تأثير التوليد الكهربائي على تخميد الترددات الكهروميكانيكية

لفهم الاستجابة الديناميكية لنظام الطاقة المتكامل الكهروضوئي (PV) للتخميد التذبذبات الكهروميكانيكية عمليا، أولاً تطور هذه الدراسة النموذج الخطي الرياضي لنظام ناقل لا نهائي لآلة واحدة مدمج بواسطة العاكس المرتبط بالشبكة الكهروضوئية تحت مقياس الوقت الكهروميكانيكي.

أثر التوليد الكهربائي على تخميد الترددات الكهروميكانيكية

تعتبر الترددات الكهروميكانيكية منخفضة التردد الكهربائي، عادةً (0.1 – 2.5 هرتز)، حيث أن أحد العوامل الرئيسية المقيدة في نقل الطاقة النشط عبر خطوط النقل الطويلة، وغالباً ما تطلق مرحلات حماية التردد ذات الصلة، مما يؤثر سلبًا على استقرار نظام الطاقة، وتحقيقا لهذه الغاية طورت الأعمال السابقة تدابير مختلفة لتخميد التذبذب الكهروميكانيكي.

أما تقليدياً؛ فإن مثبت نظام الطاقة (PSS) المدمج مع المولد المتزامن (SG) هو عادة الإجراء الأكثر شيوعاً لتخميد التذبذب، والذي رغم ذلك لا يمكن أن يتكيف بشكل جيد مع تغير حالة التشغيل بين (SG) وشبكة الطاقة، بحيث تُستخدم أجهزة نظام نقل التيار المتردد المرن (FACTS) لتقديم دعم إضافي لتأثير التخميد من خلال التحكم في خرج الطاقة التفاعلية للعاكس المرتبط بالشبكة الكهربائية.

كما أنه يُطلق عليه وضع التحكم (Q)، على سبيل المثال معوضات نجح ثابت (SVC) على معوضات ثابتة متزامنة (STATCOM)، كما أن معوضات سلسلة متحكم فيها الثايرستور (TCSC) ومعوضات ثابتة قابلة للتحويل (CSC)، بحيث تؤثر الحلول المذكورة أعلاه بشكل أساسي على جهد الشبكة لتغيير نظام توزيع الطاقة للتخميد التذبذب غير مباشر.

كما تم أيضاً تطوير نظام تخزين الطاقة (ESS) المجهز بوحدات تحكم التخميد للتذبذب لتعزيز استقرار نظام الطاقة، والذي يمكن أن يعزز مستوى التخميد التذبذب للنظام أكثر من وضع التحكم (P) أو (Q) فقط عن طريق التحكم في خرج الطاقة النشط والمتفاعل في وقت واحد، على سبيل المثال وضع التحكم P & Q). ومع ذلك؛ فإن التكلفة العالية لأجهزة البطارية تحد من تركيبها وتشغيلها على نطاق واسع، وبشكل مشابه وبالنسبة لتخميد التذبذب الداخلي، تم تطوير وضع تعديل الطاقة لتوليد الرياح باستخدام (P & Q -control).

ترددات التخميد الخاصة بالأنظمة الكهروضوئية

نموذج لنظام الطاقة المتكامل

تلعب الأجهزة الكهرومغناطيسية التي يهيمن عليها (SG) دوراً مهماً في توليد الطاقة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1) لإثبات خصائص القصور الذاتي والمزامنة والتخميد بشكل فعال وإيجاز لنظام الطاقة المتكامل بواسطة نظام توليد الطاقة الكهروضوئية، كما يتم أخذ نظام (SMIB) المكون من (SG) و (PV) وعاكس متصل بالشبكة (DC / AC) كمثال محدد في هذه الدراسة، وذلك لشرح آلية التفاعل الديناميكي بين (SG) والعاكس الكهروضوئي والشبكة اللانهائية.

في الشكل السابق (Pm ، Pe) هي طاقة الإدخال الميكانيكية والقوة الكهرومغناطيسية على التوالي، كما أن (P ، Q) هي طاقة خرج العاكس النشطة والمتفاعلة التي يتم حقنها في الشبكة، كما تمثل (δ ، f) زاوية القدرة (SG) وتردد الشبكة الكهربائية على التوالي، وتمثل (0 ، f) قيمة الحالة المستقرة، كذلك تمثل (E ، U  V  Z1 ، Z2 ، Z0).

وعلى التوالي؛ فإن متجه الجهد ومفاعلة الخط المكافئ يكون بين ([i) SG ، ii)] والشبكة اللانهائية، iii) والعاكس المرتبط بالشبكة الكهروضوئية ونقطة اقتران مشترك مع (PCC)، لذلك (Vabc ، Iabc) هما جهد الخرج والتيار لـ (PCC) على التوالي، أما المعرف و (Iq) هما تيار الخرج النشط والمتفاعل للعاكس في إطار (dq) على التوالي، (I d ، I q) يمثلان مرجعهما الحالي على التوالي، وأخيراً (Id0 ، Iq0) هما العاكس النشط والتفاعلي لتيار الخرج المستقر.

