تقييم واجهة التيار الكهربائي المتردد من DC Microgrid
في نظام “الشبكة الجزئية” للتيار المستمر؛ فإنه من المهم جداً تحليل كيفية تدفق الطاقة الكهربائية بين شبكات التيار المتردد والتيار المستمر، وفي الواقع يجب تصميم أنظمة شبكة التيار المستمر الذكية بناءً على تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه حيث يمكن نقل الطاقة الكهربائية المتولدة من بعض مصادر الطاقة المتجددة مثل “اللوحة الكهروضوئية” أو خلايا الوقود مرة أخرى إلى شبكة التيار المتردد لدعم شبكة التيار المتردد.
ومن أجل تحليل مشكلات الواجهة بين شبكات التيار المتردد والتيار المستمر؛ فقد تم النظر في طوبولوجيا (AC-DC) المختلفة، بحيث يتم أيضاً مناقشة المشكلات الحالية المتداولة في المقومات المتعددة والموازية لأنظمة شبكة التيار المستمر بالتفصيل من خلال هذا الطرح.
طوبولوجيا محول (AC-DC) لواجهة شبكة (DC Microgrid)
يمكن تصنيف تحويل (AC-DC) لنظام (DC microgrid) إلى الفئات التالية:
الصمام الثنائي والمعدلات التي تسيطر عليها: يعتبر الصمام الثنائي والمعدلات التي يتم التحكم فيها هي بمثابة مسار تدفق طاقة أحادي الاتجاه ويتم تشويه التيارات الخطية من خلال التوافقيات ذات الترتيب المنخفض، وبشكل أساسي أقل من (2) كيلو هرتز، كما أن هناك العديد من الحلول لتحسين جودة الخط الحالي مثل المرشحات المنفعلة في وصلة (DC) و في الواجهة الأمامية للمقوم، بحيث يمكن أن تكون هذه المعدلات إما أحادية الطور أو ثلاثية الطور كما هو موضح في الشكل التالي.
واجهة أمامية نشطة (AFE): يعتبر هذا محول تدفق طاقة ثنائي الاتجاه يوفر شكل موجة تيار خط جيبي عالي الجودة، بحيث يحتوي النظام على ستة مفاتيح طاقة نشطة مثل (IGBTs) أو (MOSFETs)، كما ويتم التحكم فيها بناءً على تقنية تعديل عرض النبضة (Pulse Width Modulation (PWM)) المناسبة.
ومن أجل التحكم في تموج تردد التبديل؛ فإنه يلزم وجود مرشح جانبي أمامي، والذي يمكن أن يكون من النوع (L) أو (LC) أو (LCL)، كما يعتبر مرشح (LCL) شائعاً جداً حيث يمكنه إزالة تيار التردد العالي وتنظيف تيار الخط على جانب الشبكة الكهربائية، حيث يتم توصيل هذا المرشح، وذلك كم هو موضح بالشكل التالي، ومع ذلك ونظراً لوجود مشكلة في استقرار المحول؛ فإن طريقة التخميد المناسبة مطلوبة، ومن طرق التحكم الممكنة هي:
- التخميد السلبي، بحيث يكون عن طريق إضافة المقاوم المتسلسل مع المكثف، مما قد يؤثر على كفاءة النظام.
- التخميد النشط عن طريق إضافة أحد متغيرات الحالة في طريقة التحكم مثل تيار المكثف من أجل تطوير مقاوم افتراضي، وذلك على الرغم من أن الطريقة النشطة يمكن أن تحسن الكفاءة، إلا أن هناك حاجة إلى مستشعر إضافي للقياس.
- تصميم تحكم مناسب حول المرشح، وهو أمر صعب للغاية بسبب إغلاق مواقع أعمدة النظام من الأصل.
تقنيات خاصة: هناك بعض مخططات خاصة بطوبولوجيا (AC-DC)، وهي الموضحة في الشكل التالي، كما أن أكثرها شيوعاً هو نظام أحادي الطور، بحيث يعتمد على “مقوم الصمام الثنائي” مع محول التعزيز في جانب وصلة (DC)، كما تتمثل المزايا الرئيسية لهذا الهيكل في تحسين جودة الخط الحالي وعامل الطاقة للنظام بناءً على “الدائرة النشطة” في نظام ارتباط التيار المستمر، بحيث تم تسمية هذا الهيكل كمرحلة واحدة بدائرة تصحيح معامل القدرة (PFC).
كذلك تم استخدام مفهوم مماثل في الصمام الثنائي ثلاثي الطور أو المعدل المتحكم به، كما وتسمى الطوبولوجيا بالمحث الإلكتروني (EI) كما هو موضح في الشكل التالي (B)، حيث أن الميزة الرئيسية لهذا الهيكل هي القدرة على التحكم في التيار والجهد الوصلة للتيار المستمر تحت ملفات تعريف تحميل مختلفة.
