تحسين أداء مولدات الرياح المتصلة بالشبكة الكهربائية

أهمية تحسين أداء مولدات الرياح المتصلة بالشبكة الكهربائية

على مدى العقود الماضية، ولدت العديد من تقنيات الطاقة المتجددة، بما في ذلك طاقة الرياح والطاقة الشمسية والأمواج والمد والجزر والطاقة الحرارية الأرضية اهتماماً كبيراً في جميع أنحاء العالم بسبب العديد من العوامل الاستراتيجية، بما في ذلك استنفاد الوقود الأحفوري والاحتباس الحراري والمسائل السياسية والميل إلى العيش في بيئة صحية.

ونظراً لقدرتها الهائلة على توليد الطاقة مع الحد الأدنى من النفقات والحد الأدنى من تأثير المناخ؛ فإن طاقة الرياح لديها إمكانات هائلة للقيام بدور حيوي في أنظمة الطاقة الكهربائية الحديثة، وعلى الصعيد العالمي، حققت طاقة الرياح المركبة (591) جيجاوات في (2018م)، وهو ما يمثل زيادة بنسبة (9.6٪) مقارنة بإحصاءات عام (2017م).

ووفقاً للسجلات الحديثة، من المتوقع أن تصل طاقة الرياح المركبة إلى (917) جيجاوات في جميع أنحاء العالم بحلول عام (2030م)، وذلك مع تغلغل محطات طاقة الرياح على نطاق واسع في نظام الطاقة المثير، كما تم إطلاق مشاكل مختلفة، والتي يجب معالجتها وفحصها وحلها، لذلك لا غنى عن استكشاف السلوكيات العابرة والديناميكية لـ (WTGS) المترابطة بالشبكة الكهربائية لتحسين أدائها.

وفي الوقت الحاضر، أصبحت تقنيات (VS-WTGS) أكثر جدارة بالثقة في قطاع توليد الرياح، كما يرجع هذا الاهتمام الكبير إلى ميزاتها المميزة، مثل التقاط طاقة أعلى وتموج كميات أقل ودرجة عالية من التحكم في السرعة الثابتة، كما يمكن الحصول تجارياً على فئات مختلفة من (VS-WTGS) القائمة على المولدات الكهربائية في سوق طاقة الرياح.

كما يتكون (SRG) من قلب مغناطيسي وملفات، والتي لها هيكل بسيط وقوي، ومع ذلك؛ فإنه يتطلب دائرة إثارة ومستشعر موضع، مما يؤدي إلى دائرة معقدة، كما تتميز (SEIG) ببنيتها الخالية من الفرشاة والتشغيل البسيط والسلوك الديناميكي الجيد، لكنها تعاني من الصيانة الدورية لعلبة التروس والتكلفة العالية لبنك المكثف المطلوب للإثارة.

إلى جانب ذلك؛ فإن (SEIG) لديها لوائح ضعيفة للجهد والتردد الكهربائي، حيث تعتمد على سعة الإثارة وسرعة المحرك الرئيسي، علاوة على ذلك يتم استخدام (DFIG) على نطاق واسع في (WTGS) على نطاق واسع نظراً لانخفاض تكاليف المحول وفقدان الطاقة المنخفض، ومع ذلك؛ فإن عيوبها هي نطاق السرعة المحدود والصيانة الدورية لعلبة التروس وحلقات الانزلاق، ومن ناحية أخرى؛ فإن (PMSG) هي أكثر التقنيات فعالية وتفضيلاً المطبقة.

نموذج النظام الخاص بتحسين أداء مولدات الرياح

يصور الشكل التالي (1) نمذجة النظام قيد الدراسة، والذي تم تقديمه لتوضيح مدى جدارة وحدات تحكم (PI) المضبوطة ذاتياً المستخدمة في التحكم في (VSCs) لشبكة (VS-WTGS) المرتبطة بالشبكة، وفي هذا الصدد، كما يتكون هذا النظام بشكل أساسي من (VSWT) و (PMSG) و (FC) ومكثف (dc-link) ومحول ثلاثي الطور ودائرتين من خطوط النقل.

