دعم تردد الشبكة الكهربائية لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية

نظراً لمزايا مثل كونها نظيفة وآمنة، أصبح توليد الطاقة الكهروضوئية (PV) وسيلة فعالة لحل أزمة الطاقة ومشاكل التلوث البيئي، ومع ذلك؛ فإن العاكس الكهروضوئية لا يتمتع بخصائص القصور الذاتي والتخميد، ومع زيادة تغلغل توليد الطاقة الكهروضوئية في نظام الطاقة، كما أن شكل اتصال الشبكة الكهروضوئية على نطاق واسع تحدياً كبيراً لاستقرار تردد الشبكة الكهربائية.

أهمية دعم تردد الشبكة الكهربائية

من أجل حل أزمة الطاقة العالمية والمشاكل البيئية، تم تطوير مصادر الطاقة المتجددة وخاصة توليد الطاقة الكهروضوئية (PV) بسرعة خلال العقود الماضية، مع زيادة تغلغل توليد الطاقة الكهروضوئية في نظام الطاقة، بحيث تم تقليل نسبة المولدات المتزامنة التقليدية بشكل كبير. يؤدي هذا إلى ضعف استجابة نظام الطاقة لتقلبات الطاقة وأعطال النظام، مما يؤدي إلى مخاطر محتملة على استقرار الشبكة الكهربائية.

تختلف عن توربينات الرياح، لا توجد أجهزة دوران ميكانيكية في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية، ولذلك لا يمكن إطلاق أي طاقات حركية، مثل تلك المخزنة في التوربين وقطار محرك توربينات الرياح لدعم تردد الشبكة لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية، وبالإضافة إلى ذلك تعمل الخلايا الكهروضوئية عادةً في وضع تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، عندما ينخفض تردد الشبكة لا يمكن زيادة الطاقة النشطة الناتجة لتنفيذ التحكم في استجابة التردد.

معالجة مشاكل دعم التردد الكهربائي في الأنظمة الكهروضوئية

لمعالجة المشكلة المذكورة أعلاه؛ فإن دعم تردد الشبكة من نظام توليد الطاقة الكهروضوئية قد أولى اهتماماً واسعاً، كما يمكن أن يؤدي التغيير السريع في طاقة الخرج لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية إلى تقليل عدم توازن الطاقة في الشبكة، مما يساهم في تحسين الخصائص الديناميكية لتردد الشبكة الكهربائية، بحيث تمت محاكاة خصائص القصور الذاتي والتخميد من خلال التحكم في المولد المتزامن الافتراضي (VSG) في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية الذي يعتمد على عاكس المصدر شبه (Z) المخزن.

كما تم اقتراح استراتيجية تحكم منسقة قائمة على (VSG) لامركزية لتقسيم الشبكات الصغيرة التي تتكون من توليد الطاقة الكهروضوئية جنباً إلى جنب مع مخازن طاقة البطارية، كما تم تحسين الأداء الديناميكي للنظام، ومع ذلك كان تغيير طاقة خرج العاكس من أجهزة تخزين الطاقة في المخططات أعلاه، مما أدى إلى زيادة حجم النظام والوزن والتكلفة وأعباء الصيانة.

كذلك يمكن نقل نقطة تشغيل الخلية الكهروضوئية من نقطة الطاقة القصوى، مما يعني أنها تعمل في وضع التحميل، كما ويتم حجز بعض الطاقة، وفيما يتعلق باستراتيجيات التحكم تم اقتراح طريقة تنبؤيه للتحكم في العاكس الكهروضوئي، إلى جانب طريقة تقدير نقطة الطاقة القصوى، كذلك تم توفير استجابة طاقة نشطة سريعة ودقيقة لمجموعة متطلبة من أحداث تردد الشبكة الكهربائية.

أيضاً تم اقتراح استراتيجية جديدة للتحكم في التردد الكهروضوئي التكيفية للاحتفاظ بالحد الأدنى من الطاقة لدعم تردد الشبكة، وذلك استناداً إلى نموذج التعلم الآلي الذي تم تدريبه، كما تم التنبؤ باستجابة تردد النظام في ظل ظروف النظام المختلفة وتم إجراء تخصيص تكيفي لاحتياطيات الفسحة الكهروضوئية، كذلك تم اقتراح التحكم في احتياطي الطاقة المحفز للحدث لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية على مرحلتين من ثلاث مراحل.

طوبولوجيا النظام والتحليل في عملية وضع Deload

طوبولوجيا نظام توليد الطاقة الكهروضوئية المعتمد على (CHB)

وضح الشكل التالي (1)، كذلك طوبولوجيا نظام توليد الطاقة الكهروضوئية القائم على (CHB) ثلاثي الأطوار مع اتصال (Star)، بحيث يتم توصيل عاكس (H-bridge) بسلسلة (PV) مباشرة لتشكيل وحدة (H-bridge. n)، بحيث يتم تتابع وحدات الجسر (H) في كل مرحلة.

