جودة الطاقة للشبكات الكهربائية الدقيقة ذات الأحمال المختلطة

أهمية تطوير جودة الطاقة للشبكات الكهربائية الدقيقة ذات الأحمال المختلطة

مع زيادة الطلب على الطاقة، أصبح اتجاهاً حتمياً للاستفادة الكاملة من الأجيال الموزعة (DGs)، ونظراً لأن لها مزايا كبيرة مثل تقليل فقد الطاقة وخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتنظيم الجهد المرن ومراقبة الذروة وأعلى جودة الطاقة؛ فإن تحسين موثوقية الإمداد مقارنة بالأجيال المركزية التقليدية، بحيث يجعل التوصيل البيني لمصدر الطاقة الموزع على نطاق واسع شبكة الميكرو.

كذلك ليس هناك شك في أن هذا النوع من التوصيل البيني للجيل الموزع للشبكات الصغيرة سيكون أحد اتجاهات تطوير نظام الطاقة، كما تجدر الإشارة إلى أن التشغيل الآمن والموثوق للشبكة المصغرة بالطاقة الموزعة يعد شرطاً أساسياً مهماً، ومع ذلك؛ فإن الشبكة الصغيرة قريبة من الحمولة وتتأثر بسهولة بالحمل، بحيث ستؤثر زيادة الحمل غير المتوازن والحمل غير الخطي على جودة الطاقة للشبكة المصغرة بأكملها.

وفي الحالات الشديدة؛ فإنه يمكن أن يؤدي إلى انهيار نظام (microgrid) نفسه والتأثير على الجهد والتردد الكهربائي لشبكة التوزيع، بحيث يلعب عاكس المصدر الصغير دوراً مهماً جداً في الشبكة الدقيقة، ونظراً لتوصيل الأجيال الموزعة بشبكة (microgrid) عبر العاكس، بحيث ستؤثر استراتيجية التحكم في المحولات على استقرار النظام وجودة الطاقة.

ومن بين جميع استراتيجيات التحكم في العاكس، يعتبر التحكم في التدلي أفضل استراتيجية في الوقت الحاضر، والتي يمكن أن توزع طاقة خرج العاكس بشكل صحيح تحت وضع الجزيرة للشبكة الصغيرة، حتى لا يوجد خط اتصال مشترك بين (DGs)، وفي الوقت نفسه؛ فإن الجهد ويمكن التحكم في التردد ضمن المعايير الوطنية ذات الصلة من خلال هذه الاستراتيجية.

ومع ذلك، هناك بعض النقص في استراتيجية مكافحة الترهل التقليدية، أولاً لا يمكن توزيع القدرة التفاعلية للنظام بدقة بينما تختلف المعاوقة المكافئة للمصادر الصغيرة، وثانياً لا توجد إجراءات قمع لمكونات التسلسل التوافقي والجهد السالب تحت التحكم التقليدي في التدلي.

كذلك يختلف حجم القوة التوافقية باختلاف كمية الأحمال غير الخطية المدمجة في الشبكة المصغرة، لذلك سيكون لوجود القدرة التوافقية تأثير على أجهزة النظام، بما في ذلك المحولات الكهربائية والمكثفات وآلات الدوران الكهربائية، كما يؤثر الحمل غير المتوازن بشكل مباشر على استقرار النظام، مما قد يتسبب في تلف معدات إلكترونيات القدرة في الشبكة الصغيرة.

طرح النظام المتعدد العواكس لشبكة Microgrid

دائرة نظام (Microgrid) متعدد العواكس: هناك نوعان من العاكسات في نظام (microgrid) الكلاسيكي متعدد العواكس، والتي تتوازى لتزويد الطاقة للحمل المشترك من خلال ممانعات الخط، كما ويمكن توضيح النموذج الرياضي للنظام كما هو موضح في الشكل التالي (1)، حيث يتم نمذجة كل عاكس على النحو التالي جهد مرجعي بمقاومة خرج، كما ويتم نمذجة الحمل كمصدر حالي أو مجموعات من مصادر الجهد والتيار الكهربائي.

إدخال جهاز تحكم (Droop) التقليدي: الرسم التخطيطي للتحكم في تدلي العاكس الموضح في الشكل التالي (2)، وهو جهاز التحكم في الترهل جزء مهم من التحكم في تدلي العاكس.

في التحكم التقليدي في التدلي، تحسب أجهزة التحكم في التدلي التردد والجهد على أساس المصادر الدقيقة تتدلى منحنى الخصائص المميزة، ثم يتم الحصول على الجهد المرجعي (Uref)، وبعد ذلك سيتتبع جهد الخرج لكل عاكس جهده المرجعي عن طريق جهد التغذية المرتدة مزدوج الحلقة المغلقة والتحكم في المصدر، بحيث يظهر جهاز التحكم في مصدر جهد التغذية المرتدة المزدوجة الحلقة المغلقة بالشكل التالي (3).

