تنفيذ وتصميم نظام المحول الكهروضوئي المتكامل

زادت الطاقة الكهروضوئية (PV) بشكل كبير بمتوسط معدل سنوي قدره (60 ٪) في السنوات القليلة الماضية، وسرعان ما أصبحت جزءاً لا يتجزأ من شبكات نظام الطاقة الكهربائية، كما أدت هذه الزيادة بدورها إلى تطور محولات الطاقة الكهروضوئية بمزيد من الكفاءة والموثوقية.

الحاجة الى تنفيذ وتصميم نظام المحول الكهروضوئي المتكامل

في عالم اليوم يتمثل الجانب السلبي الأكثر أهمية في مجال قطاع الطاقة في الطلب المتزايد على الطاقة ومن المحتمل أن يرتفع إلى (76٪)، وذلك بحلول عام (2030)م، وفي البلدان المكتظة بالسكان مثل الهند؛ فإن هناك ندرة في موارد توليد الطاقة ونتيجة لذلك؛ تواجه العديد من المدن والبلدات تلاشياً مستمراً للأحمال وانقطاع التيار الكهربائي.

كما أصبح ذلك مصدر قلق آخر هو أن محطات توليد الطاقة ومواقع التوزيع بعيدة عن بعضها البعض مما يؤدي إلى عدم كفاية إمدادات الطاقة للمناطق الريفية، كما تعد مصادر الطاقة المتجددة (RES) جنباً إلى جنب مع إلكترونيات القدرة كأحد الحلول المحتملة لمعالجة مشاكل الطلب على الطاقة ونقص المرونة في توزيع الطاقة.

كذلك تعتبر الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة المتجددة لأنها خالية من التكلفة ومتوفرة بكثرة وخالية من التلوث، بحيث تسمى تقنية تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء الخلايا الكهروضوئية (PV) ويتم ذلك باستخدام أشباه الموصلات التي تعرض الخلايا الكهروضوئية، كما تستخدم التطبيقات القائمة على الطاقة الشمسية على نطاق واسع في العديد من الجزر والمناطق الريفية حيث لا تصل شبكات التوزيع، بحيث يعد ضخ المياه بالطاقة الشمسية من أكثر التطبيقات الواعدة للري.

وصف نظام التحكم بالتصميم الكهربائي المقترح

يعتبر مخطط الكتلة للنظام المقترح الموضح في الشكل التالي (1)، حيث أن هذا النظام هو في الأساس وحدة محول (PV) تغذى بقيادة محرك تحريضي، كذلك الإدخال إلى النظام من سلسلة من الألواح الكهروضوئية المتصلة، كما تم تصنيف كل لوحة (PV) لـ (35) فولت، (8) أمبير، بحيث يتم توصيل أربع لوحات من هذا القبيل في سلسلة للحصول على مجموعة (PV) بمعدل (140) فولت، (8) أمبير.

كما أن هناك مصفوفة (PV) هو المدخلات إلى محول التعزيز الثنائي العائم (FDBC)، بحيث تم تعزيز الجهد الكهروضوئي إلى (485) فولت بواسطة (FDBC) لتشغيل المحرك التعريفي، كذلك يتم تغذية خرج التيار المستمر من (FDBC) إلى عاكس مصدر جهد ثلاثي الطور (VSI) للتحويل من التيار المستمر إلى التيار المتردد ثم توصيله بالمحرك الحثي ثلاثي الطور.

أيضاً يتم تشغيل (VSI) ثلاثي الأطوار في وضع التوصيل (180) درجة، بحيث تم تصنيف المحرك لـ (400) فولت (جذر متوسط ​​التربيع)، (1.8) أمبير، كما تم دمج وحدة التحكم في وضع الجهد الكهربائي باستخدام (DSPIC30F4011) لـ (FDBC)، بحيث تضمن وحدة التحكم في وضع الجهد أن جهد الدخل إلى (VSI)، كما يتم الحفاظ عليه ثابتاً بغض النظر عن تقلبات الجهد في جهد الخرج الكهروضوئي.

النمذجة الخاصة بالنطاق المعزز لـ (FDBC)

يتكون محول التعزيز المزدوج العائم، والمعروف أيضاً باسم محول التعزيز المزدوج ثنائي الطور المشذب ثنائي الطور من وحدتين، كما تتكون الوحدة (1) من (L1 ،S1 ،C1)، كما وتتألف الوحدة (2) من (L2 ،S2 ،C2)، بحيث يتم اختيار نقطة التشغيل المستقرة في دورة العمل (> 50٪)، كما يوضح الشكل التالي (2-a) مخطط الدائرة الكهربائية ويظهر الشكل (2-b) تسلسل التبديل لـ (FDBC).