أيضاً (C ، L) هما سعة مرشح (DC-link) ومحاثة المرشح الجانبي للشبكة الكهربائية على التوالي، (IPVxj ، Vdcxj) هما تيار الخرج والجهد الكهربائي (DC-link) لسلسلة (PV) في الوحدة النمطية للجسر (H) في المرحلة (xٍ] (x = A ، B ، C ، j = 1،2 ، … ، n). vx و ix] هما جهد الشبكة ثلاثي الطور والتيار المتصل بالشبكة على التوالي، ومن خلال الجهد ثلاثي المستويات الذي تم الحصول عليه من كل وحدة جسر (H)، بحيث يمكن تحقيق جهد خرج نظام مستوى (2n + 1) المعبر عنه أدناه.

حيث أن (mxj) هو مؤشر التعديل لكل وحدة (H-bridge)، ووفقاً لقانون (Kirchhoff)؛ فإن العلاقة بين جهد خرج النظام والتيار هي:

عندما تنخفض طاقة الخرج في بعض الطور بسبب التظليل الجزئي والغبار المتراكم وما إلى ذلك، كما يمكن أن تؤدي طاقة النقل غير المتوازنة ثلاثية الطور إلى تيار غير متوازن متصل بالشبكة من ثلاث مراحل، وهناك طرق حقن الجهد الصفري المتسلسل مثل الحقن الأساسي بتردد صفري، حقن متسلسل صفري بحد أدنى مرجح حقن توافقي مزدوج (1/6) ثلاثة، كما حقن تسلسل صفري مثالي يمكن تطبيقه لتحقيق خرج تيار متوازن متصل بالشبكة ثلاثي الطور.

تحليل منطقة عملية التحميل المستقرة

يظهر منحنى خاصية (P -V) واحد لسلسلة (PV) في الشكل التالي (1)، كما وتتراوح قدرة خرج السلسلة الكهروضوئية من (0) إلى (Pmpp) وهي قدرة الخرج القصوى المقابلة لنقطة القدرة القصوى، لذلك يمكن تحقيق احتياطي الطاقة عن طريق تغيير نقطة التشغيل من نقطة الطاقة القصوى.

التحكم العام في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية

يوضح الشكل التالي (2) مخطط التحكم الشامل لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية القائم على (CHB) ثلاثي المراحل، كما يتم تثبيت مجموع جميع الفولتية (DC-link) مع حلقة الجهد الخارجي، أولاً يتم استخدام مرشح متوسط ​​متحرك (MAF) للتخلص من تموج جهد وصلة (DC) بتردد شبكة مزدوج، كذلك يتم جمع جميع الفولتية (3n DC-link Vdcfxi) ومراجعها (V dcfxi) على التوالي لحساب القيم المتوسطة المقابلة، أيضاً (Vdc − avg) و (V dc −) المرجع.

مع خطأ الجهد الكهربائي، كما يتم تحديد مرجع مكون المحور (d) الحالي المتصل بالشبكة (i ∗ d) من وحدة تحكم (PI)، بحيث يُحسب مرجع مكون المحور (q i ∗ q) وفقاً لأمر الطاقة التفاعلية لخرج النظام من الشبكة الكهربائي، ونظراً لأنه يمكن الحصول على إشارة التيار المتردد صفر خطأ ثابت باستخدام منظم الرنين النسبي (PR)، كما يتم اختياره لتحقيق التحكم الحالي في الحلقة المغلقة في نظام التنسيق (αβ).

لذلك يمكن تجنب تحويل التنسيق المعقد والتحكم المنفصل، مما يؤدي إلى تحسين الخصائص الديناميكية للنظام. يتم الحصول على الزاوية المستخدمة في تحويل التنسيق بناءً على جهد الشبكة المقاس بحلقة مغلقة طور (PLL)، بحيث يتم تنفيذ معوض جهد التغذية الأمامي عن طريق إضافة مرجع جهد حث المرشح من منظم العلاقات العامة إلى مكونات جهد الشبكة في نظام التنسيق (αβ) لتجنب التيار العابر المرتفع أثناء انخفاض جهد الشبكة الكهربائية.

وأخيراً يتم حساب كل مرجع جهد عاكس للجسر (H) بقسمة (v ∗ x) على (n)، وهو عدد الوحدات المتتالية في مرحلة واحدة، ومن أجل الحفاظ على تشغيل مستقر للنظام مع طاقة نقل مختلفة بين الوحدات، كما يجب تعديل مراجع جهد عاكس جسر (H)، ونظراً لأنه تم التحكم في مجموع جميع الفولتية (3n DC-link) لتتبع مرجعها في حلقة الجهد الخارجي، يتم اختيار (3n -1) جهداً عشوائياً.