التحكم في محول التوصيل البيني في الشبكات الكهربائية

يتم التحكم في المحول المترابط في الشبكات الكهربائية الصغيرة والهجينة (AC / DC) من خلال استخدام طوبولوجيا إلكترونيات القدرة الأساسية “كمحولات واجهة” ثنائية الاتجاه في مكونات التيار المتردد والتيار المستمر، كما أنه يتم تصنيف هياكل التحكم الكهربائي المختلفة للشبكات الصغيرة الهجينة.

أهمية التحكم في محول التوصيل البيني في الشبكات الكهربائية

اكتسبت (MGs) مزيداً من الاهتمام في العقد الماضي لأنها توفر مرفقاً لاستغلال المولدات الموزعة (DG) لتلبية المعدل المتزايد للطلب على الكهرباء، ومع التحسينات في التكنولوجي؛، زادت حصة الكهرباء في الطلب العالمي على الطاقة من (17٪) في عام (2000)م إلى (22٪) في عام (2018)م، كما يقدر معدل نمو استهلاك الكهرباء بنسبة (80-90٪) في عام (2050)، وذلك مقارنة بعام (2018)م.

كما يعرض الشكل التالي (1) البيانات الإحصائية العالمية لموارد الكهرباء في (2018)م، وهناك أكثر من (78٪) من موارد الكهرباء هي الفحم والغاز والنفط التي تنتج غازات الاحتباس الحراري وتلوث الهواء، كما هو مبين في الشكل (1)، ولهذا السبب؛ فإن الاستخدام الشائع للتوجيهات الديناميكية في شبكة الطاقة له ما يبرره، بحيث يحفز المعدل المتزايد للطلب على الكهرباء وانخفاض كفاءة شبكة الطاقة المتاحة وانخفاض تكلفة تقنية (DG) مع مشكلات تنظيم غازات الاحتباس الحراري.

ومن ناحية أخرى؛ فتحت التطورات في تكنولوجيا أشباه موصلات الطاقة باباً جديداً لتطبيقات إلكترونيات القدرة في نظام الطاقة، بحيث تعمل معالجات الإشارات الرقمية في التحكم في محولات الواجهة (ICs) على تعزيز تعقيد خوارزمية التحكم عن طريق تقليل وقت المعالجة، بحيث تمكّن الدوائر المتكاملة لإلكترونيات الطاقة (MGs) من استخدام الطاقة المتقطعة المتولدة لـ (DG) والتحكم فيها، وعادةً باستخدام وحدات التخزين الموزعة المتكاملة (DS).

كذلك تتكون كل شبكة كهربائية صغيرة من (DGs) مختلفة وأحمال، والتي يتم توصيلها من خلال دوائر كهربائية متكاملة يمكن التحكم فيها، بحيث ترفع هذه المواصفات وظائف (MG) التي تعمل ككيان يمكن التحكم فيه في وضع التشغيل المرتبط بالشبكة الكهربائية أو الجزيرة، وعندما يتم توصيل (MG) بالشبكة الرئيسية؛ فإنها تعمل في الوضع المرتبط بالشبكة وعندما تعمل بشكل مستقل؛ فهي في وضع التشغيل القائم على الجزر.

مساهمة الهندسة اللاكمية في التحكم الكهربائي بالشبكات الهجينة

في معظم دراسات تحكم (BIC) يتم تقسيم (MG) الهجين إلى ثلاث مناطق، وهي (AC sub-MG) وكذلك (DC sub-MG) ونقطة اقتران مشترك (PCC) إلى الشبكة الرئيسية، بحيث يتكون (AC sub-MG) من (AC-link) و (DGs) و (DS) وأيضاً الأحمال المتصلة بوصلة (DC-link) المتصلة بـ (DGs) و (DSs) والأحمال الكهربائية من (DC sub-MG)، كما أنه يجب أن تكون الدوائر المتكاملة بين (AC) و (DC sub-MG) ثنائية الاتجاه للسماح بتدفق الطاقة في كلا الاتجاهين بين التيار المتردد والتيار المستمر.

وفي بعض الدراسات تم اقتراح ارتباط (DC) بشكل منفصل لـ (DS) (كجانب LVDS) لتوفير فاصل ارتباط (DC)، بحيث يعزز رابط (DC) الإضافي هذا استقرار الجهد الكهربائي في (MG)، كما أنه تم الإبلاغ عن هياكل واجهة مختلفة فيما يتعلق بالاتصال بين هذه الروابط الثلاثة (أو الأربعة)، بحيث تظهر الأشكال الأكثر شيوعاً لـ(AC / DC) (بين AC-link و DC-link) و (DC / DC) (بين رابطين DC) في الشكل التالي (2).

كذلك إن (BIC) يظهر بسيط وثلاثي الأطوار لكامل الجسر، وهو طوبولوجيا (AC / DC) شائعة ومعروضة في الشكل السابق، وفي بعض الدراسات؛ تمت إضافة محول دفعة باك غير مقلوب (DC / DC) لتحسين إمكانية التحكم في وصلة (DC)، ووفقاً للدراسات يتغير مستوى الجهد الكهربائي (PCC) من المستويات المتوسطة بين (1) و (35) كيلو فولت بناءً على (IEC) 60038 [17]) إلى الفولتية المنخفضة بين (100) و (1000) فولت بناءً على (IEC 60038)، والتي يساوي جهد التيار المتردد الفرعي (MG)،.

