الحماية القائمة على العاكس لشبكة Microgrid

أهمية تطبيق الحماية القائمة على العاكس لشبكة Microgrid

في السنوات الأخيرة، كانت هناك تغييرات كبيرة في أنظمة الطاقة، حيث تم استبدال مرافق التوليد المركزية بمصادر طاقة أصغر وأكثر توزيعاً (DERs)، وعلى وجه الخصوص تم دمج عدد متزايد من (DERs) في أنظمة التوزيع، كما تستخدم معظم (DERs) موارد الطاقة المتجددة مثل توليد الطاقة الكهروضوئية (PV) وتوليد توربينات الرياح والحرارة والطاقة المشتركة.

كما يمنح استخدام (DERs) العديد من المزايا مثل تقليل خسائر النقل وتحسين جودة الطاقة والتفاعل مع الطاقة النظيفة، مثل طاقة الرياح بالإضافة الى “الطاقة الشمسية”، علاوة على ذلك تعمل مجموعة الأحمال و (DERs) بأمان وكفاءة داخل شبكة توزيع محلية ولكن يمكن أيضاً تشغيلها في الوضع المحصور في منطقة صغيرة من شبكات التوزيع، وهو تكوين يُعرف باسم “الشبكة الدقيقة”.

كذلك عادةً ما تحتوي الشبكات الصغيرة القائمة على العاكس على عاكس لمصدر الجهد الكهربائي (VSI) (DERs) بشكل بيني والشبكات الدقيقة القائمة على العاكس لها خصائص مثل القصور الذاتي المنخفض وتيارات الأعطال الصغيرة، ومع ذلك؛ فإن حماية الشبكات الدقيقة القائمة على العاكس تشكل تحدياً تقنياً.

لذلك يجب أن يضمن نظام الحماية للشبكات الصغيرة القائمة على العاكس التشغيل الآمن في كل من الوضعين المتصلين بالشبكة والمستقلة والاستجابة لأعطال الشبكة والشبكات الدقيقة، بحيث يمثل الاختلاف الكبير في تيار الخطأ بين الوضعين المتصلين بالشبكة والمستقل تحديات أمام حماية الشبكة الصغيرة.

وفي وضع التشغيل المتصل بالشبكة الكهربائية، تكون تيارات خطأ الشبكة الصغيرة كبيرة، وذلك لأن شبكة المرافق تساهم في تيار الخلل، بحيث يمكن تنشيط الحماية التقليدية من التيار الزائد في هذا السيناريو، ومع ذلك في الوضع المستقل، يكون تيار الخطأ صغيراً جداً، وعادةً ما يقتصر تيار الإخراج الخاص بـ (DERs) القائم على العاكس على (1.2 p.u) من تيارها المقنن، الذي تحدده قدرة الحمل الحالية قصيرة الوقت لمفاتيح تبديل أشباه الموصلات.

كذلك سيكون مرحل التيار الزائد التقليدي غير صالح في هذه الحالة، خاصةً عند حدوث عطل في الشبكة المصغرة، كما يجب تحديد القسم المعيب وعزله حتى تتمكن الأجزاء الأخرى من الشبكة الصغيرة من توفير الطاقة الكهربائية بشكل طبيعي.

ولاحقاً تم تعيين (microgrid) كنظام توزيع ثانوي ويتم توفيره بواسطة محول تنحي، كما يمكن أن تندرج الشبكات الصغيرة في فئات تأريض مختلفة مثل الأنواع غير المؤرضة وحيدة الأرضية والمتعددة الأرضية كما يجب أيضاً مراعاة قضايا التأريض الكهربائي في نظام حماية الشبكة المصغرة.

تصنيف طرق الحماية للشبكات الصغيرة

يمكن تصنيف طرق الحماية للشبكات الصغيرة التي يهيمن عليها العاكس إلى طريقة تعتمد على ترحيل “التيار الزائد الاتجاهي” والطريقة القائمة على تتابع المسافة والطريقة القائمة على التفاضل الحالي كذلك الطريقة القائمة على الجهد والطريقة القائمة على الموجة المتنقلة والطريقة القائمة على مصدر الخطأ الحالي.

كما يقترح المهندسون مخطط حماية مزود بمرحلات التيار الزائد الاتجاهية، ومع ذلك لم يتم وصف آلية تنشيط مرحل التيار الزائد بتيار عطل صغير، لذلك تم تقييم الحماية عن بعد المقترحة مسبقاً في مغذي التوزيع الشعاعي، ومع ذلك تقل حساسية المرحل بسبب تأثير (DER).

