تنظيم الجهد الكهربائي ومشاركة التيارات في AC Microgrids

تم اقتراح إستراتيجية تحكم موزعة لمشاركة التيارات الكهربائية غير المتوازنة في ثلاث مراحل معزولة بأسلاك (AC-MGs)، بحيث يعتمد على نهج جديد، وبدلاً من تحليل (MG) كنظام ثلاثي الطور؛ فإنه يتم تحليله على أنه ثلاثة أنظمة فرعية أحادية الطور، كما يستخدم الاقتراح مخططاً معدلاً لمرحلة (Q E droop)، حيث يتم تقديم عمليتي تحكم ثانويتين إضافيتين لكل مرحلة.

أهمية تنظيم الجهد الكهربائي ومشاركة التيارات في AC Microgrids

(MG) هو بطبيعته نظام غير متوازن حيث تنتج الأحمال غير المتوازنة مكونات تسلسل سالب في تياراتها وجهدها، كما ويمكن أن تسبب مشاكل في (MG)، على سبيل المثال تنتج مكونات جهد التسلسل السلبي اهتزازات في عزم دوران آلات الحث والمولدات المتزامنة، وهذا بدوره قد يقلل من كفاءة هذه الآلات ومدة صلاحيتها، كما أن الآثار الأخرى لاختلال التوازن هي التسخين الموضعي في الآلات الكهربائية ومحولات الطاقة وانخفاض قدرة التحميل للمولدات المتزامنة التقليدية.

كذلك يمكن للتيارات غير المتوازنة أن تخلق مشاكل أخرى، على سبيل المثال إذا كانت الفولتية عند خرج محولات الطاقة في (AC-MG) متوازنة؛ فإن التيارات تحتوي على مكونات تسلسل موجب وسالب، وفي هذه الحالة يمكن أن يكون لتيار الخط أو تيار خرج المحول ذروة أعلى بكثير في مرحلة واحدة من المراحل الأخرى في نقطة تشغيل معينة.

ونتيجة لذلك، يمكن أن يكون إجمالي خرج الطاقة من هذا المحول محدوداً بأقل من قيمته المقدرة، بحيث يتدهور هذا الوضع بشكل خطير إذا تم تنشيط حماية التيار الزائد لهذا المحول، وبالتالي يتم فصله عن (MG)، لتجنب ذلك؛ تعتبر مخططات التحكم الخاصة بمشاركة مكونات التيار المتسلسل السالب بين محولات الطاقة في (MGs) مهمة جداً بالنسبة إلى (MGs) ذات المستوى المرتفع نسبياً من عدم توازن الحمل الكهربائي.

أثر تقاسم التيارات على تنظيم الجهد الكهربائي

يتم تحقيق تقاسم التيارات غير المتوازنة عن طريق زيادة عدم توازن الجهد عند خرج محولات الطاقة الكهربائية، بحيث يجب تنظيم الحد الأقصى للجهد غير المتوازن المسموح به في (MG)، ولتجنب مشكلات جودة الطاقة كما هو محدد في معيار (IEEE 1547-2018)، لذلك هناك مفاضلة بين تقاسم التيارات غير المتوازنة بين محولات الطاقة وجودة الجهد الرئيسي لجهود الإخراج الخاصة.

كذلك يمكن تحقيق تقاسم عدم التوازن باستخدام نهج التحكم المركزي والموزعة، بحيث تم استخدام الأول على نطاق واسع لمعالجة مشكلات عدم التوازن، بينما في الآونة الأخيرة، بحيث كان هناك اهتمام متزايد بالنهج الموزع لأنه يحتوي على المزايا التالية:

• لقد أدى إلى تحسين الموثوقية والمرونة.

• قابلية التوسع ولديه عملية التوصيل والتشغيل.

• التوافق الجيد للفشل في روابط الاتصال.

كما تم بالفعل اقتراح أساليب التحكم الموزعة لتحسين تقاسم الطاقة التفاعلية، ولتحقيق في وقت واحد؛ فإن تنظيم الجهد وتقاسم الطاقة التفاعلية كذلك إدارة الازدحام في خطوط التوزيع والإرسال الأمثل، بالإضافة الى الضوابط التنبؤية الموزعة لتنظيم التردد الكهربائي والجهد.

وحدة تحكم Q-E Droop المقترحة أحادية الطور

بافتراض أن محول الطاقة (ith 3 -leg)، والذي يتم التحكم فيه بالتدلي الموضح في الشكل التالي (1)، وهو جزء من ثلاث مراحل (AC-MG) والمعزولة من خلال ثلاث أسلاك، كما يمكن حساب (E ∗ iabc) باستخدام متحكمات (P − ω) و (Q − E droop) الموضحة في المعادلات التالية، حيث أن (mi ،n) هما معاملات تدلي التردد والجهد و (n ،En) على التوالي، كذلك التردد الاسمي والجهد من (MG)، كذلك تظهر أيضاً العلاقة بين التردد (ωi) والزاوية (i) في محول الطاقة كما هو مبين في المعادلة الجزء الثالث.

