ضبط توربينات الرياح لتحسين جودة الشبكات الكهربائية

أهمية ضبط توربينات الرياح لتحسين جودة الشبكات الكهربائية

مع تكامل طاقة الرياح على نطاق واسع في الشبكة الكهربائية، وبالإضافة إلى إنتاج الطاقة النشط؛ فإن توربينات الرياح مطلوبة لتوفير الخدمات المساعدة، مثل موازنة الحمل ودعم الطاقة التفاعلية للشبكة، و في هذه الحالات بالإضافة إلى إنتاج الطاقة النشط، بحيث يتم التحكم في (WECS) بطريقة تعوض الحمل التفاعلي والقدرة غير المتوازنة.

كما كانت استراتيجية التحكم في تتبع الحد الأقصى لنقطة الطاقة (MPPT) موضوعاً لدراسات عديدة في التجارب، كما وتم اعتمادها على نطاق واسع في التحكم في أنظمة الرياح، وهي تتمثل في تعظيم الطاقة التي تلتقطها توربينات الرياح عن طريق ضبط معامل القدرة إلى أقصى قيمته، ومع ذلك؛ فإن هذه الاستراتيجية تحد من مشاركة توربينات الرياح في تعزيز جودة الطاقة في الشبكة.

وفي الواقع في حالة (WECS)؛ فإنه لا يمكن توفير تعويض الطاقة التفاعلية وغير المتوازنة إلا ضمن الحدود البناءة للمولد الكهربائي وإلكترونيات الطاقة التي تربط توربينات الرياح بالشبكة، وبالتالي؛ فإن حقن أقصى قوة نشطة يمكن أن يحد من القدرة على حقن قوى التعويض.

ولهذا السبب، في المساهمة الأولى تستخدم طريقة (MPPT)، كما تقترح هذه الورقة استراتيجية تحكم جديدة تتكون من تحديد، لذلك لم يعد الحد الأقصى لمعامل الطاقة، ولكن المعامل الذي يسمح لـ (WECS) على أساس (Doubly-Fed Induction Generator-DFIG)، وذلك لتقليل عدم التوازن وتحسين عامل القدرة (تعويض القدرة التفاعلية) في الشبكة أثناء حقن أقصى طاقة نشطة ممكنة.

ومع ذلك؛ فإن تطبيق الطريقة الجديدة، وذلك لضمان جودة أفضل للطاقة، كما يتطلب حقن تيارات تفاعلية غير متوازنة من المحول الذي يربط توربين الرياح بالشبكة ولسوء الحظ، كما  أظهرت الدراسات أن التحكم في المحول متعدد المستويات، وذلك للتعويض عن القوى التفاعلية وغير المتوازنة، كما يؤدي إلى إبراز عدم توازن الجهد لمكثفات وصلة (DC) لهذه المحولات الكهربائية (عدم توازن مكثف رابط التيار المستمر هو نتيجة لعدم التكافؤ تقاسم الجهد بين سلسلة المكثفات المتصلة).

وبالتالي، في حالة استخدام المحولات متعددة المستويات للاتصال الشبكي لتوربينات الرياح، كما يجب أن يكون التحكم قادراً على إمداد الشبكة بتيار غير متوازن دون إبراز الخلل في ناقل التيار المستمر للمحول، كما تمت معالجة مشكلة موازنة جهد مكثف (DC-link) في المحولات متعددة المستويات على نطاق واسع في الدراسات مما أدى إلى تقديم استراتيجيات مختلفة.

تحويل طاقة الرياح على أساس المولد الحثي ذو التغذية المزدوجة

في هذه الدراسة، يتكون (WECS) من توربينات الرياح، (DFIG) مكثف (DC-link) محولات طاقة ومرشح إخراج كما هو موضح في الشكل التالي (1).

يتم توصيل الجزء الثابت من (DFIG) مباشرة بالشبكة الكهربائية بينما يكون الدوار متصلاً بالشبكة عبر محولين ثنائي الاتجاه، كذلك محول جانب الدوار (RSC) ومحول جانب الشبكة (GSC)، وهما متصلان في محول من الخلف إلى الخلف التكوين من خلال مكثف (DC-link).

• يعمل (RSC) بتردد متغير، كما ويستخدم للتحكم في الطاقة المولدة من خلال العمل على سرعة المولد.

• كما يسمح (GSC) بإيصال التيارات بتردد ثابت تفرضه الشبكة الكهربائية.

• يقلل مرشح الإخراج التوافقيات الحالية.

