التشغيل والتحكم بالطاقة الكهربائية كمولد افتراضي متزامن

ضرورة التشغيل والتحكم بالطاقة الكهربائية كمولد افتراضي متزامن

يتزايد تغلغل الطاقة المتجددة (RE) في شبكة الطاقة الحديثة بسرعة، بحيث تُظهر شبكات الطاقة التي تهيمن عليها إلكترونيات القدرة قابلية عالية للتأثر بتقطع الموارد، كما تتفاقم مثل هذه المشكلات بسبب اضطرابات الشبكة مثل تضخم أو ارتخاء الجهد وتغيرات زاوية التردد أو الطور الناتجة عن مخرجات خط النقل وانقطاع المولد والأعطال الأخرى في الشبكات التي تحتوي على نسبة عالية من مصادر الطاقة المتجددة.

كما ستمتد مشكلات الاستقرار الملحوظة إلى ما هو أبعد من محول واحد أو محطة إلى مشكلات تردد واستقرار الجهد على نطاق واسع، كذلك تكون المحولات المتصلة بالشبكة مع أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESSs) التي يتم التحكم فيها كمولدات افتراضية متزامنة (VSGs) تحاكي سلوك المولدات المتزامنة التقليدية (SGs).

لذلك تم تطوير مفهوم العاكس الذي يعمل كـ (SG)، حيث تم دمج التعبيرات الرياضية التي تحدد تشغيل المولد المتزامن في وحدة التحكم في العاكس، بحيث توضح العملية التي تمت مضاهاتها كـ (VSG|) جميع الخصائص الرئيسية لـ (SG)، والتي تشمل القصور الذاتي الافتراضي ومعاملات التخميد، علاوة على ذلك يمكن تصميم هذه المعلمات بمرونة وفقًا للمتطلبات المحددة لنظام الطاقة أو حتى تغييرها بطريقة تكيفية لذلك، يمكنهم توفير وظائف مثل التخميد التذبذب والقصور الذاتي لنظام الطاقة الحديث.

وعادةً ما تتبنى أنظمة الطاقة المتجددة المتصلة بالشبكة مثل الرياح أو الطاقة الشمسية استراتيجية تحكم تيار تغذية الشبكة التقليدية، حيث أن أحد الأساليب لتمكين القصور الذاتي الافتراضي في توربينات الرياح أو الأنظمة الشمسية هو إضافة (BESS) الموضعي، كما يظهر هذا الحل الذي يشار إليه باسم “الوحدة” – (VSG) في الشكل التالي (1-A)، ومع ذلك؛ فإن هذا الحل يعني أن جميع وحدات محطة طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية يجب أن يكون لها (BESS) بشكل مستقل.

كما يمكن لأجهزة أنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS) مثل المعوضات المتزامنة الثابتة (STATCOMs) ووحدات التحكم في تدفق الطاقة الموحدة (UPFCs) أن تلعب دوراً مهمً في شبكة الطاقة الحديثة، ونظراً لمساهماتها في تعويض الطاقة التفاعلية والتحكم النشط في تدفق الطاقة الكهربائية.

بحيث يمكن تكوين كلا جهازي (FACTS) مع (BESS) على رابط التيار المستمر المشترك للسماح باستجابة مجمعة من مزرعة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح التي تحاكي استجابة (SG) كبيرة مع معطيات القصور الذاتي القابلة للبرمجة والتخميد باستمرار (يشار إليها باسم “المحطة” – VSG).

استراتيجية (UPFC-VSG) المقترحة واستراتيجية (STATCOM-VSG)

استراتيجية التحكم المقترحة من (UPFC-VSG): يظهر الشكل السابق (1-D) المقترح (UPFC-VSG) المطبق في نظام نقل القدرة (RES)، بحيث يتكون (UPFC) من محول السلسلة (SEC) ومحول التحويل (SHC) و (BESS) المتصل بناقل التيار المستمر المشترك، كما يمكن استخدام المحولات المعيارية متعددة المستويات (MMCs) في كل من (SEC) و (SHC)، وبالمثل؛ فإن (DC-DC) الذي يستخدم لدمج (BESS) في ناقل التيار المستمر يمكن أن يستخدم أيضاً هياكل معيارية.

لذلك؛ فإنه يمكن الحصول على معادلة التأرجح التقليدية بواسطة:

كما تم تنفيذ طرق (VSG) الحالية حتى الآن في المحولات الفردية، ومع ذلك؛ فإن بنية المحول المزدوج لـ (UPFC)، بحيث توفر طوبولوجيا دائرة يمكن من خلالها رؤية (SEC) و (SHC) على أنهما متصلان في سلسلة من جانب التيار المتردد، وبالتالي يتم تحديد الجهد عند (PCC1) بواسطة كلا المحولين.

