تحسين أنظمة الشبكات الكهربائية الصغيرة باستخدام محولات الربط

تقدم هذه الدراسة نظام شبكة متناهية الصغر متطورة ثلاثية الأطوار بأربعة أسلاك مع ميزة تقليل التوافقيات المحسّنة، ونظراً لقوتها وبساطتها؛ فقد جذبت تقنيات مكافئ مرشح الدرجة الثانية في المجال الزمني قدراً كبيرًا من الاهتمام البحثي، ومع ذلك؛ فإن عيوب خصائص رفض التوافقيات غير المرضية والاستجابة الديناميكية تحد من تطبيقاتها.

الضرورة من تحسين أنظمة الشبكات الكهربائية الصغيرة بشكل عام

تم اقتراح مفهوم الشبكة المصغرة كحل لدمج موارد الطاقة الموزعة في شبكة المرافق وتجاوز تقطعها وعوائق الإخراج المتغيرة، ومن بين الجوانب المختلفة للشبكات الصغيرة؛ جذب تحسين جودة الطاقة وخاصة التوافقيات، كما وحظي بقدر كبير من الاهتمام، وفي الأساس؛ فإن هناك نوعان من المصادر التوافقية الأساسية في شبكات الطاقة، بما في ذلك الأجهزة الإلكترونية للطاقة والأحمال غير الخطية.

كما تُستخدم الأجهزة الإلكترونية للطاقة على نطاق واسع للتطبيقات مثل المقومات والمحولات والمكونات الثابتة (STATCOMs) ومحولات الربط بين الشبكات الصغيرة، ومن أجل تقليل التوافقيات التي تم إنشاؤها بواسطة محولات الطاقة الإلكترونية، يتم استخدام فلاتر مكثف الحث (LC) أو فلاتر الحث المكثف (LCL) بشكل شائع لبوابة أوامر التوافقيات عالية التردد الكهربائي.

ومع ذلك؛ فإن الأحمال غير الخطية تظهر سلوكيات مختلفة، بحيث تتطلب التوافقيات التي يجب أن تولدها شبكة المرافق، وعلى الرغم من أن الأحمال يمكن أن تعمل بشكل طبيعي بهذه الطريقة؛ فإن تيار الشبكة المشوه يزيد من تشوه التوافقيات الكلي (THD) لجهد الشبكة والتيار، بحيث يؤدي هذا إلى فقد إضافي للطاقة وقد يضر ببعض المعدات المثبتة، لذلك من الضروري الحفاظ على مستوى (THD) ضمن نطاق مقبول بناءً على معايير الشبكة الكهربائية.

مراجعة الدراسات الخاصة بقمع المركبات التوافقية ضمن الشبكات الصغيرة

الحل الأكثر استخداماً لقمع تناغم الشبكة هو استخدام مرشح طاقة نشط (APF) بالقرب من الأحمال، كذلك (APF) هو جهاز إلكتروني للطاقة متصل بالتحويل، بحيث يمكنه توليد التوافقيات المعاكسة للشبكة وإلغاء تشوهات تيار جانب الشبكة، كما يتضمن (APF) خوارزمية التحكم في الكشف عن التوافقيات الخارجية، والتي تعمل في المجال الزمني أو مجال التردد لاستخراج التوافقيات وتوليد إشارات مرجعية لحلقة التحكم في التيار الداخلي.

أيضاً يستخدم (APF) في نظام التحكم في المحولات أحادية الطور للتوصيل البيني لوحدات التوليد الموزع (DG)، كذلك تم دمج طريقة رفض المركبات التوافقية القائمة على التحكم في الجهد مع العاكس البيني الكهروضوئي (PV)، والذي يستخدم العاكس كمقاومة توافقية افتراضية لتخميد أوامر التوافقيات، كما قدم الباحثون طريقة آلة ناقلات الدعم لتخفيف التوافقيات منخفضة الترتيب.

أيضاً يتم استخدام طريقة الكشف عن التوافقيات القائمة على التحكم الحالي في نظام التحكم في العاكس الكهروضوئي للتعويض عن الترتيب المحدد للتوافقيات وكذلك لتوليد الطاقة النشطة، والتي تنشأ من اللوحة الكهروضوئية، كما تعوض استراتيجيات التحكم هذه عن الترتيب المحدد للتوافقيات (التوافقيات ذات الترتيب المنخفض بشكل أساسي)، مما يعقد الحساب والتنفيذ.

تكوين النظام واستراتيجية التحكم الكهربائي المقترحة

يوضح النظام المصمم أسلوب التحكم الخاص حسب المطلوب، بحيث يتم توصيل وحدة البطارية بأحمال المباني التجارية وشبكة الجهد المنخفض (LV) من خلال محول الربط الذي يستخدم مرشح (LC)، والبطاريات عبارة عن مستودعات للطاقة لإدارة تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه بالإضافة إلى الحفاظ على جهد ثابت للوصلة الحالية المباشرة (DC-link).

