نظام الطاقة المتجددة الهجين ووحدات التحكم الكهربائي لـ STATCOM

يتم حالياً حث توصيل مصادر الطاقة المتجددة المختلفة (RESs) بالشبكات الكهربائية لتلبية الحاجة الهائلة للطاقة الكهربائية وتقليل المشكلات البيئية ذات الصلة بالمصادر التقليدية، وهذا ما يسمى بالأنظمة الهجينة، ولسوء الحظ تعاني هذه الأنظمة الهجينة من التأثيرات البيئية السلبية المحتملة لهبوب الرياح في أنظمة تحويل طاقة الرياح (WECSs) والتي قد تؤدي إلى تدهور أداء النظام بشكل عام.

تحليل نظام الطاقة المتجددة الهجين ووحدات التحكم الكهربائي لـ STATCOM

أصبح دمج مصادر الطاقة المتجددة (RESs) في الأنظمة الكهربائية أمراً ضرورياً وأساسياً لمواجهة الزيادة الكبيرة في الطلب على الطاقة الكهربائية وتقليل مشاكل التلوث الناتجة عن استخدام الوقود الأحفوري، كما تُستخدم أنواع مختلفة من (RESs) في توليد الطاقة الكهربائية، بما في ذلك طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية (PV) وخلية الوقود والكتلة الحيوية.

كما أن وهناك أكثر اثنين من (RESs) المدمجة في الأنظمة الكهربائية هما الرياح والطاقة الكهروضوئية لصالح مزاياها المتعددة، وهو ما يتضح من معدل النمو السنوي لـ (RESs)، وذلك حسب الشكل التالي (1).

أيضاً لا تستطيع أنظمة الطاقة الهجينة القائمة على أنظمة تحويل طاقة الرياح (WECS) وأنظمة الطاقة الكهروضوئية توفير الطاقة التفاعلية المطلوبة أثناء أحداث الأعطال في النظام، وبالتالي؛ فإن المظهر الجانبي للجهد عند نقطة الاقتران المشترك (PCC) بين (RESs) والشبكة الكهربائية سوف يتقلب، وهذه التقلبات في الجهد لها آثار سلبية على أداء نظام الطاقة، بما في ذلك استقرار النظام وعامل القدرة وجودة الطاقة.

علاوة على ذلك، إذا لم يتم التحكم فيها بشكل صحيح؛ فإن تقلبات الجهد هذه ستتراوح إلى مستويات غير مرغوب فيها والتي ستؤدي إلى فصل هذه (RESs) عن النظام الكهربائي، وذلك بسبب عدم وجود دعم للطاقة التفاعلية للنظام أثناء هذه الأعطال وفقاً لبعض رموز الشبكة وكود شبكة (Nordal)، بحيث يظهر هناك مثال في الشكل التالي (2).

كما يؤدي التحكم غير السليم في تقلبات الجهد إلى فصل غير مرغوب فيه لـ (RESs) من النظام بسبب عدم وجود دعم للطاقة التفاعلية للنظام أثناء هذه الأعطال وفقاً لبعض رموز الشبكة وخاصة (Nordal)، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (2).

المولدات الكهربائية ونطاق التحكم في STATCOM

تم استخدام أنواع مختلفة من المولدات الكهربائية في (WECS)، مثل مولدات الحث ذات الإثارة الذاتية (SEIGs) ومولدات الحث ذات التغذية المزدوجة (DFIGs) ومولدات التردد المحولة (SRGs)، وعلى الرغم من البناء البسيط لـ (SEIGs)؛ إلا أنها حساسة لتغيرات سرعة الرياح ولا يمكنها تشغيل نطاقات سرعة واسعة (DFIGs)، وهي ليست حساسة لتغيرات سرعة الرياح ويمكن أن تعمل في نطاقات سرعة واسعة.

ومع ذلك؛ فإن (DFIGs) لديها حساسية عالية معيبة وتحتاج إلى صيانة مستمرة بسبب هيكل الحلقة الانزلاقية الدوار، ونظراً لمزاياها؛ تُستخدم مجموعات (SRG) بشكل شائع في العديد من تطبيقات (WECS)، حيث إن رخص ثمنها وقوتها وقلة صيانتها المستمرة هي من بين السمات الخاصة لمجموعات (SRG) على الرغم من متطلبات دعم الطاقة التفاعلية.

دعم القدرة التفاعلية لأنظمة الطاقة المتحددة الهجينة

يحتاج دعم الطاقة التفاعلية لأنظمة القدرة الهجينة إلى بعض الأجهزة الخارجية أثناء الأحداث المعيبة، وذلك باستخدام أجهزة مرنة لأنظمة نقل التيار المتردد (FACTS)، بحيث تلعب هذه الأجهزة دوراً أساسياً في تحسين اتصال (RESs) بنظام الطاقة من خلال دعم الطاقة التفاعلية، بحيث يمكن تصنيف أجهزة (FACTS) وفقاً لاتصالها بالنظام إلى مجموعات متسلسلة وتحويلة وسلسلة أو تحويلة، كما أن كل فئة لها استخداماتها وخصائصها.

