اقرأ في هذا المقال
تحليل الوضع الانزلاقي لشبكة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة الكهربائية
تعد الطاقة الشمسية أحد موارد الطاقة المتجددة الحيوية التي يمكنها توفير الطاقة للشبكات الكهربائية بتكلفة بيئية منخفضة مقارنة بالطرق التقليدية لإنتاج الطاقة، بحيث تجعل الكفاءة المنخفضة وخصائص اللاخطية للألواح الكهروضوئية، وذلك جنباً إلى جنب مع التغيير المستمر في الإشعاعات من ضوء الشمس ودرجة الحرارة المحيطة، لذلك من المهم الحصول على عملية تتبع أقصى نقطة للطاقة (MPPT)، وهذا هو السبب في أن البحث عن طرق التحكم (MPPT) حظي باهتمام واسع من قبل العديد من الباحثين.
وغالباً ما يتم ربط وحدات الطاقة الكهروضوئية (PV) بالمحولات من أجل الحصول على أقصى قدر متاح من الطاقة، ولنقل طاقة التيار المستمر المتولدة إلى الشبكة الكهربائية؛ فإنه يمكن أن توفر المحولات العديد من أعمال التحكم جنباً إلى جنب مع أهدافها الرئيسية مثل التحكم الديناميكي في الطاقة النشطة والمتفاعلة وحقن التيار التفاعلي أثناء الأعطال.
لذك وظيفة (MPPT) هي النقطة الأساسية لأي نظام معالجة للطاقة الكهروضوئية، ولتتبع الحد الأقصى لنقطة الطاقة (MPP)؛ فإنه يتم استخدام الهيكل المتغير الذي يتم التحكم فيه عبر وضع الانزلاق (المسمى باختصار Sliding Mode Control (SMC)) في هذا العمل على محول (DC-to-DC)، أم (SMC) هي منهجية تحكم غير خطية ملائمة لهذا النوع من المحولات التي تدرك المتانة والثبات، كذلك هي منطقة بحث نشطة للغاية، وبمقارنة (SMC) بتقنيات (MPPT) الأخرى للألواح الكهروضوئية.
كما يتم تحديد (SMC) من خلال عدم اعتمادها على مجموعة (PV)، ولا يحتاج إلى ضبط دوري، وله سرعة تقارب سريعة ولديه تعقيد تنفيذ متوسط، وفي هذا البحث تم تطبيق وحدة تحكم هيكل متغير تعتمد على تقنية الوضع الانزلاقي لتتبع أقصى نقطة طاقة لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية المتصل بالشبكة.
كما يشتمل نظام الطاقة الشمسية المقترح على محولات (DC-to-DC) المعززة وسعة (DC-link) وعاكس مصدر الجهد الكهربائي ومرشح شبكي، تم التحقيق في أداء وحدة التحكم المقترحة، وعلاوة على ذلك، بحيث يتم إجراء تجارب عملية على وحدة شمسية حقيقية موصولة بجهاز كمبيوتر.
نظام الطاقة الشمسية المقترح
يتضمن نظام الطاقة الشمسية الذي يتم التحكم فيه المقترح الألواح الكهروضوئية ومحول الطاقة (DC-DC) ومكثف (DC-link) وعاكس مصدر الجهد وفلتر الشبكة الكهربائية، بحيث يتم استخدام التحكم في الهيكل المتغير المستند إلى (SMC) في محول الطاقة لتحقيق أقصى قدر من تتبع الطاقة، وذلك بالنسبة لوصلة (DC)، بحيث يتم استخدام التحكم في الجهد المعتمد على الطاقة.
وبالنسبة للعاكس؛ فإنه يتم تطبيق تعديل عرض نبض متجه الفضاء (SVPWM) مع التحكم الحالي في إطار تناوب (dq) لتجميع إشارات التبديل لترانزستورات الطاقة، كما يتم تحقيق التزامن بين جهد الشبكة وإطار الدوران عبر منهجية الحلقة المغلقة للطور (PLL)، بحيث يوضح الشكل التالي (1) مخطط الكتلة للنظام المقترح.
الألواح الشمسية: ترتبط الخلايا الكهروضوئية كهربائياً لتشكيل وحدات (ألواح-PV)، وذلك لإنشاء مجموعة توليد الطاقة، كما يتم تنسيق الألواح الكهروضوئية في مصفوفات، بحيث يعتبر الاشعاع الشمسي ودرجة حرارة الخلايا من العوامل التي تؤثر بشكل كبير على الطاقة المولدة من الألواح الشمسية، ووفقاً لهذه العوامل؛ فإنه يمكن لكل لوحة كهروضوئية أن تنتج قدراً معيناً من الجهد الذي يؤثر على الطاقة القصوى المتولدة كما هو موضح في الشكل التالي (2).
