نهج التقاط الطاقة القصوى لرفع محولات الطاقة الكهربائية

تحليل نهج التقاط الطاقة القصوى لرفع محولات الطاقة الكهربائية

بالمقارنة مع مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية، لا تزال الطاقة البحرية إلى حد كبير مصدراً غير مستغل للطاقة المتجددة، وذلك على الرغم من أن لديها قدرة طاقة نظرية تبلغ حوالي (77) تيراواط، كما أن الفئات الرئيسية للطاقة البحرية هي طاقة الأمواج وطاقة المد والجزر والطاقة الحرارية وطاقة التناضح، كما تلقت طاقة الأمواج – على وجه الخصوص – باستمرار اهتماماً عالمياً متزايداً على مدار العقدين الماضيين.

كما يُعزى هذا بشكل أساسي إلى الإمكانات الكبيرة لمصدر الطاقة هذا، والتي تقدر بنحو (3.7) تيراواط، وذلك على الرغم من إمكاناتها، إلا أنه يُعتقد أن جزءاً بسيطاً من طاقة الأمواج يمكن استغلالها بسبب التحديات التكنولوجية والاقتصادية الحالية التي تعيق التنمية الواسعة النطاق لمصدر الطاقة الواعد هذا، كما تتأثر الجدوى الاقتصادية التقنية في محولات طاقة الأمواج (WECs) بشكل أساسي بإمكانيات مورد الموجة المتاحة والطوبولوجيا المعتمدة لـ (WEC) وفعالية آلية إقلاع الطاقة (PTO) واستراتيجية التحكم.

لذلك تعد مشكلة التحكم في (WEC) مشكلة معقدة للغاية، لأن (WEC) تشتمل على أنظمة تفاعل متعددة حيث يكون لكل نظام مبدأ التشغيل الخاص به والقيود المادية، علاوة على ذلك؛ فإن الطبيعة غير المنتظمة والمتقطعة لمورد الموجة البحرية تجعل مشكلة التحكم أكثر صعوبة، وبشكل عام يجب أن تزيد استراتيجية التحكم في (WEC) من كمية الطاقة التي يتم التقاطها من موجات البحر المتنقلة، مما يضمن أن الأنظمة الفرعية المختلفة في (WEC) تعمل ضمن حدودها المادية.

على مر السنين، تم اقتراح عدة فئات من استراتيجيات التحكم في الدراسات، حيث أن المفهوم الأساسي لمعظم استراتيجيات التحكم المقترحة هذه هو مبدأ أقصى نقل للطاقة أو مطابقة الممانعة، ومن أمثلة استراتيجيات التحكم القائمة على مطابقة الممانعة التحميل المقاوم (RL) والمقارن المعقد التقريبي (ACC).

وعلى الرغم من كونها سهلة التنفيذ، إلا أن هذه الاستراتيجيات هي حلقة مفتوحة ودون المستوى الأمثل وتستند إلى نموذج إلى حد كبير، وعلاوة على ذلك غالباً ما ينتج عن (ACCs) ديناميكيات غير واقعية (أي العمليات المتطرفة وجهود التحكم)، وهناك فئة أخرى من استراتيجيات التحكم تشمل الاستراتيجيات القائمة على التعقب المؤازر، مثل تتبع السرعة المثلى التقريبي (AVT) مع وظيفة الإثارة المستمرة من القوة إلى السرعة.

نمذجة المحول الكهربائي الخاص بطاقة الموجة

تعتبر (WEC) قيد التحقيق هنا هو نقطة امتصاص مع عوامة نصف كروية تتأرجح ضد منصة ثابتة، كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث تحرك حركة رفع العوامة مباشرة نظام (PTO)، وفي هذا القسم، تم اشتقاق نموذج ديناميكي غير خطي مفصل للموجة إلى الأسلاك يصف أداء طوبولوجيا (WEC) المدروسة هنا.

لذلك يمكن تقسيم نظام (WEC) إلى نظامين فرعيين متفاعلين، حيث أن النظام الفرعي الأول هو نظام (PTO) الفرعي، والذي يحول الطاقة الميكانيكية التي تلتقطها عوامة (WEC) إلى طاقة كهربائية، وعلاوة على ذلك، يعمل نظام (PTO) كمشغل في نظام التحكم من خلال تغيير حركة عوامة (WEC) في الوقت الفعلي، بحيث يستلزم النظام الفرعي الثاني التفاعل بين موجات البحر الواردة وعوامة (WEC).

نموذج (PTO WEC): يشتمل نظام (WEC PTO) على (PMLG) ثلاثي الطور ومحول مصدر جهد ثلاثي الطور مصاحب (VSC)، بحيث يمكن التعبير عن نموذج الإطار المرجعي المتزامن (d –q) لـ (PMLG) على النحو التالي:

حيث أن:

[isd (t) ، isq (t) ،Vsd (t) ،Vsq (t)]: هي تيارات (PMLG) المباشرة والجزء الثابت التربيعي وجهود الجزء الثابت المباشر والتربيعي على التوالي.

