تطوير العاكس الكهروضوئي المرتبط بالشبكة الكهربائية بتقنية GMPPT

أهمية  تطوير العاكس الكهروضوئي المرتبط بالشبكة الكهربائية بتقنية GMPPT

على مدى العقود القليلة الماضية، بذل المجتمع العلمي جهداً كبيراً في البحث عن تقنيات تتبع أقصى نقطة للطاقة مع عوامل تتبع عالية ووقت تقارب منخفض، وذلك حتى في ظل ظروف التشعيع غير المنتظمة، وغالباً ما تكون المكاسب المرغوبة في حدود المئات من النسبة المئوية، كما وتصبح مثل هذه الاختلافات ذات صلة، خاصة عند التعامل مع الطاقة الشمسية، ومع ذلك كلما كانت استراتيجية التحكم أكثر تعقيداً، كما أنه أكثر عرضة للفشل وأصبح تنفيذها أكثر صعوبة.

كما ركز الباحثون تحليلهم على استراتيجيات (MPPT)، والتي تم تطويرها على أساس الذكاء الاصطناعي (AI)، كما تم تحليل مائة وتسعة وثلاثين ورقة (139) تم نشرها خلال العقد الماضي وأداء استراتيجيات (MPPT) على أساس الشبكة العصبية الاصطناعية (MPPT القائمة على ANN)، كذلك التحكم المنطقي الضبابي (MPPT المستندة إلى FLC).

كذلك تحسين سرب الجسيمات (المستندة إلى PSO MPPT) وتحسين مستعمرة النمل (تقنيات MPPT القائمة على ACO) والخوارزمية الجينية (MPPT المستندة إلى GA) والتطور التفاضلي (MPPT القائم على DE)، وبعض الأساليب الناشئة، مثل تحسين الحركة الشعاعية (RMO)، وهناك طريقة البحث التوافقي ( CS)، Grey Wolf Optimization) (GWO) ، (Firefly Optimization Algorithm) (FOA)) كلها مقدمة.

بحيث تم تقييم هذه التقنيات تحت إشعاع شمسي منتظم وغير منتظم (التظليل والتظليل الجزئي)، كما وتجدر الإشارة هنا إلى أن أيا من هذه التقنيات لم توفر أي تذبذب كبير حول (MPP)، مما يزيد من حصاد الطاقة، ولكن مرة أخرى؛ فإن المتطلبات الحسابية مرتفعة بسبب الحاجة إلى إجراء حسابات معقدة، وفي ضوء هذا العامل، يحتاج المرء إلى إجراء تقييم جاد لأي تقنية قبل اتخاذ أي قرار بشأن استخدامها.

كما تم تقديم دراسة أخرى مهمة جداً توفر أحكاماً ثاقبة فيما يتعلق بأداء تقنيات، كذلك (MPPT) التقليدية (P & O-Perturb and Observe) وتقنيات التحسين الهجين (MPPT) (التقنيات الكلاسيكية باستخدام AI- التحسين على أساس) في ظل ظروف التظليل والتظليل الجزئي، بحيث تم تحليل مائة وتسعة أعمال (109) نُشرت بين عامي (2015 – 2020) وتم إجراء التقييم لإعطاء نظرة عامة بناءً على عدد المستشعرات المستخدمة وسرعة التقارب والكفاءة والتطبيق (الأنظمة خارج الشبكة والموجودة على الشبكة).

وهناك بعض هذه الأساليب بسيطة، لكنها قد تفشل في حالات التظليل غير العادية، كما أن البعض الآخر محصن ضد التظليل الجزئي، لكنهم يستخدمون مستشعرات متعددة ويستخدمون خوارزميات معقدة، وبالتالي يزيدون من متطلبات معالجة الإشارات وتكاليفها.

وصف النظام ونظرة عامة على نظام التحكم الكهربائي

يوضح الشكل (1-a) هيكل الطاقة للعاكس الشمسي أحادي الطور المرتبط بالشبكة والمستخدم لتقييم أداء (FS-AC-POWER GMPPT) المقترح، وهي مرحلة الإدخال (DC-DC) عبارة عن محول (Boost) عادي، بحيث تتكون مرحلة خرج (التيار المستمر – التيار المتردد) من العاكس الكلاسيكي ذي الجسر الكامل أحادي الطور، وهو المرحلة المسؤولة عن الحقن الحالي في الشبكة مع تشويه توافقي منخفض (THDI) وعامل طاقة مرتفع (PF)، كما يتم استخدام مرشح من الدرجة الأولى (Lf) لاقتران الشبكة الكهربائية.

كما تظهر بنية التحكم المبسطة في الشكل (1-b)، حيث يلاحظ المرء أن هناك حلقة واحدة فقط تستقبل مرجع الذروة الحالي (iPeak) من فدرة (GMPPT)، بحيث تتضاعف هذه الحلقة بإشارة الموجة الجيبية (VR) التي يتم قفلها في الطور والتردد الكهربائي مع جهد الشبكة بواسطة (PLL) (الحلقة المقفلة للطور) وتقوم بضبط دورة عمل محول التيار المتردد (DC) من خلال المعوضات.

