واجهة شبكة التيار المستمر لمعمارية المولد الكهربائي المتكامل

تعد بنية المولد الكهربائي المعدل المتكامل مرشحاً واعاداً لحصاد الطاقة من الرياح البحرية، كما أن الميزة الأكثر جاذبية لهذه البنية هي أن غالبية الطاقة تتم معالجتها بواسطة ثنائيات موثوقة وفعالة وغير مكلفة تعمل على تردد المولد، بحيث يعد استخدام شبكات تجميع التيار المستمر.

تحليل واجهة شبكة التيار المستمر لمعمارية المولد الكهربائي

كانت المولدات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSGs) هي الخيار المفضل لأنظمة حصاد طاقة الرياح البحرية، وذلك نظراً لارتفاع كثافة عزم الدوران وزيادة الكفاءة والموثوقية المحسنة وركوب الأعطال بشكل أفضل من خلال القدرة، كما أن هناك حاجة إلى محولات (AC – DC) للتفاعل بين خرج نوع التردد الكهربائي المتغير الجهد من (PMSGs) وشبكة التيار المستمر.

كذلك مقوم جسر الصمام الثنائي هو أبسط محول تيار متردد إلى تيار مستمر بكفاءة عالية، ومع ذلك لا يمكنه تنظيم جهد خرج التيار المستمر، لذلك؛ فإنه يتطلب محولات إضافية “للتيار المستمر” مع علاقة تناسبية عكسية بين كسب محول التيار المستمر وسرعة الرياح، بحيث يؤدي هذا إلى زيادة تصنيف الجهد والتيار لأجهزة “أشباه الموصلات”، وبالتالي زيادة معدل تبديل فولت أمبير (VA) وخسائر التوصيل.

أيضاً يمكن لمحول ذي ستة مفاتيح تقليدي من مستويين، وهو مناسب لتطبيقات الجهد المنخفض من حيث تنظيم كل من جهد وصلة التيار المستمر وعامل طاقة الإدخال، كما تُستخدم المحولات ذات النقطة المحايدة والمثبتة على أساس المكثف الطائر للتطبيقات ذات الجهد المتوسط ​​(MV)، ومع ذلك يتطلب المحول ذو النقطة المحايدة عدداً كبيراً من الثنائيات المثبتة مع زيادة عدد المستويات.

طوبولوجيا المولد الكهربائي الخاص بشبكة التيار المستمر

لقد ثبت أن طوبولوجيا المولد المعدل والمتكامل بأنها واحدة من عدة بدائل واعدة لحصاد الطاقة من الرياح البحرية وفي هذا الهيكل يتم توصيل التوربين بجهاز (PMSG) متعدد المنافذ، بحيث يتم توصيل كل منفذ من منافذ (PMSG) إما بمقوم سلبي أو نشط، وذلك كما هو موضح في الشكل (1-A)، ثم يتم توصيل مخرجات التيار المستمر لهذه المقومات في سلسلة لتشكيل رابط تيار مستمر.

كذلك يظهر هذا النوع من الاتصال لتقليل كمية الطاقة التي تتم معالجتها بواسطة المعدل النشط، بحيث يعمل التقليل في التصحيح النشط إلى جانب التخلص من مكثفات المرشح الضخمة للمقوم السلبي عن طريق تغيير الطور للقوى الدافعة الكهربائية الخلفية للمولد (EMFs)، وذلك على تحسين كفاءة النظام الإجمالية وكثافة الطاقة والموثوقية.

دمج شبكات تجميع التيار المستمر مع مزارع الرياح لحصد الطاقة

يعد استخدام شبكات تجميع التيار المستمر لحصاد الطاقة من مزرعة الرياح البحرية اتجاهاً ناشئاً، بحيث يُعزى ذلك إلى استبدال المحولات منخفضة التردد بمحولات متوسطة التردد، مما يقلل بشكل كبير من حجم ووزن وتكلفة النظام ككل، لذلك لقد بحثت المناهج السابقة في الدراسات:

• استخدام شبكة تجميع تيار مستمر متوسط الجهد (MVDC) داخل مزرعة الرياح متبوعة بمرحلة تحويل من (MV) إلى جهد عالي (HV) في المحطة الفرعية البحرية.

• بنية بدون محطة فرعية حيث يتم توصيل مخرجات التيار المستمر للعديد من توربينات الرياح في سلسلة لتشكيل تيار مستمر عالي الجهد (HVDC)، وبالتالي يبقى سؤال مفتوح بأنه كيف من الممكن ربط طوبولوجيا المولد المتكامل بشبكة (MVDC) أو (HVDC)؟

لذلك يمكن أن يكون الحل التقليدي هو توصيل محول تيار مستمر معزول عند خرج مقوم المولد المتكامل بواجهة شبكة التيار المستمر، وذلك كما هو موضح في الشكل (1-A)، وفي هذا النهج يبقى جهد وصلة التيار المستمر (Vact) للمقوم النشط غير منظم ويزيد مع انخفاض سرعة (PMSG، بحيث تقترح هذه الدراسة بنية واجهة الشبكة باستخدام محول تيار مستمر معزول إضافي، وذلك كما هو موضح في الشكل (1-B)، والذي ينظم بشكل مباشر جهد المعدل النشط.

