التوازن الديناميكي لنظام تخزين الطاقة لكهربائية المعيارية

يقترح هذا البحث استراتيجية التحكم في التوازن الديناميكي لحالة الشحن (SOC) لنظام تخزين طاقة المكثف الفائق المعياري (ESS)، بحيث تأخذ الاستراتيجية معلومات (SOC) كمتغير (droop)، كما وتقدم (SOC) لكل وحدة في الحلقة المغلقة الحالية المستقلة عن طريق التحكم في نظام التدلي العكسي.

اختبار فعالية التوازن الديناميكي لنظام التخزين الكهربائي

يعتبر المكثف الفائق هو نوع من أجهزة تخزين الطاقة مع ميزات كثافة الطاقة العالية والعمر الطويل ونطاق درجة حرارة العمل الواسع، بحيث يستخدم نظام تخزين الطاقة القائم على المكثف الفائق على نطاق واسع في نظام الطاقة المتجددة ونظام النقل بالسكك الحديدية والمركبة الكهربائية، ونظراً لمستوى الجهد المنخفض، تُستخدم المكثفات الفائقة عادةً في سلسلة لتزويد تطبيقات الجهد العالي.

ومع ذلك، ونظراً لأخطاء التصنيع وعمليات الشحن والتفريغ المتكررة؛ فإن سعة المكثف الفائق ستكون غير متسقة بعد الاستخدام طويل المدى، مما سيؤدي إلى زيادة الشحن أو التفريغ الزائد للمكثفات الفائقة، لذلك يعد التحكم في توازن (SOC) أحد المشكلات الرئيسية في المعيار البيئي والاجتماعي (ESS)، وفي الوقت الحاضر، تم اقتراح العديد من استراتيجيات التوازن (SOC).

كما ويمكن تلخيص هذه الاستراتيجيات على أنها استراتيجية التوازن النشط واستراتيجية التوازن السلبي واستراتيجية التوازن المباشر، وذلك كما هو موضح في الشكل (1).

كما تحتاج استراتيجية التوازن النشط إلى نقل الطاقة من خلايا أو وحدات (SOC) العالية إلى خلايا (SOC) المنخفضة بمساعدة معدات خارجية، مثل المكثفات أو المحولات الكهربائية المعزولة، بحيث تتمتع استراتيجية التوازن القائمة على المكثفات بمزايا بنية الدائرة البسيطة والتكلفة المنخفضة، ومع ذلك؛ فإن نقل الطاقة بين الوحدات غير المجاورة سيقلل من كفاءة النظام.

ولحل هذه المشكلة، تم اقتراح تقنية توازن التبديل الناعم، لكن التحكم في دائرة التوازن الكهربائية يصبح أكثر تعقيداً، وفي المقابل يمكن لاستراتيجية التوازن باستخدام المحول المعزول تحسين كفاءة نقل الطاقة، ومع ذلك فإن متطلبات تصميم المحولات تزداد مع زيادة عدد المكثفات الفائقة، كما تستخدم استراتيجية التوازن السلبي المقاوم للطاقة أو الصمام الثنائي “الزينر دايود” لاستهلاك الطاقة الزائدة في المكثفات الفائقة (SOC).

تحقيق التوازن المشترك للدائرة الكهربائية الخاصة بـ (SOC)

على عكس الاستراتيجيات السابقة، يمكن لاستراتيجية التوازن المباشر استخدام دائرة الطاقة الرئيسية للنظام لتحقيق التحكم في توازن (SOC) في العملية الديناميكية للنظام الكهربائي، لذلك يمكن تجنب دائرة التوازن الخارجية، والتي لا يمكنها فقط تحسين موثوقية النظام، ولكن أيضاً تجنب فقد الطاقة الناتج عن دائرة التوازن.

وهناك طريق يسمى توليف التحكم في جهد ناقل التيار المستمر والتحكم في توازن (SOC) في نظام تحكم واحد، واستخدم متوسط (​​SOC) للتحكم في كل وحدة فرعية، بحيث تم اقتراح استراتيجية منفصلة للتحكم في التوازن الديناميكي، كما يتم تراكب حلقة التحكم (SOC) المنفصلة مع الحلقة الحالية لتحقيق التحكم في توازن (SOC) أثناء العملية الديناميكية للنظام.

بالإضافة إلى ذلك، تم أيضاً دراسة التحكم التنبئي النموذجي والطوبولوجيا المتتالية الجديدة، بحيث تحتاج استراتيجيات توازن (SOC) المباشرة هذه إلى مشاركة معلومات (SOC) مع الآخرين عبر خطوط الاتصال، ومع ذلك يؤدي الاتصال بين الوحدات الفرعية إلى زيادة تعقيد التحكم في النظام مع زيادة عدد الوحدات الفرعية، وفي الوقت نفسه ستؤدي الكمية الكبيرة من بيانات الاتصال إلى زيادة العبء الحسابي للنظام وأي فشل في الوحدة الفرعية سيؤثر على نظام التشغيل العادي.

