تحليل الشبكة الكهربائية الصغيرة الهجينة ذات الاختراق العالي
تعد الشبكات الصغيرة مكوناً رئيسياً للشبكات الذكية لأنها تعزز قدرة نظام الطاقة على الصمود والاستدامة والاقتصاد والأمن، وفي المرحلة الأولية تم تطوير شبكات صغيرة للتيار المتردد لتوفير الطاقة لأحمال التيار المتردد بينما تم ربط أحمال التيار المستمر داخل هذه الشبكة بواسطة محولات التيار المتردد أو التيار المستمر، كما يمكن أن تعمل هذه الشبكة الصغيرة في الوضع المتصل بالشبكة أو الوضع المستقل.
وفي الوضع المتصل بالشبكة الكهربائية ترتبط الشبكة بالمرفق الرئيسي؛ فإنه يمكن للمرفق توفير أو امتصاص الطاقة، مما يساعد في تنظيم التردد الكهربائي إذا ظهر خطأ في الشبكة، كما يتم استخدام مفتاح التحويل الثابت (STS) لفصل الشبكة عن المنفعة وتدخل الشبكة الصغيرة في الوضع المستقل، بحيث يجب ضمان التوازن الصارم بين العرض والطلب هنا حيث لم تعد المرافق متاحة، كذلك يمكن اعتبار هذه الشبكات الصغيرة المتناهية الصغر وحدات توليد كبيرة، وكل منها يوفر الطاقة لحملها المحلي.
ومع انتشار أحمال التيار المستمر وتوليد الطاقة الكهروضوئية، أصبحت شبكات التيار المستمر الصغيرة مركز الجذب، بحيث تم تصميم هذه الشبكات لتشغيل أحمال التيار المستمر والمساعدة في تقليل خسائر تحويل التيار المتردد والتيار المستمر، بينما يتجه العالم نحو زيادة توليد الطاقة من الطاقة المتجددة؛ فقد أصبحت الأنظمة الكهروضوئية مكوناً رئيسياً لشبكات التيار المستمر.
ولتوحيد مزايا شبكة التيار المتردد والتيار المستمر؛ فإنه يتم اقتراح “شبكة هجينة” حيث تقترن الشبكات الفردية بمحول ربط (ILC)، كما يظهر الشكل النموذجي لشبكة “ميكرو جريد” هجينة في الشكل التالي (1) حيث يتم استخدام عدة (ILCs) متوازية لربط شبكتين فرعيتين، بحيث تحدد استراتيجية تقاسم الطاقة والتحكم عدد المحولات ويمكن أيضاً لـ (ILC) واحد أداء المهمة المطلوبة.
كذلك يعد هذا المحول الكهربائي عنصراً مهماً في التصميم الهجين لأنه يدير الطاقة ثنائية الاتجاه ويساعد في الحفاظ على التردد والجهد المستمر، كما أنه يعتمد استقرار النظام بأكمله بشكل كبير على (ILC)، لذلك يعد تحليل الإشارات الصغيرة أداة مهمة تستخدم لدراسة أداء أنظمة الطاقة في ظل الاضطرابات الصغيرة.
وفي الشبكة المصغرة الهجينة، يعتمد استقرار النظام بشكل أساسي على الشبكات الفرعية الفردية و (ILC)، لذلك لا يمكن إهمال أهمية مخططات التحكم في المحول، حيث تمت مناقشة استراتيجيات مختلفة لتقاسم السلطة لـ (ILC).
نموذج إشارة صغيرة من ILC
يظهر هيكل الشبكة الدقيقة المختلطة قيد الدراسة في الشكل التالي (2)، حيث يتم استخدام مربعات ملونة مختلفة لتحسين التصور والتفسير، كما يتم استخدام التحكم (VSC) في الحلقة الخارجية المعدلة لتمثيل (ILC)، حيث يتم استخدام ثلاثة عوامل تحجيم (k1 ، k2 ، k3)، وذلك لمزاوجة جهد التيار المستمر وقوة المحول وتردد التيار المتردد.
كما تولد هذه الحلقة الخارجية إشارة مرجعية حالية لحلقة التيار الداخلية والتي بدورها تنتج جهداً مرجعياً للمحول، وفي هذا الصدد؛ فإنه يتم استخدام وحدات تحكم التكامل النسبي التقليدية (PI)، ونظراً للتحكم في الحلقة الخارجية المعدلة، بحيث يتم ترجمة أي تغيير في الحمل داخل الشبكة الفرعية للتيار المتردد إلى تغيير في التردد ويجب على (ILC) ضبط قوتها وفق لذلك لتلبية احتياجات شبكة التيار المتردد.