وهذا يقلل بدرجة أكبر من تصنيف المحول (VA) للمعمارية الإجمالية بنسبة (14٪)، حيث أن المساهمة الرئيسية لهذه الدراسة هي إطار عمل تحليلي لتصميم النظام بحيث يتم تقليل تصنيف (VA) المطلوب، لذلك يُترجم التخفيض في متطلبات تصنيف (VA) إلى تقليل إجمالي للخسارة يتراوح بين (28٪ و 72٪)، وذلك اعتماداً على الطاقة المستخرجة، كما يعالج محول التيار المستمر الإضافي (7.6٪) كحد أقصى من إجمالي الطاقة.

تصميم النظام الكهربائي الواصل بين المولدات والقومات النشطة

تشتمل بنية المولد والمحول المقترحة على مقوم نشط ذي مستويين من ستة مفاتيح إلى جانب العديد من مقومات جسر الصمام الثنائي المنفعل واثنين من محولات التيار المستمر المعزول، كما هو موضح في الشكل السابق (1-B)، بحيث يحتوي (PMSG) على منافذ تيار متردد ثلاثية الطور؛ أحدها متصل بالمقوم النشط والباقي متصل بمعدلات جسر الصمام الثنائي المنفعل.

كما يتم تراكم مخرجات المقوم بشكل متسلسل لتشكيل رابط وسيط للتيار المستمر (Vdc)، بحيث يعمل محوّلان منفصلان من التيار المستمر والتيار المستمر، وهما لمحولان الأول والثاني كواجهات بين مخرجات المقوم وشبكة التيار المستم، كذلك يحتوي المحولان الأول والثاني على نسب دوران المحولات الكهربائية (1: n1 و 1: n2) على التوالي.

استراتيجية التشغيل بعد عملية دمج المقومات مع المولدات

لذلك يأخذ المحول (I) الطاقة من (Vdc) أثناء التشغيل بنسبة تشغيل ثابتة تبلغ (0.5)، مما يؤدي إلى نسبة تحويل جهد الدخل والخرج (1: n1)، بحيث يضمن اختيار نسبة تشغيل ثابتة تبلغ (0.5) أقصى استخدام لجميع المفاتيح والمحول، مما ينتج عنه حد أدنى من وحدات محول الأرقام أو متطلبات جهد الدخل لجهد شبكة معين.

وعلاوة على ذلك؛ يعمل محول التشغيل (I) بنسبة التشغيل الثابتة على تقليل تعقيد التحكم وعدد أجهزة الاستشعار، كذلك المحول (II) يكون متصل بإخراج المعدل النشط (Vact) أثناء التشغيل بنسبة تشغيل يمكن التحكم فيها (d)، مما ينتج عنه نسبة تحويل (1: 2dn2)، كما يتم تكديس مخرجي محول التيار المستمر إلى تيار مستمر بشكل تسلسلي لتوصيل شبكة التيار المستمر (Vgrid) من خلال محث (Lgrid).

كما يبقى الهدف من التصميم هو تقليل مجموع تصنيف (VA) لجميع المفاتيح النشطة المستخدمة في المخطط بأكمله، بما في ذلك المعدل النشط بالإضافة إلى محولات التيار المستمر المعزول، كذلك متغيرات التصميم هي عدد منافذ التيار المتردد (k) ونسب تحويل الجهد لمحولات (DC – dc n1) و (2dn2)؛ بينما يعمل التوربين على مدى سرعة يتراوح من (0.55) إلى (1- pu)، وعلى غرار تلك الخاصة بالمولد الحثي القائم على التغذية المزدوجة أنظمة تحويل طاقة الرياح.

بالنهاية قدمت هذه الدراسة واجهة شبكة التيار المستمر لمعمارية متكاملة للمولدات والمعدلات لتجميع الطاقة من الرياح البحرية، بحيث تستخدم الهندسة الوصفية للنظام المقترح (PMSG) والمتعدد المنافذ متصلة بمعدلات سلبية ونشطة متراكبة متسلسلة متبوعة بمحولين للتيار المستمر – (DC)، وعلى عكس محول (DC-DC) واحد في اتصال تقليدي.

وعلى الرغم من أن إضافة المحول (II) في البنية المقترحة يؤدي إلى عدد أكبر من المفاتيح النشطة وبرامج تشغيل البوابة؛ فإن إجمالي معدل التبديل (VA) وخسائر التحويل يتم تقليله بشكل كبير مقارنة بالطوبولوجيا التقليدية، وذلك باستخدام تصميم توضيحي بقدرة حوالي (10) ميغاواط، كما وتوضح هذه الدراسة بأن محولاً إضافياً (DC-DC) يقلل من إجمالي معدل المحول (VA) بنسبة (22.8٪).