كذلك تُستخدم أجهزة سلسلة (FACTS) لزيادة سعة خط النقل وضبط تفاعلات الخط، كما تم تمييز المعوضات المتسلسلة المستخدمة في الأنظمة المتجددة الهجينة، وهو معوض الجهد الديناميكي (DVR)، بحيث تدعم أجهزة التحويل الجهد عن طريق حقن وامتصاص الطاقة التفاعلية أثناء ظروف ترهل أو تفاقم الجهد الكهربائي على التوالي.

أما بالنسبة الى نظام التحكم الكهروضوئي تحت التجربة الهندسية؛ فإنه يتكون النظام المدروس من اثنين من (RESs ، SRG-WECS ، PV)، بحيث يتم توصيل (RESs) بالنظام كم خلال عملية اقتران مشترك، كما يتم توصيل ناقل التوصيل المشترك هذا بالشبكة من خلال محولين وخطي نقل، كذلك يتم توصيل (STATCOM) بالنظام في (PCC) لتحسين أداء النظام، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3).

نمذجة نظام التكم الخاص بعناصر النظام الكهربائي

• مولد التردد الكهربائي المحول: يعتبر تصنيع (SRG) متواضعاً، وذلك فيما يتعلق بأنواع المولدات الكهربائية الأخرى، حيث أن لفات الجزء الثابت هي من النوع المركّز وبنية معمارية بسيطة، وبالنسبة للهيكل النموذجي؛ فإن ملفات الجزء الثابت المعاكسة تماماً متصلة بالسلسلة، كما وتشكل نمط حقل ثنائي القطب، بحيث يكون الجزء المتحرك متعرجاً بدون مغناطيس وبقصور ذاتي منخفض نسبياً.

كما يتميز (SRG) ببناء قطب بارز بشكل مضاعف (الجزء الثابت والدوار بارز) متحمس بواسطة محول الجسر غير المتماثل، وفي هذه الدراسة يتم استخدام أربع مراحل، وهي (8/6) أقطاب (SRG) مع البناء الوارد في الشكل التالي (4-a)، كما يوضح الشكل (4-b) هيكل المحول لأربع مراحل (8/6) كذلك أقطاب (SRG).

• نظام الطاقة الكهروضوئية: أصبحت أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مهمة بشكل تدريجي، ونظراً لفوائدها الضعيفة مقارنةً بالموارد الكهروضوئية الأخرى؛ فإنه يمكن استخدام بعض النماذج الرياضية المتناقضة لنمذجة مجموعة (PV)، وعادة ما تكون الخلية عبارة عن صمام ثنائي (p-n) واسع المساحة مع تقاطع بالقرب من السطح العلوي، وبالتالي يمكن ببساطة نمذجة الخلية الشمسية العملية بواسطة مصدر حالي موازٍ للديود، كما تصف هذه الهندسة خاصية (I-V) الخاصة بـ (PV) رياضياً.

كما تم توضيح الدائرة المكافئة للنموذج الكهروضوئي في الشكل التالي (5)، وهو تيار خرج الصفيف الكهروضوئي والجهد هما (I ، V) على التوالي.

• مبدأ STATCOM للعملية والتحكم: يمكن التحكم في (STATCOM)، وهو معوض التحويل الثابت مع تيار الخرج السعوي أو الاستقرائي، وبناءً على جهد (PCC)، كما يمكن وصف مبدأ تشغيل (STATCOM) من خلال مخطط (STATCOM) أحادي الخط ومخطط كتلة التحكم الموضح في الشكل التالي (6-a) و (6-b) على التوالي.

• سرب الجسيمات لضبط معلمات التحكم (PI): يتم أخذ (PSO) في الاعتبار بشكل أساسي لتحديد معلمات التحكم (PI) شبه المثالية للتحكم في تدفق الطاقة التفاعلية بين النظام الهجين والشبكة القائمة على (STATCOM)، وذلك كما هو موضح في الشكل (6-b)، كما تم تخصيص جهازي تحكم (PI) مختلفين لقيادة (STATCOM)، وهناك تكون كل وحدة تحكم (PI) لها مكاسبها الخاصة (Kp ، KI)، كما أنه يتم تقديم عملية التحسين باستخدام (PSO) لتحديد وحدات التحكم (PI) مع تقليل وظيفة (J) الموضوعية.

وأخيراً ويعد استخدام (STATCOMs) لتحسين الأداء الديناميكي للأنظمة الهجينة غير الخطية القائمة على الطاقة المتجددة، بما في ذلك (WECS) و (PV) في وجود هبوب رياح وضمان التشغيل الفعال المستمر للنظام (RESs)، وذلك أثناء الأعطال بمثابة تحدياً حقيقياً يتم التحكم في تدفق الطاقة التفاعلية بين (STATCOM) والنظام الهجين ويتم تنظيم الجهد في (PCC)، وذلك من خلال جدولة شبه مثالية لوحدتي تحكم (PI) باستخدام محسِنات (metaheuristic ، WOA) و (PSO) على التوالي.