كما يتم استخدام نموذج اللوحة الكهروضوئية مع مراعاة درجة الحرارة وفقد أوم الدائرة وخصائص أشباه الموصلات وتبعيات التشعيع، بحيث يتم تمثيل الخسائر بواسطة المقاومة (Rs)، بحيث يظهر الرسم التخطيطي لدائرة وحدة اللوحة الكهروضوئية في الشكل التالي (3)، كما وتعطي معادلة الجهد الحالي لنموذج الخلية الشمسية على النحو التالي:
حيث أن:
(Isat): تيار التشبع العكسي للصفيف الكهروضوئي (للديود).
(q): شحنة الإلكترون.
(A): ثابت مثالي مفرق PN
(k): ثابت بولتزمان.
(T): درجة حرارة الصفيف الكهروضوئية.
(Upv): الجهد الناتج مجموعة (PV).
(Ig): التيار الناتج عن الضوء الساقط (يتناسب طردياً مع إشعاع الشمس G).
كما تم تصميم الخصائص الحالية المدروسة للألواح الكهروضوئية في برنامج منصة (PLECS) باستخدام جداول البحث ثلاثية الأبعاد، كما يتم اختيار عدد الألواح الكهروضوئية على أساس الطاقة والجهد المتولد المطلوبين، بحيث يظهر نموذج الألواح الكهروضوئية (PLECS) في الشكل التالي (4).
محول الطاقة (Buck-Boost): يتم استخدام محول (Buck-Boost) لنقل الطاقة من الألواح الكهروضوئية، وهو مخطط (PLECS) للمحول موضح في الشكل التالي (5) يمثل الإدخال “u” أوضاع التحويل لترانزستور المحول (SW)، كما أن هناك نوعان من طرق التشغيل، وذلك عندما تكون (u) تساوي واحداً، كما تعمل (SW) على “تشغيل” بينما (u) تساوي صفراً تشير إلى أن (SW) “متوقفة”.
كما يعمل مكثف وصلة [DC (CDC)] في أطراف المحول كمصدر طاقة للعاكس، حيث أن صيغة اختيار (CDC) هي كما يلي:
حيث أن (E) هي طاقة الحمل الكاملة للشبكة و (Vmax) هي القيمة القصوى لجهد طور الشبكة.
مصدر الجهد العاكس: يتم استخدام العاكس لتحويل طاقة التيار المستمر المخزنة في رابط التيار المستمر إلى الشبكة، كما يتم التحكم في “جهد خرج العاكس” عبر تقنية تعديل عرض النبضات الفضائية (SVPWM)، حيث تمت محاكاة عاكس مصدر الجهد (VSI) ثلاثي الطور ذو مستويين، بحيث يوضح الشكل التالي (6) مخطط دائرة (PLECS لـ VSI) مع (6 IGBTs)، كما يوضح الشكل التالي (7) مثالاً لجهد الخرج لمثل هذا العاكس.
مرشح (LC) لاتصال الشبكة الكهربائية: يتم تنفيذ مرشح (LC) منخفض التمرير لتقليل التوافقيات التي تظهر بسبب تشغيل مفاتيح الترانزستور، كما يتم وضع مرشح (LC) عند أطراف العاكس بقيم محددة مسبقاً للمحاثة والسعة المحسوبة كوظائف للقدرة المقدرة والجهد الاسمي، بحيث يوضح الشكل التالي (8) مخططاً كاملاً لدائرة الطاقة الكهروضوئية بما في ذلك المكونات المذكورة سابقاً.
وبالنسبة الى نظام مراقبة يستخدم نظام توليد الطاقة الكهروضوئية المرتبط بالشبكة العديد من وحدات التحكم، كما يتم التحكم في محول (DC-to-DC) عبر وحدة التحكم في الوضع المنزلق، كما ويتم استخدام وحدة تحكم أخرى لمستوى جهد وصلة (DC) واستخراج الطاقة، كما ويتم تنفيذ إجراءات التحكم لجهد (VSI)، كما يتم التحكم في التيار الكهربائي والطاقة في إطار (dq) المتزامن.
لذلك يتم تحقيق المزامنة بين الفولتية في الشبكة والإطار الدوار من خلال منهجية حلقة تأمين المرحلة (PLL) التي تحسب زاوية المرحلة، بحيث يتم استخدام (SVPWM)، وذلك للتعامل مع إشارات التبديل للترانزستورات العاكس باستخدام الجهد المحسوب وزاوية الطور كمراجع، بحيث يوضح الشكل التالي (9) الرسم التخطيطي لنظام التوليد الكهربائي المحاكي مع التحكم.
وأخيراً في هذا البحث، تم فحص نظام توليد الطاقة الكهروضوئية المتصل بالشبكة باستخدام التحكم في الهيكل المتغير مع وضع الانزلاق لتتبع أقصى نقطة للطاقة الكهربائية، بحيث تقدم الورقة بنية تحكم متعددة متكاملة لتدفق الطاقة في النظام. المكونات الرئيسية للنظام المقترح، وهي محول الطاقة (DC-DC) المعزز باك ومكثف (DC-link) وعاكس مصدر الجهد الكهربائي، بحيث يتم إجراء التحكم المعتمد على الطاقة لجهد مكثف رابط التيار المستمر.