وفي شبكة صغيرة ذات أحمال غير خطية؛ فإنه يمكن استخدام التحكم التقليدي في التدلي لتحقيق التوزيع الدقيق للقوة النشطة، بحيث يظهر جهاز التحكم في انخفاض التردد والجهد التقليدي في العلاقة التالية:

حيث أن:

[(f i) ، (fdroopi)]: التردد المرجعي وتعليمي.

[(U ∗ i) ، (Udroopi)]: هما الجهد المرجعي والتعليمي.

(mi ، n): معاملين للتحكم في الترهل.

(P ، Q): متوسط القوة النشطة والمتفاعلة بعد التصفية.

(P ∗ i ، Q i): هما معدل القوة النشطة والمتفاعلة.

وعلى الرغم من أنه يمكن توزيع الطاقة النشطة بدقة في ظل حالة مستقرة عن طريق التحكم التقليدي في التدلي؛ فإن اختلافات المعاوقة المكافئة ستؤدي إلى مشكلة توزيع الطاقة التفاعلية، كما أن هناك طريقة فعالة لحل هذه المشكلة عن طريق إدخال مقاومة افتراضية في إشارة مرجعية، والتي يمكن أن تظهر على النحو التالي:

آلية الإنتاج التوافقي في (Microgrid): في حين أن هناك أحمال غير خطية في الشبكة الدقيقة؛ فإن تيار الخرج للعاكس سيشمل المكونات الأساسية والتوافقية، والتي يتم تمثيلها على أنها (iof) و (ioh) على التوالي، ثم يكون جهد خرج العاكس هو:

عندما يكون [GV (s)] هو كسب الجهد الكهربائي؛ فإن [GU (s)] هو كسب متناسب مع حلقة الجهد، كذلك [Zof (s) ، Zoh (s)] هما معاوقة أساسية ومتوافقة مع نفس التعبير الرياضي.

كما أن الصيغة السابقة تتجاهل المكونات التوافقية، لذلك لا توجد مكونات توافقية في الجهد المرجعي، وذلك عند النظر في الأحمال غير الخطية؛ فقد يؤدي ذلك إلى تشويه جهد خرج العاكس وسوف يتدهور إجمالي التشوه التوافقي (THD) أيضاً.

وفي (GB-T 15549-1993) “توافقات جودة الطاقة في شبكة الإمداد العامة”؛ فإنه يمكن ملاحظة أن قيم (THD) البالغة (220) كيلو فولت و (110) كيلو فولت لا تتجاوز (2٪)، وأيضاً قيم (THD) البالغة (35) كيلو فولت و (66) كيلو فولت لا تتجاوز (3.0٪)، كما لا تتجاوز قيم (THD) البالغة (10) كيلو فولت و (6) كيلو فولت (4٪)، ولا تتجاوز قيم (THD) البالغة (0.38) كيلو فولت (2٪).

آلية عدم توازن الجهد ثلاثي الأطوار في شبكة الميكرو: في حين أن هناك أحمال غير متوازنة في (microgrid)؛ فإنه يتم تقديم الجهد ثلاثي الطور للشبكة الصغيرة بشكل غير متماثل، بحيث يمكن تحلل الجهد غير المتماثل ثلاثي الطور إلى مكون تسلسل إيجابي ومكون تسلسل سلبي ومكون تسلسل صفري بطريقة المكون المتماثل.

كما أنه يوجد مكون تسلسل إيجابي مع الدوران الأمامي لسرعة الدوران المتزامن (ω0) ومكون التسلسل السلبي مع تناقض سرعة الدوران المتزامن (−ω0)، وها تجدر الإشارة إلى أنه لا يوجد مكون تسلسل صفري في النظام إذا لم يكن هناك مسار تسلسل صفري.

أيضاً يتم التعبير عن الجهد عند (PCC) في نظام الإحداثيات (α −) على النحو:

وبالتالي:

في المعادلة السابقة يمثل الحرف المرتفع مكونات التسلسل الموجب والسالب، كما يمثل الرمز المنخفض اتجاهاً إيجابياً وسلبياً لنظام إحداثيات تناوب متزامن، بحيث يتم استخدام عامل عدم توازن الجهد ثلاثي الأطوار لقياس درجة انحراف الجهد ثلاثي الأطوار، وهي نسبة مكون التسلسل السلبي إلى مكون التسلسل الإيجابي.

كما سيؤثر على التشغيل العادي للشبكة الصغيرة إذا كان الجهد ثلاثي الأطوار غير متوازن وغير قادر على تلبية احتياجات المستخدم. في (GB-T 15543-2008) “عدم توازن جودة الطاقة ثلاثي الجهد”، بحيث يمكن ملاحظة أن عدم توازن جهد التسلسل السلبي الناتج عن المستخدم لا يتجاوز (1.3٪) لفترة قصيرة، ولا يتجاوز (2.6٪) لفترة طويلة؛ وفي العادة لا يتجاوز عدم توازن جهد التسلسل السلبي لـ (PCC 2.0٪) لفترة قصيرة، ولا يتجاوز (4.0٪) لفترة طويلة.