وبالنسبة إلى (PCC) مع محول طاقة متوسط ​​الجهد؛ فإن محولات الحالة الصلبة (SST) والهياكل المتتالية هي الخيارات الرئيسية للتنحي عن الجهد، بحيث يمكن إضافة محول الطاقة في (PCC) إلى الشبكة الكهربائية الرئيسية، مما يزيد من الموثوقية وتثبيط مستوى تيار التسرب ودرجة الحماية والوقاية الكهربائية  لكل من (MG) والشبكة الرئيسية من خلال العزلة الجلفانية عن بعضها البعض.

 أثر العزل الكهربائي للمحولات على تقليل تيار التسرب

يساعد توفير عزل كلفاني بواسطة محول طاقة أو محول عالي التردد على تقليل تيار التسرب المتدفق لجهود الوضع المشترك (CM)،  إلى جانب ذلك تعد (PVs) واحدة من أكثر الموارد فعالية من حيث التكلفة والأكثر انتشاراً في (MGs) ولديها مكثفات طفيلية تؤدي إلى تيار (CM)، بحيث يؤدي تيار التسرب الناتج عن جهد (CM) عالي التردد إلى فقدان طاقة عالي وانخفاض جودة تيار الشبكة والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ومشكلات أخرى تتعلق بالسلامة العامة.

وعلاوة على ذلك، وبالنسبة لتيارات التسرب الكبيرة؛ قد تتحرك (MG) الهجين بسبب التيار الأرضي أو حماية الأعطال الكهربائية، ونتيجة لذلك؛ فإن تيار التسرب هذا مستهدف للتقليل. الحلان عبارة عن محول ضخم منخفض التردد الكهربائي ومحول معقد عالي التردد معدل في (SST)، ومع ذلك؛ فإن تكلفتها وحجمها (خاصة في التطبيقات السكنية والتجارية) وكفاءتها المنخفضة (لمستوى التحول) هي الأسباب الرئيسية وراء بحث الباحثين عن حلول (BIC) الخالية من المحولات الكهربائية.

الحماية المطلوبة والآثار المترتبة على صناعة الألواح الكهروضوئية

يجب أن يكون الحل الصناعي للصفائف الكهروضوئية مزوداً بتردد خط (محول طاقة) أو محول عالي التردد في (PCC)، ونظراً لأنه يعزل مسار المكثفات الطفيلية الكهروضوئية (المكثفات الطفيلية بين الكهروضوئية والأرض)، والتي يمكن أن يتدفق من خلالها تيار التسرب، وفيما يتعلق بتقليل الجهد (CM)؛ فإنه يتم تقديم طوبولوجيا مختلفة مثل (H5 ، … H8)، وهي نقطة محايدة مثبتة (جسر كامل من ثلاثة مستويات) في الغالب إلى وضع العاكس للتطبيقات الكهروضوئية ذات المكثفات الطفيلية.

أما في الحلول المقترحة؛ فإن الهيكل الأساسي المشترك هو محول مصدر الجهد الكامل (VSC)، وبعد ذلك تمت إضافة تكوينات مختلفة من مفاتيح منع التسرب الحالية إلى جانب التيار المتردد والتيار المستمر المنفصلين خلال فترة التدوير الحر، بحيث تم تقديم اتصال الأرض الافتراضية بواسطة تطبيق (PV)،  ومع ذلك يمكن تمديد الهيكل المقترح في استخدام (MGs) الهجين أيضاً.

وفي هذه الدراسة يتم توصيل النقطة المحايدة لمرشح (LCL) بالنقطة المحايدة لمكثف (DC-link) والنقطة المحايدة لعاكس الجسر الكامل ثلاثي المراحل ثلاثي المراحل، وهذا النهج لا يغير (CM) الحالي، ومع ذلك؛ فإن توفير مسار سعوي سائد بديل للتيار (CM) يقلل من تيار (CM) عالي التردد المتدفق بواسطة المسار الأرضي، كما تتمثل العيوب الرئيسية في هذه الطريقة في مسألة الأمان وزيادة فقد الطاقة الإجمالي لأن المسار الأرضي الافتراضي يتكون من مفاتيح، كما تظهر حلول (CM) بخط متقطع في الشكل السابق (2).

وأخيراً يعد نمو (DGs) هو الدافع الرئيسي لتعزيز الشبكة التقليدية لـ (MG) والمعدل المتزايد لأحمال ومصادر التيار المستمر، بحيث كان تركيز هذه المراجعة على وظائف التحكم المختلفة لـ (BIC) في (MG) الهجين، وهي الوظيفة الأكثر دراسة، أيضاً تم تصنيف إستراتيجية تقاسم الطاقة المشتركة، والتي هي تدلى على أساس التيار المتردد أو التيار المستمر أو كلا نوعي الطاقة وتوافر نظام الاتصال وحتى التحكم المنسق.