آلية بناء حلقات خاصة للتحكم المتوازن في (SOC)

لاحقاً تم بناء حلقات مغلقة مستقلة للتحكم المتوازن (SOC) للوحدات الفرعية، وذلك من خلال تطبيق التحكم التقليدي المتدلي على الحلقة الحالية للوحدة الفرعية لتحقيق التحكم في توازن الطاقة، ومع ذلك لم يتم دراسة التحيز الناتج عن التحكم في التدلي في هذه الدراسة، وهناك مُقترح لاستراتيجية التحكم في توازن (SOC) بناءً على ناقل توازن مشترك، والذي يمكن أن يقلل بيانات الاتصال ويحسن نمطية النظام.

ومع ذلك؛ فإن تغيير دائرة أجهزة النظام يجلب بعض العيوب، وهي:

• يجعل ناقل التوازن والمحولات الرقمية إلى التناظرية (DACs) تصميم النظام أكثر تعقيداً، مما لا يزيد تكلفة النظام فحسب؛ بل يعزز أيضاً المخاطر المحتملة للنظام بشكل كبير.

• تتأثر إشارة الجهد في ناقل التوازن الطويل بسهولة بالبيئة الكهرومغناطيسية الخارجية في أنظمة الطاقة العالية، ومن ثم تؤثر على أداء التحكم في النظام.

• يجعل ناقل التوازن من المستحيل على كل وحدة فرعية تحقيق العزل الكهربائي، بحيث سيتم نقل العطل الكهربائي لأي وحدة فرعية إلى وحدة فرعية أخرى من خلال ناقل التوازن، كما يعد هذا عيباً فادحاً للنظام المعياري لتحقيق التحكم في العزل الكهربائي لكل وحدة فرعية.

• لا تزال كل وحدة فرعية غير قادرة على تحقيق تحكم مستقل تماماً، ولا يزال هناك مجال لمزيد من التحسين لوحدات النظام، وباختصار؛ فإن الطريقة المقترحة ليست بمثابة مخطط ثابت للتحكم في توازن (SOC) الأمثل لـ (ESS) المعياري.

المفهوم الأساسي وراء استراتيجية التوازن الكهربائي المقترح

مبدأ تشغيل نظام تخزين الطاقة المعياري

يوضح الشكل التالي (2) التخطيطي للمكثف الفائق لـ (ESS) بناءً على المحول المعياري متعدد المستويات [DC / DC (MMDDC)]، بحيث يتكون المحول من وحدات فرعية متعددة (i = 1 ، 2،3 … n)، كما تحتل كل وحدة مكثف فائق (SCM) وحدة فرعية واحدة. في الشكل (2)، بحيث يمثل (udc) جهد ناقل التيار المستمر ويمثل (L) محاثة النظام، كما ويمثل (RL) مقاومة مكافئ المحاثة ويمثل (Cdc) مكثف المرشح لـ (ESS)، وأخيراً يشكل (iL) تيار النظام.

المكثف الفائق (ESS) يستخدم للحفاظ على جهد ناقل التيار المستمر عندما تكون الطاقة على الشبكة غير متوازنة، وعندما تتجاوز طاقة التحميل طاقة إدخال ناقل التيار المستمر؛ يقوم نظام (ESS) بإطلاق الطاقة المخزنة لمنع انخفاض جهد الناقل.

تقدير وحدة مكثف فائقة (SOC)

يظهر نموذج الدائرة المبسط لـ (SCM) في الشكل التالي، والذي يمكن استخدامه لتحليل الخصائص الديناميكية لـ (SCM)، كما تمثل (Ckj) سعة خلية المكثف الفائق (j th) في الوحدة رقم [(i (k ، j = 1،2،3 … n- Rkj]، وهي المقاومة المكافئة لخلية المكثف الفائق، وعندما يتم توصيل عدة خلايا فائقة المكثف في سلسلة؛ فإنه يمكن التعبير عن السعة المكافئة والمقاومة المكافئة كـ (Csci) و (Rsci)، لذلك؛ فإن (usci) يمثل جهد (Csci).

المبدأ الأساسي لاستراتيجية التوازن المقترحة

تم اعتماد التحكم في تحويل الطور بواسطة (MMDDC)، وذلك لتحسين تردد تموج تيار النظام ،ووفقاً للتحليل المقدم؛ فإنه يمكن الحصول على العلاقة بين (iL) ومتوسط التيار المتدفق عبر (SCM ia_sci)، حيث تمثل (di) نسبة واجب الوحدة الفرعية التعسفية.

يقترح هذا البحث استراتيجية ديناميكية للتحكم في توازن (SOC) للمكثف الفائق المعياري (ESS)، بحيث يتم استخدام (SOC) كمتغير (droop) في الاستراتيجية المقترحة لإعادة تصميم الحلقة الحالية المستقلة لكل وحدة فرعية، بحيث يمكن للوحدات الفرعية أن تعمل بخاصية (droop)، وبالتالي يتم تحقيق التحكم في توازن (SOC) في العملية الديناميكية للنظام وتقليل بيانات الاتصال للتحكم في النظام الكهربائي.