كما يتم إعطاء جهد الخرج، تيار الخرج وتيار الإدخال وإجهاد الجهد نفسه عبر المفاتيح الكهربائية والثنائيات بواسطة:

تصميم وحدة التحكم الكهربائية للمحول الكهروضوئي المتكامل

تعتبر وحدة التحكم في المشتقات المتكاملة النسبية (PID) واحدة من أكثر آليات حلقة التحكم شيوعاً الموجودة وهي سائدة للغاية في أنظمة التحكم الصناعية، وبشكل عام يتم استخدام وحدات التحكم من النوع (PI) لمحول (DC-DC)، وعندما يتم دمجها مع محول (DC-DC) كوحدة تحكم في الجهد الكهربائي، كما تحاول وحدة التحكم (PID) تقليل الخطأ بين جهد الخرج المحسوس والجهد المرجعي عن طريق إخراج جهد تحكم يمكنه ضبط دورة العمل.

أيضاً تحكم (PI) خطي. ومع ذلك؛ فإن محولات (DC-DC) غير خطية، لذلك يتم تحقيق تصميم وحدة تحكم (PI) لمحول (DC-DC) باستخدام نموذج إشارة صغيرة خطي للمحول الكهربائي، بحيث يوضح الشكل التالي بنية الحلقة المغلقة لقناة (FDBC) المصممة، حيث (Vref) هو جهد خرج الحالة المستقرة، كذلك (vc) هو جهد التحكم الذي يمكنه ضبط دورة العمل (d)، كما يتضح من الشكل أن وحدة التحكم (PI) تعالج اضطرابات الإشارة الصغيرة التي تنشأ في جانب الإخراج وتقللها إلى الصفر من خلال التحكم في دورة العمل.

كما يتضمن تصميم وحدة تحكم (PI) حساب (Kp و Ki)، وهي الطريقة الأكثر دمجاً لضبط وحدة تحكم (PI)، كذلك طريقة (Ziegler-Nichol) لأنها لا تتضمن نمذجة معقدة للمصنع وتعالج أيضاً مشكلات مثل عدم اليقين والديناميكيات النموذجية وما إلى ذلك، وهناك عيب في هذه الطريقة هو أنها تحتاج الى وقت طويل، كما أنها تستهلك لأنها طريقة التجربة والخطأ.

بالإضافة الى ذلك تقنيات أخرى مثل (bode plot) وتقنيات تحديد موضع الجذر شائعة أيضاً، ولكنها تتطلب النمذجة الرياضية للنظام في حالة (FDBC)، بحيث تحتوي وظيفة نقل الإشارة الصغيرة على صفر على الجانب الأيمن من المستوى (S)، مما يجعلها نظام طور أدنى، بحيث ستعمل (Bode) مع أنظمة الطور غير الدنيا فقط، لذلك لا يمكن استخدامها لتصميم وحدة تحكم (PI) لـ (FDBC).

كما لم تكن تقنية تحديد موقع الجذر شائعة جدًا قبل ظهور أدوات رياضية قوية مثل (MATLAB) و (Octave) وما إلى ذلك، والسبب هو أن هذه الطريقة كثيفة للغاية من الناحية الحسابية وتتطلب حسابات رياضية معقدة تزيد من مساحة الخطأ، ولفهم هذه التقنية دعنا نأخذ مخطط كتلة عام لمحطة مغلقة الحلقة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي.

الآن للحصول على موقع عمود (TFc) ؛ فإنه يجب أن يكون التيار المستمر مساوياً للصفر.

الآن بالنسبة لقيمة معينة من (Gc ،Gp ،H)، لذلك اذا تم القيام بتغيير (K)، ومن ثم سيختلف موقع أعمدة (TFc) وفقاً لذلك؛ فإنه يتم الحصول على قيم (Kp ،Ki) لوحدة التحكم في الجهد (FDBC)، وباستخدام تقنية موضع الجذر.

وأخيراً كما تم تصميم وتنفيذ نظام قائم على (PV) يستخدم محول التعزيز المزدوج العائم (FDBC) وعاكس مصدر الجهد ثلاثي الطور (VSI) ومحرك تحريضي قفص السنجاب ثلاثي الطور (مضخة)، لذلك لقد لوحظ أن الجهد الكهربائي (DC-link) الذي تم الحصول عليه من محول (DC-DC)، بحيث يختلف باختلاف جهد الدخل الشمسي.

لذلك؛ فإنه من الضروري التحكم في جهد رابط (DC) للعاكس أو جهد الخرج للعاكس للحصول على أداء أفضل، ومن ثم؛ فقد تم تصميم وتنفيذ جهاز التحكم في وضع الجهد للحفاظ على خرج محول (DC-DC) ثابتاً، كما تم اختبار محول (DC-DC) في حلقة مغلقة لجهد دخل مختلف، كما وتم التحقق من أداء وحدة التحكم في وضع الجهد الكهربائي.