لذلك؛ فإن التيار الكهربائي في المحرِّض (Lf) (التيار المحقون iLf) يتبع مرجعه الجيبي، ولهذا الغرض تم اختيار وحدة التحكم (PRes) (الرنين النسبي) (تسمى أيضاً عملية أو غير مثالية) كمعوض حلقة التيار الداخلي، لذلك يتم إعطاء وظيفة النقل بواسطة المعادلة التالية:

حيث إن:

[CPRes (s)ٍ]: وظيفة نقل وحدة تحكم الرنين النسبي.

(Kpres): الكسب النسبي المعوض.

(Kires): المكسب المتكامل للمعوض.

(ωc): تردد القطع [rad / s].

(ω0): تردد الرنين [rad / s].

وبشكل تكميلي ومن المسلم به في الدراسات؛ فإن المركبات التوافقية الفردية من (3 ، 5 ، 7) أوامر موجودة بشكل شائع مع حجم أكبر في الطيف الترددي للتيار المحقون بالشبكة، مما يعرض جودة شكل الموجة للخطر، وبالإضافة إلى ذلك نظراً لأن هذه التوافقيات قريبة من التردد الأساسي لشبكة الطاقة؛ فإن هذه التوافقيات تكون أكثر تعقيداً عندما يتعلق الأمر بالترشيح.

لذلك، يتم استخدام ثلاث وحدات تحكم (HC) (المعوض التوافقي) للتخفيف من الأوامر التوافقية المذكورة أعلاه، بحيث يتم إعطاء وظيفة النقل العامة لهذا المعوض بواسطة المعادلة التالية، بحيث يلاحظ المرء أنها تشبه (PRes) الموضحة في المعادلة السابقة، بحيث يكمن الاختلاف الأساسي في تردد الرنين، حيث أن تردد معوض (HC) على نفس تردد التوافقي غير المرغوب فيه، لذلك؛ فإن التصميم القياسي لمعوض (HC) مشابه لتصميم (PRes).

[HC3،5،7 (s)]: وظيفة النقل العامة لجهاز التحكم (HC).

(Kih): كسب لا يتجزأ من أجل (hth) – التوافقي.

(ωch): تردد القطع لـ (hth) – التوافقي [rad / s].

(hω0): تردد الرنين لـ (hth) -التوافقي [rad / s].

تقنية FS-AC-Power GMPPT المقترحة

في ضوء ما تم وصفه حتى الآن؛ فإنه يمكن ملاحظة أن هناك حاجة إلى مستشعر جهد واحد فقط ومستشعر تيار واحد لتنفيذ استراتيجية التحكم المقترحة، كما يتم وضع هذه عند نقطة اقتران مشترك (PCC)، وكما هو موضح في الشكل (1-b)، كذلك يتم استخدام مستشعر الجهد للحصول على إشارة الجهد (VR) فقط لأغراض التزامن ويتم استخدام مستشعر التيار لمراقبة التيار المحقون بالتيار المتردد (iLf)، والذي سيتم فرضه مع شكل موجة جيبية في الطور مع جهد الشبكة والتشويه التوافقي المنخفض.

التحليل الرياضي على أساس مبدأ الحفاظ على الطاقة: عند تطبيق المبدأ الفيزيائي للحفاظ على الطاقة الذي وضعه “لافوازييه” على العاكس المثالي المرتبط بالشبكة الكهروضوئية، بحيث يتم إنشاء المعادلة التالية:

منحنى خصائص الصفيف الكهروضوئية ومنطقة خفض الطاقة السريع (FPRZ)

عند تحليل منحنى (P-I) لأي مصفوفة (PV)، بحيث يلاحظ المرء أن هناك ترهلًا شديدًا في الطاقة المستخرجة حيث يقترب التيار من قيمة الدائرة القصيرة (ICC)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، كما يمكن فهم هذه الخاصية التشغيلية على أنها منطقة تخفيض سريع للقدرة (FPRZ).

وفيما يتعلق باستراتيجية التحكم المقترحة، يمكن أن يؤدي هذا الانخفاض الكبير في الطاقة إلى انخفاض الجهد (VBus)، وعندما لا يتم التحكم فيه بشكل صحيح، كما يحدث انخفاض الجهد هذا عندما لا يكون الانخفاض المفاجئ في طاقة الإدخال مصحوبًا بانخفاض سريع في قيمة الذروة للتيار المحقون في الشبكة (ILfPEAK).

وفي هذه اللحظة، كما يتم تعويض فرق الطاقة عن طريق استخراج الطاقة من (CBus)، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد في ناقل التيار المستمر، كما تم بناء منحنيات (V-I) و (P-I) الموضحة في الشكل السابق (2) من محاكاة وحدات (Kyocera) في برنامج (PSIM)، ونظراً لأنها الوحدات النمطية المتاحة في المختبر للتحليل التجريبي.