تحسين جودة الطاقة الكهربائية باستخدام مُرمم الجهد الديناميكي

أهمية تحسين جودة الطاقة الكهربائية باستخدام مرمم الجهد الديناميكي

تشير جودة الطاقة إلى قدرة النظام الكهربائي على إنشاء مصدر طاقة مناسب له شكل موجة جيبية نقي وخالي من الضوضاء، كما تمثل جودة الطاقة المحسنة قيمة ثابتة، وذلك مع مراعاة التردد والجهد الكهربائي في الممارسة العملية، بحيث تفرض الأحمال المختلفة اضطرابات بانتظام، مما يؤدي إلى انحرافات عن مصدر الطاقة الفعلي، وذلك حتى عُشر اضطرابات جودة الطاقة توقف عمل المعدات الحديثة، والتي تتطلب بدورها إعادة تشغيل العملية بأكملها.

كما تتضمن مشكلات جودة الطاقة التوافقيات والتقلبات في الجهد وتعويض القدرة التفاعلية والحد من مستوى التكامل ومشكلات التشغيل، وذلك على الرغم من وجود مشكلات جودة الطاقة المذكورة أعلاه؛ فإن الاضطرابات المتعلقة بالجهد تؤدي إلى اضطرابات خطيرة تؤثر على الحمل الحساس، بحيث يتأثر الجهد بشكل عام بالثابت الزمني لنظام الإثارة وتوازن الطاقة التفاعلية.

وفي السابق كانت صيانة جودة الطاقة هي مسؤولية أنظمة التوليد والنقل، ولكن التركيز الرئيسي الآن ينصب على نظام التوزيع، وهو أكثر عرضة للأعطال الكهربائية، كما تم اقتراح طرق مختلفة لمنع تأثيرات مشكلات جودة الطاقة، بحيث تُستخدم أنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS) بشكل عام للتعويض عن القدرة التفاعلية واستقرار الجهد الكهربائي.

ومع ذلك؛ فإن هذه الأجهزة تغير المعلمات المختلفة لنظام التوزيع، بحيث يتم أيضاً إجراء حقنة أحادية أو موزعة للقدرة التفاعلية لتعويض الجهد باستخدام معوضات (VAR) الساكنة (SVCs)، وبالإضافة إلى المعوضات المتزامنة الثابتة للتوزيع (D-STATCOM)؛ فإنها توفر هذه الأجهزة وقت استجابة سريعاً، بحيث يتم خلاله حقن الطاقة التفاعلية من خلال وحدات التوزيع.

أيضاً يتم استخدام جهاز استعادة الجهد الديناميكي (DVR) للتعامل مع مشكلات (PQ) المتعلقة بالجهد، بحيث يتم حقن جهد لزاوية ومقدار طور معينين في سلسلة مع خط التوزيع لتوليد جهد تحميل جيبي مقنن، بحيث يتم تقليل مشكلات ترهل الجهد وانتفاخه عن طريق (DVR)، مما يؤدي بدوره إلى تحسين استهلاك الطاقة، ومع ذلك؛ فإنه يتطلب مناهج التحكم لزيادة الكفاءة.

كذلك يتم اعتماد المفاهيم المستندة إلى الضبابي بواسطة معلمات ضبط (DVR) مثل (THD) وخطأ الحالة المستقرة، حيث إنه يولد مخرجات بأعطال أقل ويقلل (THD)، وبالإضافة إلى ذلك يستخدم (DVR) وحدة تحكم (PI)، حيث تم تصميم وظيفة تأخير الوقت بشكل صحيح للتحكم في الجهد المحقون، كما إنه يتغلب على الأساليب الأخرى الموجودة من حيث تخفيف ترهل الجهد الكهربائي.

وللتغلب على هذه المشكلات؛ فإنه تم اقتراح نهج قائم على (DVR) يستخدم خوارزمية تحويل متجه الفضاء التنبئي (PSVT)، بحيث يحافظ على جهد ثابت، وبالتالي يخفف من مشاكل جودة الطاقة، كما تم سرد مقارنة بين وحدات التحكم مثل (SVPWM) المحسن (ESVPWM) وتحليل [SVT (ISVT)] الداخلي مع (PSVT) في الجدول التالي (1).

مخطط التحكم الكهربائي في DVR المقترح

يحتوي (DVR) على محول حقن متسلسل و (VSI) ووصلة (DC)، كما تعتمد على الطاقة الشمسية ودائرة تحكم، بحيث يتم ربط المحولات الكهربائية ثلاثية الطور المتسلسلة عند نقطة الاقتران المشترك (PCC) مع نظام النقل للتعويض عن تقلبات طاقة الشبكة الكهربائية.