مع هذا التكوين لـ (WECS)، كما يتم تسليم الطاقة الكهربائية إلى الشبكة من خلال الجزء الثابت من (DFIG)، كما ويتم تبادلها من خلال الدوار، وفي حالة الاستقرار يمكن التعبير عن إجمالي القوة النشطة لـ (DFIG) من خلال:

حيث أن (Ps ، Pr) هما على التوالي القوة النشطة للجزء الثابت والقوة النشطة للجزء المتحرك، حيث العلاقة بين هذه القوى النشطة هي:

حيث أن (s) هو الانزلاق وهو المصطلح الشائع استخدامه لتحديد العلاقة بين السرعة المتزامنة (Ωs) وسرعة الدوران الميكانيكية (Ωm) عند الدوار:

طريقة الكلاسيكية للتحكم (MPPT)

في (WECS)، لذلك لا يتم تحويل كل “طاقة الرياح” المتاحة (Pv)، وهي المتدفقة إلى شفرات التوربينات بسرعة رياح محددة، إلى طاقة ميكانيكية (Pm)، كما يمكن لتوربينات الرياح استعادة جزء فقط من الطاقة الكهروضوئية:

حيث أن (Cp) هو معامل القدرة وهو مقياس لكفاءة توربينات الرياح، ونتيجة لذلك وللحصول على طاقة الرياح المتاحة؛ فإنه يتم الحصول على أقصى قدر من طاقة الرياح الفعالة القابلة للاستخدام عن طريق تعظيم قيمة (Cp)، كما يعتمد هذا المعامل على خصائص التوربين: أبعاد الشفرة ونسبة سرعة الحافة(λ) وزاوية الميل (β)، كما يعرض الشكل التالي (2) الرسم الذي يوضح معامل القدرة (Cp) كدالة لـ (λ) لقيم مختلفة لـ (β).

لزاوية خطوة معينة (β) (منحنى معطى في الشكل 2)، توجد قيمة واحدة فقط لـ تقابل القدرة القصوى، كما يمكن التعبير عن نسبة السرعة الطرفية بدالة نصف قطر الدوار (R) وسرعة الرياح (V) وسرعة التوربين (Ωt) على النحو التالي:

كما يمكن التعبير عنها في وظيفة القسيمة على النحو التالي:

حيث (G) هي نسبة علبة التروس، ونظراً لأنه يمكن التعبير عن (λ) في وظيفة سرعة التوربين، وبالتالي بالنسبة لسرعة رياح معينة (Vv)، تهدف استراتيجية (MPPT) الكلاسيكية إلى ضبط سرعة التوربين للدوران بسرعة الدوران تلك التي يظل نظام الرياح يعمل عندها نقطة ذروة القوة.

قدرة الطاقة لـ (WECS) بناءً على (DFIG)

كما هو موضح في القسم أعلاه باستخدام طريقة (MPPT) الكلاسيكية، وبالنسبة لطاقة رياح معينة؛ فإنه تم تصميم التحكم في (WECS) لضمان حقن أقصى طاقة نشطة في الشبكة واختيار معامل الطاقة (Cp) عند قيمته القصوى.

كما تحدد قدرة الطاقة الحد الأقصى للطاقة النشطة والمتفاعلة وغير المتوازنة التي يمكن للنظام تبادلها مع الشبكة، وبناءً على قدرة الطاقة في (WECS)، بحيث لا يمكن توفير القوى التفاعلية وغير المتوازنة (صلاحيات التعويض التي يتم حقنها لتحسين جودة الطاقة في الشبكة) إلا في حدود التشغيل لـ (DFIG) ومحولات الطاقة، لذلك؛ فإن استخدام طريقة (MPPT) التي تتكون من حقن أقصى طاقة نشطة يمكن أن يحد من إمكانية حقن قوى التعويض.

ولهذا السبب، تقترح هذه الدراسات منهجية جديدة تستمد معامل القدرة الذي يحدد أقصى قوة نشطة ممكنة لا تحد من القدرة على حقن التعويضات التفاعلية وغير المتوازنة: يعطي هذا المعامل الأولوية لجودة طاقة الشبكة أثناء حقن أقصى قدر ممكن من النشاط القوة فيما يتعلق بقدرة الطاقة لـ (WECS).

وعلى عكس طريقة (MPPT)، تم اقتراح استراتيجية تحكم جديدة تهدف إلى تحديد معامل القدرة الأمثل الذي يعزز مشاركة (WECS) في موازنة الحمل وتحسين عامل الطاقة في الشبكة أثناء حقن أقصى قدر ممكن من الطاقة النشطة، بحيث يرتبط تحديد معامل القدرة الأمثل باختيار قيمة الانزلاق المناسبة، كما تحققت نتائج المحاكاة من مساهمة الطريقة المقترحة لإشراك (WTS) في تحسين جودة القدرة في الشبكة مقارنة بطريقة (MPPT).