكة الكهربائية، بحيث تشمل الموضوعات تصميم وحدة التحكم واستراتيجيات التحكم وطوبولوجيا العاكس.

كما يتم فحص وحدات التحكم المختلفة من أجل التحكم في أداء الحالة العابرة والحالة المستقرة للوحدات الكهروضوئية المتصلة بالشبكة، أي وحدة التحكم في الوضع المنزلق (SMC)، وكذلك وحدة التحكم في الرنين النسبي (PR)، بالإضافة الى وحدة التحكم في النبضات ووحدة تحكم التباطؤ، وحدة تحكم متكررة، وحدة تحكم جهد الشبكة القائمة على التغذية النسبية المتكاملة.

النمذجة الرياضية الخاصة بالعواكس الكهربائية أحادية الطور

تنفيذ (Dq) العاكس أحادي الطور

تم تصميم عنصر التحكم في الإطار المرجعي المتناوب (dq)، بحيث يتم إنشاء مكونين متعامدين مع محور (q) افتراضي من كميات أحادية الطور، كما يتم استخدام طريقتين للحصول على المكون الظاهري، أي تأخير المكون الحقيقي بمقدار (1/4) من الفترة الخاصة به أو اشتقاق الإشارة الأساسية، كما أنه يتم تقديم طريقة المشتق.

يتم تقديم إشارة الخرج المطلوبة للعاكس على النحو التالي:

حيث أن: 

(xα): هي إشارة الخرج المطلوبة للعاكس.

(Aα): هو سعة الإشارة.

(ω): هو التردد الأساسي لجهد الخرج.

(ϕ): هي زاوية المرحلة للنظام الأولي.

حيث أن (xβ) هي المشتق الأول لمعادلة المخرجات و (x) هو المتغير (التيار أو الجهد).

حيث أن (Aβ) هي سعة النظام التخيلي، وذلك بعد أخذ مشتقة [xa (t)]، بحيث يصبح (Aß) على النحو التالي:

في هذا البحث، يتم استخدام تأخير المكون الحقيقي بمقدار (1/4) من مدته الخاصة من أجل الحصول على النظام التخيلي، كما يظهر الشكل التالي (1) [T / 4] هيكل (PLL) أحادي الطور على أساس التأخير، حيث (Vα ،Vβ ،∇d ،Vq) هي جهد محاور كل من (α ،β ،d ،q) على التوالي و (ω0) هو التردد الأساسي الأولي لجهد الخرج، وبالنسبة إلى تحويل (αβ → dq)، كما يتم استخدام المعادلة على النحو التالي:

حلقات التحكم في الجهد والتيار

يعمل العاكس في حلقة التحكم في الجهد وحلقة التحكم الحالية، بحيث يتم عرض هيكل التحكم في التيار والجهد المصمم في الشكل التالي (2)، وهي حلقة التحكم في الجهد مخصصة لعاكس مستقل وحلقة التحكم الحالية لعاكس متصل بالشبكة الكهربائية.

حيث أن:

(Aref): هو السعة الجيبية.

(ϕref): هي مراجع زاوية الطور.

(D ، Q): هما القيمتان المناظرتان للمحور (d) والمحور (q) على التوالي.

كما تم ضبط (Vdref) ليكون (1) وتعيين (Vqref) ليكون (0) كجهد مرجعي، بحيث يتم حساب المراجع الحالية (Idref ، Iqref) من القوة المرجعية النشطة والمتفاعلة، أي (Pref ،Qref) باستخدام الحلقة الحالية، كما تتم مقارنة التيارات المحسوبة بتيارات خط الإخراج التي تم تحويلها مسبقاً إلى إطار مرجعي (dq) من خلال تطبيق وحدة تحكم (PI)، بحيث يتم تقليل الخطأ إلى الحد الأدنى من أجل إنشاء المرجع الجيبي المطلوب لمغير (SPWM).

حيث أن: 

(AIref): هو السعة الحالية المرجعية.

(Iref): هي القيمة الجيبية للتيار الكهربائي المرجعي.

(ϕIref): هي زاوية المرحلة للتيار المرجعي.

(PPU ، QPU): هما المكونان النشط والمتفاعل للطاقة على التوالي.

(V2PU): هو جهد الحمل المحلي من (PLL) للجهد (V2PU)، بحيث يتم الحصول على الزاوية (ωt) عند خرج مرشح (LCL).

وصف النظام الكهربائي والوظائف الذكية

تبلغ قدرة (SPV-SSI) حوالي (5) كيلو فولت أمبير وجهد التشغيل (120) فولت وتردد (60) هرتز، بحيث يتم سرد جميع المتطلبات الاسمية في الجدول الأول، كما يعمل العاكس في حلقات تحكم مزدوجة ويظهر النموذج المقترح لـ (SPV-SSI) في الشكل  التالي (3)، بحيث تُستخدم حلقة التحكم في الجهد للتشغيل المستقل ويتم استخدام حلقة التحكم الحالية للتشغيل المتصل بالشبكة الكهربائية.

كما يتم استخدام إطار (dq) مع محور (q) بشكل افتراضي لتنفيذ عنصر التحكم بالكامل، بحيث يتم توفير معلومات المرحلة إلى حلقات التحكم بواسطة (PLL)، كما يتم استخدام أربعة وحدات تحكم (PI) للجهد ووحدات التحكم الحالية، أي جهازي تحكم (PI) لـ (Vd ،Vq) واثنان لـ (Id ،Iq)، كما يتم توفير المدخلات إلى العاكس من خلال الألواح الكهروضوئية بجهد مقدر قدره (192) فولت وبجهد ثابت يبلغ (350) فولت، وذلك كما هو معروض في الشكل السابق (3).

في هذا البحث، تم بنجاح تصميم (5) كيلو فولت أمبير (SPV-SSI)، والقائم على الطاقة وتحليله والتحقق من صحته، بحيث لا يقوم العاكس المصمم بحقن الطاقة النشطة والمتفاعلة فحسب؛ بل يوفر أيضاً دعماً للجهد في (PCC) أثناء ارتخاء أو تضخم الجهد الكهربائي، بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يخزن أيضاً فائض الطاقة في بنك بطاريات الرصاص الحمضية ويقرر بكفاءة ما إذا كان سيتم بيع أو شراء الطاقة من أو إلى الشبكة بناءً على المعلومات في الوقت الفعلي من خلال القياس المتقدم.