كذلك تم تصميم المحول بتكوين رباعي الأذرع بما في ذلك ثلاثة أذرع لجسر الترانزستور وجسر مكثفات منفصلة، بحيث يتم رسم الخط المحايد من نقطة المنتصف للمكثفات المنقسمة، وذلك لكي يكون المحول قادراً على توفير أحمال أحادية الطور، بالإضافة إلى ذلك يحقق مثل هذا التكوين مادياً المراحل الثلاث للفصل حيث يمكن النظر إلى كل ذراع على أنه محول نصف جسر أحادي الطور مع توليفة من ذراع (ca-pacitor).

وطالما أن الشبكة المصغرة متصلة بشبكة المرافق؛ فإنها قادرة على العمل كمولد تابع، والذي يتبع تردد الشبكة ومستوى الجهد الكهربائي، بحيث يتم استخدام وحدة تحكم التيار المنفصلة ذات التربيع المباشر (dq) للتحكم في القوى النشطة والمتفاعلة.

التحكم في الطاقة: وفقاً لنظرية الطاقة اللحظية، كما تحقق طاقة الخرج النشطة والقدرة التفاعلية إعادة التوطين التالية:

حيث أن:

(Pm ، Qm): هما الناتج المتوقع للطاقة الفعالة والمتفاعلة على التوالي.

(Ph ، Qh): هما فقدان الطاقة النشط والمتفاعل الناجم عن التوافقيات من جانب التحميل.

ونظراً لأن الإطار المرجعي متزامن مع شبكة المرافق؛ فإنه يصبح (uoq) صفراً، ونتيجة لذلك يمكن إعادة كتابة على النحو التالي:

• طرق تقليل التوافقيات المكافئة لمرشح الشق التقليدي: كما ورد سابقاً، أظهرت الخوارزميات المكافئة لمرشح الشق متانة وحساباً أقل وبساطة في التنفيذ، مما يحولها إلى بدائل موثوقة لتطبيقات (APF) الصناعية، وفي هذا القسم يتم تقديم طريقتين مشهورتين (SOGI ، SRF).

يوضح الشكل السابق (1) خوارزمية التحكم في (SOGI)، كما وتتضمن الطريقة تكاملان، مما يجعل النظام من المرتبة الثانية وكسب (k) الذي يضبط المفاضلة بين الاستجابة الديناميكية وقدرة رفض الاضطراب لخوارزمية (SOGI)، بحيث يتم تقديم تفاصيل التصميم والضبط الأمثل لخوارزمية (SOGI).

دلالات خوارزمية الكشف عن المركبات التوافقية المقترحة

إن خوارزمية الكشف عن التوافقيات المقترحة المدمجة مع استراتيجية التحكم الكهربائي (dq0) وطوبولوجيا المكثف المنفصل قادرة على تحقيق تعويض عالي الدقة للتوافقيات المتوازنة وغير المتوازنة بمستويات مختلفة، كما تم تصميم المحول كمحول رباعي الأرجل، بحيث ترتبط جسور ذراع الترانزستور الثلاثة بنظام طاقة التيار المتردد ثلاثي الأطوار لتبادل الطاقة الكهربائية.

كذلك تستخدم المحطة الرابعة ساق المكثف المنقسمة بدلاً من الساق الترانزستور لاستخدام نقطة الطاقة المحايدة، ونظراً لأن ساق المكثف المنفصل يوفر المسار لتدفق الطاقة لجميع المراحل الثلاث؛ فإن كل جزء من المحول يصبح محول نصف جسر مستقل أحادي الطور، لذلك تعتبر كل ساق قادرة على توليد خرج تيار مستقل دون التسبب في أي تأثير على المراحل الأخرى. بالنسبة للحالة غير المتوازنة، بما في ذلك الأحمال غير المتوازنة أو التوافقيات غير المتوازنة، كما يجب أن يكون النظام المقترح قادرًا على تلبية متطلبات التوريد.

وفي النهاية اقترحت هذه الدراسة نظام تحكم محسّن لمحول ربط شبكي ثلاثي الأطوار رباعي الأسلاك متصل بالشبكة الكهربائية الصغيرة، كما يُظهر النظام المقترح أداءً فائقاً مقارنة بالطرق المكافئة المعروفة لمرشح الدرجة، بحيث يتم:

• تحسين خصائص رفض التوافقيات بحوالي (40٪).

• استجابة ديناميكية أفضل بحوالي (50٪).

• تحسين الدقة في التعويض المتوازنة وغير المتوازنة مستويات التوافقيات.

كما تم دمج طريقة الكشف عن التوافقيات المقترحة مع عاكس رباعي الأرجل قائم على مكثف مقسم يتم التحكم فيه بواسطة استراتيجية تحكم حالية (dq0)، كذلك النظام سهل التنفيذ ومستقر في التشغيل، بحيث يتم التحقق من فعالية النظام المقترح وأدائه الأفضل من خلال المحاكاة والنتائج التجريبية، وعلى الرغم من أن استراتيجية التحكم المقترحة أثبتت فعاليتها؛ إلا أن عامل التشويه من جانب المصدر لم يؤخذ في الاعتبار.