وهنا إذا كان نظام التحكم الكهربائي في المحول يعمل بشكل صحيح؛ فيمكن افتراض أن (Eiabc≈E ∗ iabc)، وفي هذه الحالة سيكون تردد الجهد عبر المكثف (Eiabc) هو (i) وسيكون حجمه (Ei)، وذلك حسب ما ورد في المعادلات السابقة.

العلاقة بين وحدة تحكم المقترحة أحادية الطور ومكونات التسلسل

من المفترض أن المحول (ith) يظهر في الشكل السابق (1)، بحيث يعمل مع وحدة التحكم (Q − E droop) المقترحة أحادية الطور الموضحة في المعادلات التالية، ومع وحدة التحكم (P − ω droop) ثلاثية الطور المقدمة بواسطة العلاقات الرياضية السابقة، وبناءً على ذلك يتم تغيير التمثيل الطوري للجهود (Eia ،Eib ،Eic).

وبافتراض أن (Eiabc≈E iabc) حسب الشكل (1)؛ فإنه يمكن استنتاج أنه يمكن تنظيم حجم (Eiabc) على مستوى المرحلة، ومن خلال إجراءات التحكم (βi ،βia ،βib ،βic)، وبالتالي يمكن تحقيق مشاركة التيارات غير المتوازنة بين محولات الطاقة باستخدام هذه درجات الحرية.

كذلك يمكن تحليل نظام الطور الكهربائي الموضح في المعادلات باستخدام (SCT)، بحيث يحدد هذا التحليل العلاقة بين إجراءات التحكم لوحدة التحكم (Q − E droop) المقترحة أحادية الطور (βi ،βia ،βib ،ic) وكلا من مكونات التسلسل الموجب والسالب لـ (Eiabc)، ووفقاً لـ (SCT)؛ فإن (phaseors | Eia | Eia) و (| Eib | Eib و | Eic | ∠Eic) مرتبطة بمراحل التسلسل الموجب والسالب والصفري لـ (Eiabc).

خوارزمية الإجماع المقترحة لتقاسم تنظيم عدم التوازن والجهد الكهربائي

كما ورد سابقاً؛ فإنه يتم تحقيق مشاركة التيارات غير المتوازنة بين محولات الطاقة عن طريق إحداث عدم توازن في الفولتية عند خرج المحولات، كما تم إجراء هذا عادةً في الدراسات باستخدام حلقات المعاوقة الافتراضية، وفي هذه الدراسة؛ تم اقتراح نهج جديد للحث على الفولتية الصغيرة غير المتوازنة عند خرج المحولات، وبالتالي لتحقيق تقاسم التيارات غير المتوازنة.

كذلك يمكن تحقيق ذلك بناءً على وحدة التحكم المقترحة (Q-E droop) أحادية الطور الموضحة في المعادلة السابقة ووحدة التحكم المقترحة بناءً على خوارزمية الإجماع ،كذلك تم اقتراح ثلاث خوارزميات إجماع أحادية الطور (واحدة لكل مرحلة) للتحكم في حجم جهد التسلسل السلبي (∣∣E − i∣∣) عند إخراج محول الطاقة الكهربائية (ith).

وأخيراً تم اقتراح مخطط تحكم موزع قائم على الإجماع لمشاركة التيارات غير المتوازنة وتنظيم الجهد في (AC MGs) المعزولة بثلاثة أسلاك في هذا العمل، كما تحقق خوارزمية الإجماع المقترحة مشاركة مكونات تيار التسلسل السلبي بين محولات الطاقة دون الحاجة إلى تنفيذ (SCT أو CPT) (بعض الحلول النموذجية للتعامل مع هذه المشكلة).

وعلاوة على ذلك، بحيث لا يتداخل المخطط الموزع المقترح مع تقاسم الطاقة النشطة بين محولات الطاقة، مما يدل على أدائها المنفصل، وهي المزايا الرئيسية للاقتراح مقارنة بوحدات التحكم الموزعة الأخرى التي تم الإبلاغ عنها لمشاركة عدم التوازن هي:

• يحقق مخطط التحكم المقترح مشاركة التيارات غير المتوازنة التي تنتج اختلالات أصغر في الفولتية الناتجة عن المحولات مقارنة بالطرق الأخرى.

• يحقق الاقتراح تقاسم التيارات غير المتوازنة في كل من مجال التسلسل والمجال (a-b-c).