محولات تشكيل الشبكة لدعم تشغيل نظام الطاقة الكهربائية

يتزايد تغلغل موارد الطاقة الموزعة في الشبكات الكهربائية بشكل مطرد في محاولة للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، بحيث أصبحت المحولات كواجهات بين موارد الطاقة الموزعة والشبكات، وهي أصولاً مهمة في أنظمة الطاقة الحديثة، وفي السنوات الأخيرة اكتسب تطوير وتطبيق محولات تشكيل الشبكة قوة جذب كبيرة نظرًا لقدرتها على دعم عمليات شبكة الطاقة.

تحليل محولات الشبكة لدعم تشغيل نظام الطاقة الكهربائية

مع زيادة الوعي العام بالقضايا البيئية؛ تم بذل جهود كبيرة لاعتماد موارد الطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء للقضاء على استخدام الوقود الأحفوري، بحيث شهدت موارد الطاقة الموزعة القائمة على الطاقة المتجددة (DERs)، مثل أنظمة الرياح والخلايا الكهروضوئية (PV) نمواً كبيراً في العقود الأخيرة، كما وتلعب بالفعل أدواراً مهمة في سوق الكهرباء.

وفي الوقت نفسه ومع تطور تقنيات تخزين الطاقة؛ أصبحت أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESSs) والمركبات الكهربائية (EVs)، أيضاً مكونات أساسية لنظام الطاقة تساهم في أنظمة الطاقة الحديثة، ولتنظيم الخصائص التشغيلية لـ (DERs) وإجراء تحويل الطاقة الذي يفي بمتطلبات معايير التوصيل البيني للشبكة؛ فإن العاكسات هي الواجهة الأكثر أهمية المطلوبة في هذه الأنظمة.

تأثير الاختراق العالي على نمو مزايا النظام الكهربائي

جلب الاختراق العالي لـ (DERs) العديد من مزايا النظام، مثل مرونة تدفق الطاقة لخدمات الإضافية وحلاقة الذروة، ولكنه يؤدي أيضاً إلى تحديات تشغيل جديدة في شبكات الطاقة الكهربائية من محولات (DER) التقليدية هي بشكل عام محولات تتبع الشبكة (GFL)، والتي تُستخدم لتعظيم إنتاج طاقة (DER) وتغذية الطاقة عالية الجودة للشبكات الرئيسية.

كما أدى عدم وجود اعتبارات تشغيل الشبكة في محولات (GFL) التقليدية هذه إلى حدوث مشكلات في استقرار النظام وموثوقيته؛ وفضلاً عن تحديات التحكم نظراً لخصائص القصور الذاتي الصفرية، مما يقلل من القصور الذاتي الكلي لأنظمة الطاقة ومما يجعلها عرضة لتغيرات الشبكة الكهربائية.

وعلى الرغم من أن وظائف دعم الشبكة ووظائف التحكم في التدلي قد تم دمجها في محولات (GFL)، والتي تساعد على تشكيل شبكة الطاقة في ظل ظروف مختلفة؛ إلا أنها عانت من قيود تشغيلية شديدة لأنها فقط الوظائف الإضافية لمحولات (GFL) ولها حدود تحكم خاصة بها.

أما في الآونة الأخيرة؛ فقد جذب مفهوم “تشكيل الشبكة” (GFM) الكثير من الاهتمام، لأنه تم تطويره بشكل أساسي مع تعزيز الدعم لعمليات نظام الطاقة، كما تم تصميم محولات (GFM) عموماً كمصادر جهد تنظم جهدها وتردداتها بالتآزر مع شبكات الطاقة من خلال وظائف (GFM) المختلفة.

أما وظائف التحكم في التدلي هي وظائف التحكم في المذبذب الافتراضي ووظائف المولد الافتراضي المتزامن هي الوظائف الأكثر شيوعاً المستخدمة في محولات (GFM) لتوفير دعم الجهد والتردد الكهربائي أو القصور الذاتي لشبكات الطاقة ولتمكين عملية سلسة مع محولات متوازية.

تطور وظائف شبكات الطاقة الكهربائية وتحقيق التمكين المطلوب

كما تم تطوير وظائف (GFM) الأخرى لمحولات (GFM)، مثل وظيفة المزامنة الذاتية ووظيفة التحكم المنسقة وكذلك وظيفة انتقال الوضع السلس ووصولاً الى وظائف البداية السوداء، بحيث تم اقتراح وظيفة المزامنة الذاتية وبشكل خاص للمحولات القائمة على (DER) ذات المرحلتين، والتي تدمج التحكم في جهد وصلة (DC) مع وظائف التحكم في التدلي.

