استجابة التردد الكهربائي باستخدام مولد الحث لـ Microgrid

تحليل استجابة التردد الكهربائي باستخدام مولد الحث لـ Microgrid

ازداد توليد الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح عاماً بعد عام بسبب التقدم التكنولوجي والمخاوف بشأن انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من توليد طاقة الوقود الأحفوري التقليدي، ومن بين تقنيات توليد طاقة الرياح، يعد المولد الحثي ذو التغذية المزدوجة (DFIG) أحد أكثر التقنيات استخداماً، وذلك نظراً لتشغيله متغير السرعة والتحكم المستقل في الطاقة النشطة والمتفاعلة.

استناداً إلى طوبولوجيا (DFIG) الشائعة، يتم استخدام المحول من ظهر إلى ظهر لتوصيل دوار (DFIG) بالشبك الكهربائية، بينما يتم توصيل لفات الجزء الثابت للمولد مباشرة بالشبكة، ونظراً للتحكم الإلكتروني في الطاقة لـ (DFIG)، كما أنه ليس لديهم استجابة جوهرية لاضطرابات تردد الشبكة، ونتيجة لذلك لا تتغير طاقة الخرج وفقاً للتغيرات في التردد على الرغم من إدراك هذه الاضطرابات بواسطة وحدات التحكم في المحول الكهربائي.

أيضاً تحدث اضطرابات التردد هذه عندما يكون هناك عدم توازن بين الطاقة المولدة من وحدات التوليد والطاقة التي تستهلكها الأحمال، واستجابة لهذا الخلل؛ تميل المولدات المتزامنة المتصلة بالنظام إلى الحفاظ على سرعتها، ونتيجة لذلك تزداد طاقتها الناتجة من أجل تقليل فرق الطاقة، وبالتالي إعادة التردد الكهربائي إلى قيمته الاسمية.

في هذا السياق؛ فإنه من الضروري أن تكون مولدات الرياح، ولا سيما (DFIG) قد نفذت أنظمة تحكم تسمح لها بالمشاركة في استجابة التردد الأولية (PFR) من خلال محاكاة سلوك المولدات المتزامنة، كما يوجد بالفعل العديد من الدراسات البحثية المتعلقة بهذا الجانب، بحيث تستخدم الدراسات البحثية مثل التفريغ لتحريك توربينات الرياح من أقصى استخلاص لنقطة القدرة (MPP) لضمان هامش طاقة مخزّن.

وفي دراسات أخرى تستخدم الطاقة الحركية الموجودة في الكتل الدورانية (DFIG)، من خلال التحكم في القصور الذاتي أو التحكم في الانحدار، ولحقن قوة إضافية، ومع ذلك لديهم جميعاً ثلاث حقائق مشتركة، الأول هو أن طرق الحصول على (DFIG) للمشاركة في تنظيم التردد يتم تنفيذها في المحول الجانبي الدوار (RSC) والثاني هو أنهم يحتاجون جميعاً إلى تعديل عملية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) لتكون قادرة على تخزين الطاقة التي من شأنها تُستخدم أخيراً لتصحيح انحراف التردد.

والجانب الثالث المشترك هو أنها تستخدم تردد تبديل ثابت من خلال تعديل عرض النبضة (PWM) للتحكم في إلكترونيات القدرة، ونظراً لأن التحكم في التدلي يمكن أن يحقق نتائج أفضل؛ فإن بعض الدراسات مثل تقدم نهجاً يأخذ في الاعتبار التحكم المتغير في التدلي، وهذا من أجل الحصول على قيم طاقة دعم مختلفة حسب ظروف التشغيل.

وصف المشكلة الخاصة باستجابة التردد الكهربائي

مولدات الرياح متغيرة السرعة (VSWG)، مثل (DFIG) لا تعدل بشكل مستقل خرج طاقتها النشطة استجابة للتغيرات في تردد الشبكة الكهربائية، وهذه الخاصية تجعل من المستحيل على (DFIG) تقديم خدمات مساعدة، مثل (PFR) في حالة تطلبها تردد النظام الكهربائي، كما ظهرت عدة بدائل حول هذا المجال، وبناءً على مبدأ التحكم المركزي الذي يضمن توازن الطاقة النشطة (التوليد والاستهلاك).

كما يعتمد البحث حول (DFIG) على إعادة إنتاج سلوك المولدات المتزامنة، والتي تهدف أساساً إلى ضخ قدر من الطاقة الإضافية في الشبكة بعد حدث تردد غير متوقع، وذلك عن طريق ضبط الوقود الداخل وفقاً لقدرة الخرج ومراقبة سرعة الدوران بحد ذاتها.

نتيجة لذلك؛ فإن التحديات الجديدة التي قدمتها (DFIG) للمشاركة في (PFR) هي:

• تمكين (DFIG) لتكون قادرة على إدراك التغييرات في الشبكة الكهربائية.

