تأثير المولدات الكهربائية المتزامنة على التذبذبات منخفضة التردد

من خلال محاكاة ديناميكيات التشغيل للمولدات المتزامنة (SGs)؛ فإنه يمكن أن يساعد استخدام المولدات المتزامنة الافتراضية (VSGs) في التغلب على أوجه القصور في المولدات القائمة على العاكس المتمثلة في القصور الذاتي المنخفض والحد الأدنى من التخميد لتطبيقات تشكيل الشبكة، كذلك استقرار (VSGs) مهم جداً لتطبيقات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

تحليل تأثير المولدات الكهربائية المتزامنة على التذبذبات منخفضة التردد

في السنوات الأخيرة، استمر تغلغل المصادر الموزعة المتصلة بالشبكات الكهربائية باستخدام المحولات في الزيادة في أنظمة الطاقة الكهربائية، بحيث يتم توصيل هذه المولدات القائمة على العاكس (IGs) بشبكات من خلال محولات كهربائية إلكترونية، والتي لا تساهم في القصور الذاتي والتخميد كما تفعل المولدات المتزامنة التقليدية في مجال الجرح.

وبالتالي تميل إلى أن يكون لها تأثيرات سلبية على ديناميكيات واستقرار أنظمة الطاقة، ولهذا السبب؛ اقترح العلماء أجناساً متزامنة افتراضية (VSGs)، والتي تحاكي ديناميكيات التشغيل للمولدات المتزامنة (SGs)، ومع ذلك وفي محاكاة (SGs)  قامت (VSG) بحل مشاكلها مع استقرار الإشارة الصغيرة وتذبذبات التردد الكهربائي المنخفض.

نموذج الإشارة الكهربائية الصغيرة لنظام VSG-SG

يوضح الشكل التالي (1) نظرة عامة على نظام (VSG-SG) الذي تمت دراسته، كما ويظهر الشكل أسفل خط نقطة التقاطع النظام الكهربائي، حيث يتم توصيل (VSG) بالشبكة عند نقطة اقتران مشترك (PCC1) من خلال مرشح (LC)، كما يتكون هذا المرشح من مغو المرشح (Lg) ومكثف (Cg)، أيضاً يشكل (VSG) والمرشح نهاية إرسال الشبكة الكهربائية.

كذلك يتم توصيل (SG) بـ (PCC) لشبكة نهاية الاستقبال (PCC2) من خلال المحول، بحيث يمثله (RTran، LTran)، كما تتم توصيلات الشبكة الكهربائية الطرفية المرسلة والنهاية المستقبلة عبر خطين علويين (220) كيلو فولت على بُعد (220 كم)، وفي ظل ظروف التشغيل العادية؛ فإنه يولد كل من (VSG) و (SG 800) ميجاوات لتزويد حمولة (1600) ميجاوات (Rload) في الشبكة الطرفية المستقبلة.

كما يشتمل نظام التحكم الكهربائي في (VSG) والموجود فوق خط نقطة التماس في الشكل (1) على أربعة أجزاء: الحاكم والتحكم في الحلقة الخارجية والتحكم في المعاوقة الافتراضية والتحكم في الحلقة الداخلية، أيضاً يتم تقديم معادلات الحالة لشبكة نهاية الاستقبال والخط العلوي وشبكة نهاية الإرسال ونظام التحكم (VSG) بالترتيب، بحيث سيتم دمج معادلات الحالة لكل جزء لتشكيل وضع نظام (VSG-SG) للإشارة الصغيرة.

نموذج الحالة والفراغ لنظام الاستلام النهائي

بناءً على الشكل السابق (1)؛ تتكون شبكة الطرف المستقبل من (900-MVA-SG) وحمل مقداره (1600 MW)؛ فإن معادلات حالة الفراغ هي:

حيث أن:

(ωSG ،SG): هما التردد الزاوي وزاوية الطور لجهد (SG).

(TjSG): هو ثابت الوقت بالقصور الذاتي.

(PeSG): هي الطاقة الكهرومغناطيسية الناتجة لـ (SG).

(SSG): هي السعة المقدرة لـ (SG).

(f0): هو التردد الاسمي (50 هرتز).

(ω0): هو التردد الزاوي الاسمي.

(PrefSG): هو القيمة المحددة للقدرة النشطة.

(PfSG): هي قدرة تنظيم التردد الأساسي (PFR).

وبالنسبة الى نموذج حالة الفراغ للخط العلوي، تكون معطيات كلا الخطين العلويين (220) كيلو فولت هي نفسها، كما أن نموذج فراغ الحالة هو:

حيث أن:

(R1 ،L1): هما المقاومة والتحريض لكل خط علوي (220) كيلو فولت.

(uod ،uoq): هما الفولتية لـ (PCC1) في إطار (dq).

أما نموذج الحالة والفراغ لنظام الإرسال النهائي، وكما هو مبين في الشكل السابق (1)؛ فإنها تتكون شبكة الطرف المرسل من (900MVA VSG) ومرشح، بحيث يصبح النموذج كالآتي:

حيث أن (uid ،uiq ،iid ،iiq) هي الفولتية الناتجة وتيارات (VSG) في الإطار المرجعي (dq).