أيضاً تعكس التذبذبات الكهروميكانيكية الناتجة عن التأرجح النسبي لدوار المولد عملية تبادل الطاقة الحركية للدوار وتحويل الطاقة الكهروميكانيكية للنظام، بما في ذلك وعلى سبيل المثال لا الحصر؛ التردد المنخفض للغاية والتردد المنخفض الاعتيادي والتذبذبات الفرعية المتزامنة، كما تعتبر القوة النشطة غير المتوازنة للشبكة بمثابة القوة الدافعة الذاتية للتذبذب الكهروميكانيكي لنظام الطاقة الذي يهيمن عليه (SG).

طريقة تحليل عزم الدوران الكهربائي

تم استخدام طريقة تحليل عزم الدوران الكهربائي في هذه الدراسة، وذلك لتحليل كيفية تأثير نظام توليد الطاقة الكهروضوئية على الخصائص الديناميكية لنظام الطاقة الذي يهيمن عليه (SG) من منظور الآلية الفيزيائية، وأثناء العملية الديناميكية لتردد الشبكة، وبافتراض أن طاقة الإدخال الميكانيكي (Pm) ثابتة وخطية، كما يمكن استخدام المعادلة الديناميكية القياسية لوصف العملية الديناميكية لتردد الشبكة الكهربائية.

وفي طريقة تحليل عزم الدوران الكهربائي الكلاسيكية؛ فإنه يمكن وصف العملية الديناميكية لتردد الشبكة وزاوية الطاقة على أنها:

حيث تمثل (TJ ، TD ، TS) المعامل المكافئ للقصور الذاتي والتخميد والتزامن لدوار المولد في ظل ظروف عابرة على التوالي، والتي يتم تحليلها على النحو التالي:

• عكس معامل القصور الذاتي (TJ: TJ): تأثير القصور الذاتي لنظام الطاقة الذي يهيمن عليه (SG) ويحدد معدل تغير التردد (RoCoF)، ومع زيادة (TJ)، بحيث يمكن قمع (RoCoF)، وبشكل أكبر لتجنب التعب الميكانيكي للعضو الدوار.

• معامل التخميد (TD): يمكن تقليل انحراف التردد (Δf)، وبشكل أكبر مع زيادة (TD)، مما يؤدي إلى سعة التذبذب الأصغر وسرعة الاسترداد الأسرع لدوار المولد الكهربائي.

• معامل التزامن (TS): سيتم تحسين استقرار تزامن نظام الطاقة مع زيادة (TS)، وبالتالي تغيير تردد تذبذب دوار المولد والمساهمة في تردد الشبكة الأكثر قوة.

كيفية التحكم في قدرة توليد الطاقة الكهروضوئية

لتوفير دعم الطاقة الديناميكي لقمع الطاقة غير المتوازن؛ فإنه يمكن أن يعمل العاكس المرتبط بالشبكة الكهروضوئية في وضع التحكم في الطاقة المتغيرة، على سبيل المثال، (P أو Q -control) مع انحراف الطاقة الناتجة عن الطاقة الثابتة (P0)، بحيث تم وصف نظام توليد الطاقة الكهروضوئية المرتبط بالشبكة في الشكل التالي (3).

ولإظهار وضع التحكم في طاقة الخرج، حيث يمثل (Cdc ، Udc) مكثف جانب التيار المستمر والجهد  على التوالي، أما (X) هو الحث المكافئ لـ (Z0) في الشكل السابق (1)، وفي الحالات العامة لنمذجة العاكس المرتبط بالشبكة في إطار (dq)، عادةً ما يتم محاذاة المحور (d) مع جهد (PCC V) أي (Vq = 0).

وبالتالي؛ فإنه يمكن الحصول على طاقة خرج العاكس كـ:

يتضح من العلاقة السابقة؛ أنه يمكن ملاحظة أنه يمكن ضبط طاقة الخرج الكهروضوئية (PPV) عن طريق تغيير الطاقة المتحكم فيها (P) (أي المعرف)، وذلك كما هو مبين في الشكل السابق (1)، وعادة ما يتم اختيار زاوية القدرة (δ) (الطاقة) أو تردد الشبكة (f) كإشارة تغذية مرتدة لأنماط التحكم في القدرة المتغيرة للعاكس لتهدئة التذبذب الكهروميكانيكي.

وبالنهاية لإثبات آلية التذبذب الكهروميكانيكي للتخميد الكهروضوئي، طورت هذه الدراسة النموذج الرياضي الخطي لنظام (SMIB) المتكامل بواسطة العاكس الكهروضوئي تحت مقياس الوقت الكهروميكانيكي، بحيث يكشف النموذج المقترح بوضوح عن العلاقة بين القدرة النشطة أو التفاعلية، والتي يتم التحكم فيها بواسطة العاكس في الشبكة وقدرة تزامن النظام والقصور الذاتي ومستوى التخميد.