• توليد طاقة إضافية كافية للمساعدة في استعادة تردد النظام، وللتغلب على هذه التحديات، فقد ركز الباحثون بشكل أساسي على الأساليب المعروضة في الشكل التالي (1).

تحكم (DFIG) التقليدي: يتم تقديم التعبير الذي يسمح بحساب الطاقة المستخرجة بواسطة التوربينات الريحية، حيث أن  (ρ) هي كثافة الهواء (كجم / م 3)، و (a) هي المنطقة التي تجتاحها الشفرات (م 2)، (vw) هي سرعة الرياح ( م / ث) و (Cp) هو معامل طاقة التوربينات.

(Cp) خاص بكل توربين وتعتمد قيمته على (β)، والتي تتوافق مع زاوية الميل للشفرات والمعروفة باسم نسبة السرعة الطرفية، وهي الموصوفة في المعادلة، (ωr) تقابل سرعة دوران التوربين (rad / s) و (R) تشير إلى نصف قطر الريشة (m).

عادة يتم تنفيذ التحكم النشط في الطاقة بواسطة المحول الجانبي الدوار DFIG (RSC) وهو مصمم للعمل عند استخراج (MPP) من خلال استراتيجية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT)، ولكل سرعة رياح (vw)، كما أن هناك قيمة (β) وقيمة (ωr) يتم عندها تحقيق عملية (MPPT).

لذلك إذا كانت (β) تساوي صفراً (β = 0∘)؛ فإنها ستزيد من قيمة (Cp)، وعلى العكس من ذلك؛ إذا كانت قيمة (β) مختلفة عن الصفر؛ فإن طاقة خرج التوربين ستكون أقل عند مقارنتها بـ (β = 0∘) لنفس حالة سرعة الرياح، كما هو موضح في الشكل التالي (3)، لكي يكون الدوران (ωr) دائماً هو الأمثل لكل سرعة رياح، بحيث يجب أن يلتزم عزم الدوران الخيار المعطى بواسطة المعادلة التالية.

لائحة تردد (DFIG): وفقاً للبحث المقدم، حيث أن هناك العديد من الاستراتيجيات التي تسمح لأنظمة توليد طاقة الرياح المجهزة بـ (DFIG) بالمشاركة في (PFR)، ومع ذلك تستند هذه الاستراتيجيات بشكل أساسي إلى فكرة احتياطي الطاقة أو “التفريغ”، مما يضمن لـ (DFIG) الحفاظ على جزء من جيلها لحقن طاقة إضافية لاحقاً في وجود حدث في التردد.

وتماشياً مع ما سبق، كما يمكن تصنيف الاستراتيجيات إلى فئتين، ومن ناحية أخرى توجد الطرق التي تعدل زاوية الملعب (β)، ومن ناحية أخرى هي الطرق التي تستخدم الطاقة الحركية المخزنة في الكتل الدوارة للمولد من خلال السرعة الزائدة، وفي هذا العمل يتم تحليل الطرق التي تستخدم الطاقة الحركية.

استجابة القصور الذاتي الاصطناعي والتخفيض والتحكم بالانحدار

تسمح طريقة استجابة القصور الذاتي، والمعروفة أيضاً باسم القصور الذاتي الافتراضي لـ (DFIG) بإعادة إنتاج سلوك المولدات المتزامنة، مما يوفر دعماً نشطاً للطاقة أثناء اضطرابات التردد، كما تستخدم هذه الطريقة معدل تغيير التردد (ROCOF) لتعديل عزم الدوران المرجعي الذي يوفره (MPPT)، وفي لحظة الاضطراب يزداد عزم الدوران مما يؤدي إلى تباطؤ التوربين.

ومع ذلك؛ فإن هذه الطريقة قادرة على تقديم دعم للطاقة فقط في مرحلة تغير التردد الديناميكي، وفي ضوء ذلك يجب إضافة حلقة تحكم أخرى إلى (DFIG -RSC) من أجل دعم الطاقة النشطة لفترة أطول من الوقت، كما تستخدم حلقة التحكم الجديدة هذه التحكم في التدلي لضبط ناتج الطاقة النشطة اعتماداً على انحراف التردد، ولكنها تحتاج إلى تشغيل التوربين أسفل استخراج (MPP)، بحيث يوضح الشكل التالي (3) مخطط كتلة التحكم.

وفي الشكل التالي (4) يشير المصطلح الأول (PMPPT.Kf) إلى القوة التي سيتم استخدامها لـ (DFIG)، وذلك للمشاركة في (PFR)، ولهذا يتم مضاعفة الطاقة المولدة من خلال (MPPT) بواسطة عامل التفريغ (Kf) من أجل توليد احتياطي الطاقة، وهذا يؤدي إلى انخفاض تشغيل الطاقة، بحيث يوضح الشكل تأثير عامل (Kf) على (MPPT).