وفي هذه الدراسة، تم ذكر معلمات نظام (VSWT) القائم على (PMSG) في الجدول التالي (1)، كما تم ضبط قوة النظام الأساسية على (5.0) ميجا فولت أمبير، بحيث يتم وصف هيكل (VS-WTGS) المرتبط بالشبكة بإيجاز على النحو التالي:

نموذج (WT): يتم إعطاء (Pω) المأخوذ من (WT) على النحو التالي:

كما يتم التعبير عن معادلة الإنتاج الأنظف بما يلي:

كما تم توضيح خصائص (VSWT) المستخدمة في هذا التحقيق في الشكل التالي (2)، بما في ذلك مسار القدرة القصوى، ونظراً لأنه من الصعب التعرف على التسجيل العملي الدقيق لسرعة الرياح؛ فمن الأفضل الحصول على الطاقة المثلى، (Popt) من حيث (ωr) على النحو التالي:

نموذج المولد الكهربائي: يتم التعبير عن الفولتية النهائية لـ (PMSG) بكميات (dq)، وذلك باستخدام الصيغ التالية:

كما يمكن كتابة عزم الدوران المطور على النحو التالي:

استراتيجية التحكم الكهربائي FC

يعتمد مفهوم تقنية (VSWT) ذات الدفع المباشر على أساس (PMSG) بشكل أساسي، وذلك على استخدام (FC)، كما يتكون (FC) كامل السعة من (MSC) ومكثف ناقل الحركة (DC) و (GSI)، بحيث يتم توضيح استراتيجية التحكم (FC) باستخدام وحدات تحكم (PI) ذاتية الضبط القائمة على خوارزمية (IMSAF).

محول جانب الآلة (MSC): تستحق (MSC) تحقيق أقصى قوة من (WT)، بحيث يتم تطبيق (CCS)​​المعروفة والموضحة في الشكل التالي (3-a)، وعلى (MSC)، كذلك (MSC) مرتبط مباشرة بالمولد الكهربائي، لذلك يمكن ضبط الطاقة النشطة (PMSG)، كما تتحقق القدرة الحقيقية المرجعية (Popt) باستخدام نهج تتبع نقطة الطاقة القصوى.

ومن ناحية أخرى، يضبط المعرف قدرته التفاعلية وقيمته المرجعية (Q ∗ PMSG) تساوي صفراً لأداء عملية طاقة الوحدة في ظل ظروف الحالة المستقرة في محطات (PMSG)، بحيث لاحظ أنه يتم تطبيق أربعة وحدات تحكم (PI) ذاتية الضبط أو قابلة للتكيف على هذا العمل تحت الهيكل المتتالي، كما يتم استخدام وحدات التحكم (PI-1 ، PI-3) المضبوطة ذاتياً لضبط القوى التفاعلية والنشطة في الحلقات الخارجية، مما يؤدي إلى توليد تيارات نقطة ضبط (dq  I ∗ d  I q).

وبمعنى آخر، يتم استخدام (PI-2 ، PI-4) المضبوطين ذاتياً لضبط تيارات المحاور (dq) في الحلقات الداخلية وتوليد إشارات جهد نقطة الضبط (V d ، Vq)، وبعد ذلك يتم تحويل هذه الإشارات إلى إشاراتها (abc ، V a b ، c)، وباستخدام (θr) الذي يتحقق من (ωr)، كما تتم مقارنة إشارات (V ∗ a و b و c) بإشارة حاملة ذات شكل مثلث ويساوي ترددها (1.0) كيلو هرتز لإنتاج إشارات التبديل لمفاتيح (IGBT) لمثل هذا (MSC).

عاكس جانب الشبكة (GSI): يتم استخدام (GSI)، وهو في الأساس عبارة عن عاكس لمفاتيح (IGBT) من مستويين وثلاث مراحل وستة مفاتيح (IGBT)، وذلك لضبط (Vdc) و (VPCC)، وبالقيمة المطلوبة التي يتحكم فيها المشغل، كما يتم تطبيق أربع وحدات تحكم (PI) مضبوطة ذاتياً من خلال (CCS) لهذا الغرض، وذلك كما هو موضح في الشكل (3-b).

وفي مثل هذه الحالة؛ فإنه يتم استخدام وحدات التحكم (PI-5 ، PI-7)، وهي المضبوطة ذاتياً لضبط (Vdc) و (VPCC) من خلال الحلقات الخارجية، مما يؤدي إلى توليد تيارات نقطة ضبط (dq  I ∗ dn ، I qn)، كما يتم استخدام وحدات التحكم (PI-6) و (PI-8)، والتي تم ضبطها ذاتياً للتحكم في تيارات المحاور (dq) و (Idn ،Iqn).

يتم تطبيق نظام (PLL) لاستخراج (θt) من الفولتية الشبكية، كما يتم تحويل كميات جهد نقطة الضبط الخصة (V ∗ dn ، V qn) إلى شكل موجة نقطة الضبط ( V ∗ a ، b ، cn) باستخدام (θt)، وبعد ذلك يتم تطبيق إشارات (V a و b و cn) على تقنية تعديل عرض النبضة لإنتاج نبضات البوابة للمفاتيح الإلكترونية لمثل هذا (GSI)، كما تعتمد تقنية الضبط الذاتي لوحدات التحكم (PI) على تقنية (IMSAF).