كما تم اقتراح مخطط حماية مكون التسلسل التفاضلي القائم على الاتصال للشبكات الصغيرة المعزولة، بحيث يتم استخدام نهج استخراج البيانات لتحديد إعدادات ومعلمات الترحيل، ومع ذلك تتطلب الطريقة قناة اتصال ذات نطاق ترددي عالٍ، وذلك من خلال فترة العطل في شبكة ميكروية، بحيث يمكن للحماية القائمة على تحويل (abc dq) لأشكال موجة الجهد أن تحدد خطأ ماس كهربائي.

وبالإضافة الى ذلك تسهل التمييز بين الأعطال الموجودة داخل أو خارج منطقة محددة من الشبكة المصغرة ومع ذلك، قد لا تكون الحماية القائمة على الجهد حساسة لأخطاء الممانعة العالية (HIFs) ولذلك يوصى بها كحماية احتياطية، أيضاً تم اقتراح مخطط حماية قائم على الموجة المتنقلة، وهنا يتبنى المخطط جبهات موجية متنقلة أولية كآلية رئيسية للكشف عن الأعطال.

ومع ذلك؛ فإن طول الخط بين العقد المختلفة للشبكة الصغيرة قصير جداً، لذلك؛ فإنه من الصعب اكتشاف واجهة الموجة الأولية، كما يمكن أن يوفر مصدر التيار الخاطئ (FCS) تياراً كبيراً للخطأ في حالة حدوث عطل، كما ويضمن تشغيل مرحل التيار الكهربائي الزائد، ومع ذلك؛ فإن موثوقية وتكلفة الأجهزة تحد من كفاءة هذه الطريقة.

خصائص الأعطال للشبكات الدقيقة القائمة على العاكس

يوضح الشكل التالي هيكل الشبكة المصغرة القائمة على العاكس والتي تم النظر فيها في هذا الطرح، كذلك يوضح نموذج (microgrid)، وهو عبارة عن شبكة ميكروية متوسطة الجهد تتكون من (DERs) القائم على العاكس، وكما هو موضح في الشكل؛ فإنه يتم توصيل الشبكة الصغيرة بشبكة المرافق باستخدام محول (Δ / Y) للتنحي، وهو نظام مؤرض.

وفي الشبكة المصغرة؛ فإنه يتم توصيل مغذيتين بنقطة اقتران مشترك (PCC) عبر خط توزيع، ولكل وحدة تغذية قاطع دائرة (CB) ومحولات تيار (CT)، بحيث توجد لوحات مفاتيح (SWBs) على كل وحدة تغذية (Microgrid)، كما ويتم تثبيت (CB1-CB3) في كل SWB، لذلك يتم توصيل اثنين من (DERs) بالشبكة الصغيرة عبر واجهة إلكترونية كهربائية.

ولاحقاً يتم توصيل نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) و (PV) بشبكة الميكرو، بحيث يمكن أن تعمل (Microgrids) في وضعين، وهما أوضاع متصلة بالشبكة ومستقلة في شبكة صغيرة مؤرضة ، لذلك قد تكون هناك مسارات مختلفة لتيار العودة الأرضي في حالة حدوث عطل، وذلك نظراً لوجود نقاط مؤرضة متعددة في نظام التوزيع.

كما يمكن استخدام (CB) المثبت في نهاية وحدة التغذية ونقطة اتصال (DER) لعزل منطقة الخطأ، بحيث يمكن عزل الجزء الصحي للشبكة الدقيقة عن قسم الصدع لإزالة الخطأ، أيضاً يمكن لقاطع الربط بين المغذيتين نقل الحمل إلى وحدة التغذية الصحية في حالة حدوث خطأ.

كما يمكن لنظام حماية الواجهة الحصول على المعلومات المطلوبة من (CTs) في وحدة التغذية (1) والمغذي (2) وناقل (PCC)، كما يتم تثبيت محول واحد محتمل على ناقل (PCC)، بحيث يتم استخدام فرق الطور بين مكونات التيار المسبق والخطأ للكشف عن اتجاه الخطأ، لذلك يجمع نظام حماية وحدة (microgrid* الموضح في الشكل السابق.

كما أن المعلومات المطلوبة من مقطعي التصوير المقطعي المحوسب المثبتين في (SWB)، بحيث يقع المرحل محلياً ويمكنه اكتشاف تيار الخلل وإرسال معلومات القطبية إلى مركز التحكم بالشبكة الدقيقة، أيضاً يمكن لحماية الواجهة في ناقل (PCC) تحديد وحدة التغذية المعيبة بسرعة ويمكن لنظام حماية الوحدة في (SWB) تحديد القسم المعيب.

لذلك ستكتشف حماية الواجهة المثبتة في ناقل (PCC) مستوى الجهد كنسخة احتياطية لنظام الحماية، وذلك فقط عندما يزداد جهد التسلسل الصفري أو السالب أو ينخفض ​​الجهد ثلاثي الأطوار، بحيث سيتم إلغاء حماية الوحدة، ثم سيحدد نظام حماية الوحدة قسم الأعطال.