أيضاً تم تم تطوير وظيفة التحكم المنسقة لدعم تشغيل المحولات في ظل ظروف الشبكة غير المتوازنة، بحيث تتيح وظيفة انتقال الوضع السلس والتشغيل المرن للشبكة الدقيقة بين العمليات المتصلة بالشبكة والجزيرة. توفر وظائف البداية السوداء، وكذلك استعادة شبكة الطاقة من أحداث التعتيم مع اعتبارات عملية، ومن خلال تنفيذ هذه الوظائف؛ تكون محولات (GFM) قادرة على إجراء تنظيم الشبكة وبالتالي تعزيز استقرار الشبكة وموثوقيتها في ظل ظروف التشغيل المختلفة.

التحكم الخاص بوظائف شبكات الطاقة الكهربائية

قبل مناقشة الوظائف المدمجة لمحولات (GFM)، تتم مقارنة عناصر التحكم الوظيفية أولاً بين محولات (GFM) و (GFL)، بحيث يتم تقديم تمثيلات مبسطة لهذه العواكس في الشكل التالي (1)، كما يوضح الشكل التالي (1-a) عاكس (GFL) متصل بالشبكة ويمثل الشكل (1-b) عاكس (GFM) في عملية متصلة بالشبكة، كما ويصور الشكل (1-c) عاكس (GFM) يعمل في شبكة جزيرية صغيرة.

وهنا تكون (Pref ،Qref ،Vref ،fref) هي مراجع التحكم في الطاقة النشطة والقدرة التفاعلية وحجم جهد الشبكة وتردد الشبكة على التوالي، وعادةً ما يتم إنشاء مراجع التحكم هذه بواسطة وحدة تحكم على مستوى النظام أو خوارزمية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، أما (*P∗ ،Q∗ ،V* ،f) هي المراجع المعدلة التي تم إنشاؤها بواسطة وظائف دعم الشبكة بالإضافة إلى الوظائف المضمنة الأخرى للعاكس.

كذلك [V (f)] هو جهد الشبكة الكهربائية [V∗(f ∗)] و [I∗ (f*)] هما جهد الخرج والتيار لمحولات (GFM) و (GFL) على التوالي، كذلك (Zp ،Zs) هما ممانعتان مكافئتان لمحولات (GFL) و (GFM) على التوالي و (Z-load) هو مجموع جميع الأحمال الأخرى في الشبكة أثناء تشغيل الجزيرة.

كما يوضح الشكل التالي (2) مخططات كتلة التحكم الكهربائي المفصلة لكل من محولات (GFL) و (GFM)، وهنا يكون [I (f)] هو تيار الشبكة المقاس، وكذلك (Uout) هو خرج جهاز التحكم وهي زاوية الطور لجهد الشبكة الكهربائية.

وكما هو مبين في مخطط الكتلة الخاص بعاكس (GFL) من خلال الشكل (2-a)P فإن تزامن الشبكة هو الجانب الأكثر أهمية لتوصيل الطاقة بسلاسة ويتم تحقيقه عادةً بواسطة خوارزميات الحلقة المغلقة بالطور (PLL)K ,بعد مزامنة الشبكة يتم إرسال مراجع التحكم إلى كل كتلة تحكم لتحقيق الأداء المطلوب.

,على العكس من ذلك واعتماداً على خوارزمية التحكم وبيئة التشغيل؛ فإن المزامنة ليست مطلوبة بالضرورة بواسطة عاكس (GFM)، وكما هو موضح في الشكل (2-b) في العمليات العادية المتصلة بالشبكة يتبع العاكس (GFM) مراجع الطاقة من وحدة تحكم على مستوى النظام أو خوارزمية (MPPT) لتوليد طاقة عالية الجودة تغذي الشبكة.

وفي الوقت نفسه، عند العمل في ظل ظروف الشبكة غير الطبيعية أو ظروف الجزيرة؛ فإن العاكس (GFM) يكون قادر على الحفاظ على جهده وتردده بناءً على مراجع محددة مسبقاً دون الحاجة إلى وحدة (PLL)، بحيث يتم إرسال مراجع النظام من خلال الوظيفة المدمجة إلى وحدة التحكم في الجهد الكهربائي، بحيث يعمل عاكس (GFM) كمصدر جهد نشط لدعم تشغيل شبكة الجزر.

وأخيراً تم تصميم محولات (GFL) بشكل أساسي لإجراء تحويل الطاقة وتزويد الطاقة عالية الجودة إلى الشبكة الكهربائية بقدرات دعم الشبكة ضمن حدود الشبكة العادية، والتي يجب بعدها فصل محولات (GFL)، وعلى العكس من ذلك؛ فإن محولات (GFM) ليست قادرة فقط على توفير الطاقة لشبكة المرافق ولكن لديها أيضاً المزيد من وظائف الدعم، مثل توفير الجهد المباشر ودعم التردد الكهربائي والقصور الذاتي لشبكة المرافق ودعم تشغيل الجزر مع انتقالات الوضع السلس لكليهما العمليات المتصلة بالشبكة والجزر.