وبالمثل، يُترجم تباين حمل الشبكة الفرعية للتيار المستمر إلى تغيير في الجهد وتختلف طاقة المحول، بحيث يمكّن اقتران هذه الكميات الثلاثة الشبكة الهجينة من الاستجابة لتغيرات الحمل عن طريق تغيير تدفق طاقتها والمساعدة في الحفاظ على جهد شبكة التيار المستمر وتردد شبكة التيار المتردد، كما يتم إعطاء التحكم العام في التدلي على النحو التالي:
وبالمقارنة مع مخططات تدلي الجهد والتردد التقليدية التي تتضمن متغيرين فقط؛ فإن التحكم المعمم يزاوج الطاقة والجهد والتردد الكهربائي، مما يسمح بتمثيل أوسع لهدف التحكم، وفي هذا المخطط يتم تحديد تدلي الجهد والتردد في محطات التيار المستمر والتيار المتردد عبر:
ونظراً لأن المحول يتم تحديده من خلال نسبة عوامل التحجيم؛ فإن استقرار الشبكة الصغيرة الهجينة يعتمد على (k1 ، k2 ، k3)، كما وتجدر الإشارة إلى أنه يتم اعتبار تدفق الطاقة النشط فقط هنا حيث لا يتم تضمين الطاقة التفاعلية في شبكة التيار المستمر، وفي هذا الصدد تتم إدارة التحكم في القدرة التفاعلية في “الشبكة الفرعية للتيار المتردد” من خلال انخفاض جهد التيار المتردد المحلي عند المصادر، كما تم تطوير النموذج غير الخطي للمحول في هذا القسم.
(AC Microgrid): تم تصميم “شبكة التيار المتردد” الصغيرة كمولد متزامن متصل بحافلة التيار المتردد الرئيسية عبر خط نقل، بحيث يوفر المولد الطاقة لحمل التيار المتردد المحلي، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يوفر أيضًا الطاقة لحمل التيار المستمر من خلال المحول، كما تمت مناقشة المعادلات غير الخطية للمولد المتزامن وحمل التيار المتردد في هذا الطرح.
وبالنسبة للمولد المتزامن؛ فإنه تم اعتبار نموذج المولد المتزامن الكلاسيكي من الدرجة الثانية هنا والذي يفترض أن تيار المحرك لـ (emf) الداخلي ولا تيار المحرك للمحور (d) يخضع لتغيرات جذرية في الحالة العابرة، كما تم تصميم المولد على شكل (emf) ثابت خلف مفاعلة، خاصةً إذا واجه النظام أي اضطراب؛ فإن مقدار الجهد يظل ثابتاً عند قيمته المسبقة وتتغير زاوية الدوار مع سرعة الدوار، كما يتم التعبير عن معادلات فضاء الحالة للمولد بواسطة:
(DC Microgrid): يتم تمثيل الشبكة الدقيقة للتيار المستمر من خلال “نظام الطاقة الكهروضوئية” مع محول دفعة / تيار مستمر ووحدة تحكم (MPPT)، بحيث يعمل محول التعزيز على زيادة الجهد الكهروضوئي الناتج إلى جهد ناقل التيار المستمر (vdc) بينما تقوم وحدة التحكم (MPPT) بإخراج دورة عمل المحول بناءً على إشارة الخطأ (vmp − vpv).
كما تم تصميم أحمال التيار المستمر على شكل مقاومات ثابتة متصلة بحافلة التيار المستمر، وفي هذا الطرح لم يتم اعتبار كتلة (MPPT) بسبب ديناميكيتاها البطيئة نسبياً مقارنة بمحول التعزيز، من المفترض أن وحدة التحكم MPPT يمكنها توفير إشارة جهد مرجعي ثابتة لفترات زمنية طويلة وهذا يساعدنا في التعبير عن نظام PV من حيث الصفيف وتعزيز المحول.
وأخيراً قدم هذا الطرح تحليل إشارة صغير لشبكة هجينة مع الأخذ في الاعتبار تغلغل (PV) العالي، كما تم تصميم شبكة التيار المتردد كمولد متزامن من الدرجة الثانية بينما تتكون شبكة التيار المستمر من نظام الكهروضوئية، بحيث تم اعتماد مخطط التدلي المعمم لـ (ILC) الذي يشتمل على تدلي التردد عند طرف التيار المتردد وتدلي الجهد عند طرف التيار المستمر.
لذا فإن أي تغيير في الجهد أو التردد ينتج عنه تدفق الطاقة من شبكة غير محملة إلى شبكة محملة بشكل زائد، كما تمت مناقشة تأثير المكاسب المتدلية على الاستقرار وتم تحديد حدود فعالة لتعزيز هامش الاستقرار، بحيث يتم تحليل الديناميكيات الجانبية للتيار المستمر من منظور مكثف وصلة التيار المستمر ومرشح الحث.