كما أن الغرض الرئيسي من (DVR) هو الاحتفاظ بجهد المرحلة الأساسية، بحيث يتم استخدام شكل موجة الجهد المرجعي لهذا الغرض، والذي يشبه تطوير جهد مصدر الطاقة، بحيث يتم تعويض جهد الطور المطلوب بواسطة نظام (DVR)، وذلك مقارنة بنمط الجهد الفعلي لفرق الجهد، كما تتم مقارنة الجهد الفعلي بفرق الجهد بين أنماط انزياح الطور للجهد المطلوب بواسطة نظام (DVR)، كما يظهر مخطط كتلة لنظام التحكم المقترح في الشكل التالي (1).

بحيث يتم استخدام (VSI) لضبط تدفق الطاقة (DVR) لتوفير الطاقة التفاعلية المناسبة لنظام النقل، كما  تعتمد كفاءة (DVR) على السعة القصوى لتعويض الجهد ونقل طاقة التيار المباشر بالحقن الفعلي (DC) ونظام توصيل الطاقة الشمسية، بحيث يعمل الجهد المطبق من عاكس (DVR) على تحويل إلكترونيات الحالة الصلبة وتقنية (PWM).

ووفقاً لذلك، يكون الجهد المطبق هو زاوية الطور للسعة المتحكم بها والجهد الكهربائي، بحيث يتم توفير اتصال (DC) للطاقة الشمسية مع مدخل (DVR) لتوليد الطاقة التفاعلية لإنشاء خرج ثابت، كما تقلل طريقة (PSVT) المقترحة من فقد الطاقة وتحسن ملف الجهد لنظام الشبكة، لذلك إذا كان الجهد المتوقع ضمن الحدود؛ فإن الأولوية هي حساب القدرة التفاعلية المثلى وتقليل الخسائر.

كما تقوم وحدة القياس بتحليل فقد الطاقة النشط على جانب الحمل وإشارة إلى مُحسِّن (PSVT)، وذلك استناداً إلى ملاحظات (PWM)، بحيث يقوم عاكس (DVR) بإنشاء طاقة تفاعلية تغذي خط النقل عبر (PCC)، مما يؤدي إلى تحسين الطاقة على جانب التحميل.

النمذجة الكهربائية المرتبطة بنظام DVR المقترح

منظم الجهد الديناميكي (DVR): تتمثل وظيفة (DVR) في الاحتفاظ بالجهد عن طريق تغيير حجم الجهد وشكله وطوره، وذلك عن طريق حقن الكمية المناسبة من الطاقة في الخط، بحيث يزيل (DVR) التقلبات في الجهد، والجهد المحقون، والذي يتم التعبير عنه على النحو التالي:

حيث (VS) هو جهد الإمداد يُشار إليه على أنه (VS ، VL)، وهو جهد الحمل يُشار إليه على أنه (VL و Vin) هو الجهد المحقون ويشار إليه على أنه (Vin)، كما تم استخدام طريقة تعويض المرحلة في (DVR)، بحيث يعتبر جهد الحمل في الطور مع جهد ما قبل الترهل، كما تم تعويض حجم الجهد فقط في هذا النهج، بحيث يتم تغذية جهد الحمل والجهد المرجعي في وحدة التحكم، كما يولد جهاز التحكم نبضات إلى العاكس باستخدام نهج (PWM)، والذي يعتمد على الفرق بين الفولتية.

التحويل التنبئي للناقلات الفضائية (PSVT): يتمثل تحديد نظام التحكم (PSVT) في الحفاظ على سعة الجهد المستقرة لنقطة تداخل النظام بين نظام المصدر والحمل، بحيث يقوم نظام التحكم هذا بتقييم تباين القدرة على جانب التحميل، وذلك من خلال مقارنة المصدر وقدرة الحمل، كما يولد “التحويل المتجه للفضاء التنبؤي (PSVT- PWM) لعاكس مصدر الجهد (VSI).

وفي ظروف الترهل أو الاتزان يجب أن يكون الجهد المحقون هو نفسه جهد الترهل أو الاتزان، بحيث تتكون هذه المرجعية من ثلاثة مكونات، وهي الطور والتردد الكهربائي والسعة، بحيث تتغير عملية الشبكة النموذجية إلى درجة معينة، وفي ثلاث مراحل (VSI)، كما يتم استخدام (SVPWM)، بحيث بشكل منتظم لتقنية (PWM) لتنظيم جهد الإمداد، ومع ذلك؛ فإن تعديل عرض نبض متجه الفضاء (SVPWM) به بعض المشكلات، مثل الأعداد الكبيرة المتعددة من قمم الضوضاء عند تردد الموجة الحاملة.

وللتغلب على هذه المشكلة، تعمل (PSVT) المقترحة على تسهيل أوقات الصعود والهبوط في (PWM)؛ فإنها تتميز هذه التقنية أيضاً بميزة تقليل التشوه التوافقي الكلي (THD) في خرج (VSI)، حيث أن كتلة التحكم في كتل التحكم في تحويل ناقل الفضاء التنبئي (PSVT) المقترحة والممثلة في الشكل التالي (3)، بحيث يلعب نظام التحكم (DVR) دوراً مهماً في الاستجابة لمتطلبات الاستجابة السريعة في نظام التحميل للتعويض عن التغيرات في انخفاض الجهد والتوسع.