كذلك يتم تحقيق التشغيل باعتباره (VSG) من خلال التحكم في زاوية الطور وسعة الجهد في (PCC1) لتتبع المراجع المقابلة لها، (θm) و (Em)، بحيث يتم تحديد إشارة التعديل الخاصة بـ (SEC) و (SHC) بواسطة زاوية الطور (θm) ومرجع سعة الجهد الكهربائي (Em) لوحدة التحكم (VSG)، حيث يظهر هيكل التحكم المقترح في الشكل التالي (2).

استراتيجية التحكم (STATCOM-VSG): كمقارنة لوحدة التحكم (UPFC-VSG) المقترحة للقسم الثاني؛ فإنه يتم أيضاً النظر في (STATCOM-VSG) مع (BESS) مركزي، بحيث ستوضح مثل هذه المقارنة القواسم المشتركة والاختلافات بين التطبيقين والفوائد التي يوفرها (UPFC-VSG)، كما يظهر تكوين (STATCOM-VSG) المكافئ بالشكل (1-C)، كما ويوضح الشكل التالي (3) هيكل التحكم للمحول، وذلك بناءً على وحدة التحكم المطورة.

في (STATCOM-VSG)؛ فإنه يتم توصيل (STATCOM) بالتوازي مع (RES)، وذلك عند نقطة واحدة من اقتران مشترك، وبالتالي فإن الجهد الكهربائي في (PCC1) و (PCC2)، بحيث يصبح متطابقاً ويساوي جهد خرج (STATCOM)، وهو مرجع الجهد المطلوب وزاوية الطور لمحطة (STATCOM)، خاصةً عند التشغيل في وضع (VSG)، كما تعطى العلاقة الرياضية من خلال:

تحليل ومقارنة بين (UPFC-VSG) و (STATCOM-VSG)

مقارنة القدرة على التعويض: نظراً لهيكل التحكم المتشابه|؛ سيعرض كل من (UPFC-VSG) و (STATCOM-VSG) خصائص ثابتة وديناميكية متطابقة، وذلك عند (Xline≫Rline)، بحيث يمكن كتابة القوة النشطة والمتفاعلة المحقونة في الشبكة بواسطة:

مقارنة اقتصادية: بالإضافة إلى الجوانب المذكورة أعلاه الموضحة في هذه الطرح؛ فإن التكاليف والاقتصاد مهمان أيضاً، لذلك من المفترض أن ثلاث طرق (VSG) (UPFC / BESS-VSG و STATCOM / BESS-VSG و BESS-VSG المركزية) يجب تكوين هامش سعة الطاقة البالغ (40) ميجا فولت أمبير لتوفير متطلبات تعويض متطابقة:

• كما تتمتع كل من المحولات التسلسلية والمتوازية لـ (UPFC-VSG) بسعة (40) ميجا فولت أمبير، كما تم اعتماد (MMC) لجهد التيار المستمر العالي (20 كيلو فولت) وجهدها (SM) يساوي (2000-V) يتم توصيل محول السلسلة بخط النقل من خلال محول أحادي الطور (3: 1)، والذي يمكن أن يعوض ما يصل إلى 30٪ من انخفاض الجهد الكهربائي.

• لذلك تم اعتماد طوبولوجيا (MMC) مع (40MVA) في (STATCOM / BESS-VSG)، بحيث تكون (SMs) للنظام هي نفسها (i).

• يعتمد (BESS-VSG) المركزي محول الجهد المنخفض (5MVA)، حيث أن هناك (8) محولات يجب تهيئتها لتحقيق نفس القدرة على التعويض.

كذلك يمكن العثور على أن كمية (IGBTs) المطلوبة من قبل (UPFC-VSG) هي مرتين من (STATCOM-VSG)، كما ورد بالفعل في الأعلى، ومع ذلك يمكن أن يوفر هذا التكوين تعويض الجهد بنسبة 30٪ لانخفاض جهد خط النقل على نطاق واسع تحت الجهد العالي والتيار العالي وظروف الشبكة الضعيفة.

وأخيراً قدم هذا الطرح (UPFC) بوظيفة (VSG)، والتي يمكن أن تعوض عن تغيرات جهد الشبكة عند نقطة الاقتران المشترك وتوفر مرجع جهد ثابت لتوصيل أنظمة الطاقة المتجددة البعيدة. تمت مقارنة (UPFC-VSG) المقترح مع (STATCOM-VSG) مكافئ، بحيث يوضح العمل المقدم في هذا الطرح أن:

• يمكن أن يعمل محول التحويل الخاص بـ (UPFC-VSG) كمصدر جهد بسعة جهد ثابتة، بينما تم تصميم محول سلسلة (UPFC-VSG) لتعويض فرق الجهد بين الشبكة و (RES).

• يمكن أن تحاكي (UPFC-VSG) المقترحة سلوك (SGs) التي توفر القصور الذاتي والتخميد أثناء اختلافات مرجع الطاقة أو اضطرابات الشبكة.

• ستؤثر اختلافات مرجع الطاقة واضطرابات الشبكة على خرج وحدة تحكم (VSG، بحيث يظهر هذا من خلال تحليل الإشارات الصغيرة لـ (UPFC-VSG) المقترح وكذلك (STATCOM-VSG).