تحليل التذبذبات منخفضة التردد الكهربائي

استناداً إلى نموذج الإشارة الصغيرة لنظام (VSG-SG)؛ فإنه يتم عرض معلمات النظام الرئيسية في الجدول التالي (1)، وهي السعة المقدرة واستخدام الجهد لحساب القيم في (pu. 900) ميغاواط و (220) كيلوفولت، ولظروف التشغيل في (Pref = 800 MW ،ef 0 MVar لـ VSG)؛ فإنه يمكن حساب جميع القيم الذاتية للنظام، بحيث يتم أيضاً تحليل عوامل المشاركة للحصول على متغيرات الحالة الرئيسية ذات الصلة لكل قيمة ذاتية كما يتم إعطاء قيم (eigenvalues) الناتجة في الجدول (2).

وبناءً على عوامل المشاركة؛ تتوافق القيم الذاتية (λ21−22) مع وضع التذبذب منخفض التردد بين المناطق، كما يعد وضع التذبذب منخفض التردد الكهربائي أحد الأوضاع ذات نسبة التخميد الصغيرة، بحيث تركز الأقسام التالية على تأثيرات المعطيات والمتطلبات المختلفة.

• تأثير ثابت الزمن بالقصور الذاتي: تم تحديد ثوابت الوقت بالقصور الذاتي لـ (VSG) و (SG-Tjand TjSG)، بحيث يوضح الشكل التالي (2) قيم (eigenvalue) للتذبذب ذات التردد المنخفض بين المناطق (λ21−22) مع (Tj) أو (TjSG)، والتي احتاجت من (1) ثانية إلى (30) ثانية.

في الشكل (2-a)؛ فإنه يمكن أن نلاحظ أن (λ21−22) يتحرك بشكل مرتب نحو اليمين مع زيادة (Tj)، وذلك من (1) ثانية إلى (12) ثانية، مما يشير إلى أن التخميد لأنماط التذبذب منخفض التردد يتناقص بسرعة، وعندما يكون (Tj) أكبر من (12) ثانية؛ فإنه يتحرك (λ21−22) إلى اليسار لزيادة قيم (Tj) تأثير (TjSG) على (λ21−22)، بحيث يكون مشابه لتأثير (Tj)، كما ستتحرك القيم المعقدة لـ (λ21−22) أولاً نحو اليمين مع زيادة (Tj)، وثانياً تتحرك نحو اليسار عندما يكون (TjSG) أكبر من (5) ثوانٍ.

• تأثير معامل (Pfr): يتم تحديد معامل (PFR) لـ (VSG) و (SG-Kf ،KfSG)، بحيث يوضح الشكل التالي (3) مسارات القيمة الذاتية للتذبذب ذات التردد المنخفض بين المناطق (λ21−22)، وذلك مع احتياج (Kf) أو (KfSG) من (30) إلى (5)، ومن الشكل (3-a)؛ لوحظ أن (λ21−22) يتحرك بشكل مرتب نحو اليمين مع تناقص (Kf)، وهذا يشير إلى انخفاض سريع في التخميد، ومع ذلك؛ فإن (λ21−22) غير حساس للتغيرات في (KfSG)، مما يعني أن التذبذب منخفض التردد لا يتأثر بـ (KfSG).

• أسباب الاختلافات بين التذبذب منخفض التردد لكل من (Vsgs ،Sgs): بحسب القراءات في الشكلين السابقين السابق (2، 3)؛ فإن ثوابت الوقت بالقصور الذاتي لـ (VSG ،SG) لها نفس التأثير بشكل أساسي على التذبذبات منخفضة التردد، لكن تأثيرات (Kf  KfSG) مختلفة، ولفهم أسباب هذا الاختلاف تمت دراسة عوامل المشاركة لمتغيرات الحالة لوضع التذبذب منخفض التردد، كما تمثل قيم عوامل المشاركة التأثيرات من كل متغير حالة على القيمة الذاتية (λ21-22).

في النتائج، يكون وضع التذبذب منخفض التردد هو (primar-il y) المرتبط بالتردد الزاوي وزاوية الطور والقدرة الكهرومغناطيسية وقدرة [PFR (ΔPf ،ΔPfSG)]، ومن (VSG ،SG) عامل المشاركة [ΔPf (0.0634)] حوالي (4.3) أضعاف عامل المشاركة [ΔPfSG (0.0146)]، بحيث يشير هذا إلى أن وضع التذبذب منخفض التردد يتأثر بشكل أكبر بوظيفة (VSG PFR) أكثر من تأثره بـ (SG PFR)، وهذا هو السبب في أن تأثير معامل (PFR VSG) على (λ21−22) أكبر من تأثير معامل (SG PFR).

وفي النهاية يصف هذا الطرح نموذج إشارة صغيرة لنظام مترابط (VSG-SG)، والذي تم تطويره لدراسة آلية تأثير (VSG) على التذبذبات ذات التردد الكهربائي المنخفض بين المناطق، بحيث تم استخدام الأجهزة الموجودة في نظام اختبار الحلقة (RT-LAB) للتحقق من نتائج التحليل النظري.