أيضاً يمكن أن يكون تيار الوصلة (DC) إما مسطحاً أو شكل موجة معدل، وفي هذا النظام ثلاثي الأطوار؛ فإنه يعمل كل صمام ثنائي لمدة (120) درجة، وبالتالي يمكن أن يكون تيار الخط موجة مربعة مع أو بدون شكل موجة معدل لتحسين توافقيات تيار الخط، كذلك يقوم مقوم فيينا الموضح في القسم (C) بتسهيل تدفق الطاقة أحادي الاتجاه فقط، لكن تيار خطه يكون جيبياً تقريباً، كما يتم تقليل عدد المفاتيح مقارنة بطوبولوجيا (AFE) وهذا له تأثير كبير على موثوقية وتكلفة النظام.
التوصيل المتوازي من محولات (AC-DC) إلى (DC Microgrid)
يعد التيار المتداول أحد المشكلات الرئيسية للمعدلات متعددة التوازي مع مكثف ارتباط (DC) شائع (على سبيل المثال، في شبكة صغيرة DC)، والذي يجب تقليله إلى أدنى مستوى ممكن، بحيث يعتمد التيار المتداول على طوبولوجيا المقومات وتكوين النظام بأكمله، وفي ما يلي فقد تم النظر في التيارات المتداولة للعديد من الحالات ذات الطوبولوجيا المختلفة.
تعتبر مقومات الصمام الثنائي بمثابة بدائل رخيصة وبسيطة تستخدم في العديد من المنتجات والأنظمة، ومع ذلك تستخدم لتقليل المركبات التوافقية الحالية للخط إلى ما دون الحد، وهو المحدد بواسطة لائحة مثل (IEC)، كما يتم توصيل مرشح سلبي مناسب إما في (DC) الارتباط أو في جانب التيار المتردد من المعدل.
وكما هو مبين في الشكل التالي (A) ، وعند توصيل مقومين متوازيين أو أكثر بشبكة (DC)؛ فإنه يمكن أن يؤثر تكوين المرشح على التيار المتداول بسبب أنواع المرشحات المختلفة أو تصنيف القدرة، كما تم الأخذ في الاعتبار مقومين للديود مع نفس مرشح وصلة (DC).
الاتصال المتوازي للمعدلات ليس له تيار متداول تقريباً، حيث يتم تشغيل وإيقاف مقومات الصمام الثنائي في نفس الوقت بدون تأخير في زاوية إطلاق النار، كذلك عند استخدام مقومات التحكم في نظام ما، بحيث يمكن تحسين جودة الخط الحالي بناءً على شكل الموجة الحالي متعدد المستويات، كما يسمى هذا الهيكل المعدل المعياري المتعدد (MMR).
أيضاً الحالة الأخيرة تتعلق بالتوصيل المتوازي لمحولات (AFE) مع نظام ناقل (DC)، وهو مشترك، كما وتتعلق هذه المشكلة بطريقة (PWM) المطبقة على المحولات المتوازية، لذلك ترتبط جوانب الإدخال لجميع محولات (AFE) بنفس مصادر الجهد ويتم توصيل مكثفات وصلة (DC) بوصلة (DC) مشتركة لجميع المحولات، لذلك يمكن توليد تيار متداول أثناء تبديل الحالات عند تشغيل وإيقاف أجهزة التحويل، بحيث تتمثل إحدى طرق تقليل التيار الدوراني في التحكم في أنماط (PWM) أو زيادة تردد التبديل.
المحولات الإلكترونية لواجهة الشبكة لـ (DC Microgrid)
يعتبر المحول الإلكتروني أو محول الحالة الصلبة (SST) بمثابة تقنية تمكين رئيسية للتنفيذ في هندسة توزيع الطاقة الكهربائية المستقبلية مثل الشبكة الذكية، كما تم تصور تطبيق (SST)، وذلك بالفعل في شبكة صغيرة، بحيث تحتوي مستويات الجر ومركز البيانات.
كما أن هناك العديد من التكوينات المختلفة لـ (SST)، والتي تم الإبلاغ عنها خلال العقدين الماضيين، بحيث تُظهر طوبولوجيا (SST) على أساس الجسر النشط المزدوج (DAB) تطبيقها في نظام (DC microgrid)، حيث يمكن أن تحل محل محول التوزيع السلبي الحالي الذي يتم تشغيله عند تردد الخط 50 هرتز / 60 هرتز، وذلك مع توفير اتصال مباشر بنظام (LVDC).