(Rs ، Ls ، γ، PM): هي مقاومة الجزء الثابت ومحاثة الجزء الثابت وخطوة عمود المحرك ووصلة التدفق بسبب المغناطيس الدائم على التوالي.

[v (t)]: هي السرعة العالية لمترجم (PMLG).

كما يتم نشر محول مصدر جهد ثنائي الأرجل (2L-VSC) ثلاثي المراحل (2L-VSC) باعتباره (MSC)، وذلك للتحكم في (PMLG)، والذي يتحكم بالتالي في حركة عوامة (WEC)، كما هو موضح في الشكل التالي (2)، وهو متجه الجهد ثلاثي الأطوار (MSC Vs)، بحيث يمكن تصنيعه كدالة لمتجه وظيفة التبديل ثلاثي الطور S (t) والجهد الكهربائي (DC-link Vdc).

حيث:

وباستخدام تحويل (Park and Clarke)، وذلك لتحويل متجه الجهد الثابت ثلاثي الطور [Vs (t)] إلى نظيره المقابل في الإطار المرجعي [d –q].

نموذج النظام الميكانيكي (WEC): يمكن التعبير عن القوى المؤثرة على عوامة (WEC)، والتي تتأرجح في الارتفاع باستخدام قانون نيوتن الثاني للحركة على النحو التالي:

حيث أن:

[fex (t) ، fr (t) ، fb (t) ، frs (t) ، fd (t) ، ff (t) ، fem (t)]: هي الإثارة الموجية والإشعاع الموجي والطفو والاستعادة والسحب اللزج والاحتكاك والقوى الكهرومغناطيسية المتحكم بها على التوالي.

[(mb ، a (t))]: هي كتلة الجسم المتأرجح والتسارع الرفيعة للعوامة على التوالي، كما يمكن تمثيل التسارع الرأسي لعوامة (WEC) على النحو التالي:

يتم تمثيل تأثير قوة إشعاع الموجة كنموذج خطي ثابت للوقت على شكل [q˙ (t) = Arq (t) + Brv (t)]، حيث يمثل [q (t)] متجه الحالة المساعدة للإشعاع ومعادلة الإخراج من [Crq]، كذلك فإن المصفوفات (Ar و Br و Cr) هي مصفوفات حالة الإشعاع، حيث أن المعطيات (m∞ ، Srs ، Rb) هي الكتلة المضافة واستعادة معامل الزنبرك ونصف قطر العوامة على التوالي.

يتم تمثيل قوة الاحتكاك بين الأجزاء المتحركة من (WEC) كنموذج قوة احتكاك كولوم الذي يظهر تأثيرات لزجة (Stribeck) و (μv و μd و μs) هي معاملات الاحتكاك اللزج والديناميكي والساكن على التوالي، حيث (Fn) هي القوة العادية و (t) هي سرعة (Stribeck)، كما يتم تمثيل قوة السحب اللزج كدالة تربيعية للاختلاف في سرعة الرفع بين العوامة وسطح الماء المحيط، كذلك [(ρ و Aw و Cd و vf (t)] هي كثافة مياه البحر ومساحة سطح العوامة المغمورة واللزجة معامل السحب وسرعة ارتفاع سطح الماء.

وهنا تم اقتراح استراتيجية تحكم تنبؤيه قائمة على المقدر للتحكم في ارتفاع (WEC، بحيث تعتمد استراتيجية التحكم على تقنية البحث عبر الإنترنت، حيث توجد وظائف تبديل (MSC)، وهي المثلى في كل مرة (k)، لذلك لا يلزم وجود مسار مرجعي محدد مسبقاً، ونظراً للطبيعة غير الخطية لتقنية (FCS-MPC)، كما يتم نشر نموذج ميكانيكي وكهربائي غير خطي مدمج من (WEC) بسهولة، مما يلغي الحاجة إلى تقسيم مشكلة التحكم إلى مستويين.

كما أثبتت استراتيجية التحكم (RL-FCS-MPC) المقترحة أنها استراتيجية عملية للتحكم في التخميد، حيث لوحظت زيادة ملحوظة في الطاقة المحولة أثناء استخدام موارد (PTO) المنخفضة (على سبيل المثال، انخفاض P ∗ conv / P¯conv وانخفاض f¯em )، حيث يسهل الاستخدام الفعال لموارد مأخذ الطاقة الخارجي من استخدام أنظمة مأخذ الطاقة الخارجي ذات معدلات الطاقة المنخفضة، وبالتالي يقلل من تكاليف النظام.