مخطط الحماية بدون مستشعر لجهد الشبكة الكهروضوئية

تعد المحولات الكهربائية التي يتم التحكم فيها بدورة واحدة (OCC) مناسبة لأنظمة المولدات الموزعة الصغيرة أحادية الطور الكهروضوئية بسبب بساطتها وهيكلها الخالي من حلقة مغلقة الطور وتشغيل أقل من مستشعر جهد الشبكة  الكهربائية وفعالية التكلفة، بحيث يساعد التحكم في عدم استشعار جهد الشبكة في تقليل التكلفة وزيادة الموثوقية في التشغيل، ومع ذلك يتم استخدام أجهزة استشعار مختلفة لتنفيذ آلية الحماية.

تحليل مخطط الحماية بدون مستشعر لجهد الشبكة الكهروضوئية

تستخدم محولات مصدر الجهد المتصلة بالشبكة أحادية الطور (VSI) مع تصنيف أقل من (5) كيلو وات على نطاق واسع في أنظمة المولدات الموزعة (DG) الكهروضوئية السكنية، كما يجب أن يكون تنفيذ ميزات التحكم والحماية لأنظمة العاكس هذه بسيطاً وفعالاً من حيث التكلفة وموثوقاً به، بحيث يعد العاكس الذي يتم التحكم فيه بدورة واحدة (OCC) خياراً مناسباً لمثل هذه الأنظمة نظراً لهيكله البسيط وفعاليته من حيث التكلفة والتنفيذ المجاني للحلقة المغلقة (PLL).

كما تتمثل إحدى طرق تقليل التكلفة وزيادة موثوقية هذه الأنظمة في التخلص من بعض أجهزة الاستشعار، بحيث يمكن أن يؤدي التخلص من مستشعرات جهد الشبكة إلى تقليل المشكلات المتعلقة بالضوضاء والتشويه وتحديد الدقة والإزاحة، وبدلاً من ذلك يمكن أن تعمل العملية بدون مستشعر جهد الشبكة كوحدة تحكم احتياطية أثناء أعطال المستشعر وتجنب فقدان التوليد أثناء فشل المستشعر.

أيضاً تم تنفيذ طرق تحكم مختلفة مثل وحدة التحكم الحالية في التحكم الموجه للجهد والتحكم المباشر في الطاقة والتحكم في القدرة التنبؤية لنموذج مجموعة التحكم المحدودة مع ميزة عدم استشعار الجهد المتردد، بحيث تم أيضاً تنفيذ ميزات مرغوبة أخرى مثل البداية الناعمة لـ (DG) وتعويض القدرة التفاعلية بدون مستشعرات جهد الشبكة الكهربائية، وعلى الرغم من أن المحولات التقليدية القائمة على (OCC) تستخدم جهد الشبكة المستشعر لتشغيلها المستقر.

دور المستشعرات في حماية دائرة العاكس ضمن الشبكات الكهروضوئية

تلعب المستشعرات دوراً حيوياً في حماية دائرة العاكس، لذلك لا غنى عن مستشعرات تيار الشبكة ومستشعرات جهد التيار المستمر للحماية من التيار الزائد والجهد الزائد في جانب التيار المتردد وجانب التيار المستمر على التوالي من (VSI)، ومع ذلك وعادةً ما يتم استخدام المعلومات الواردة من مستشعر جهد الشبكة بواسطة وحدة التحكم للمزامنة، وأيضًا لتنفيذ حماية الجهد الزائد أو المنخفض (OUVP) وصعود الجهد عبر (VRT)، أيضاً يجب ألا تعمل حماية (OUVP) وحماية الجزر إلا بعد تلبية متطلبات (VRT).

كذلك تعد الجزر إحدى السمات الوقائية الأساسية لنظام (DG) المتصل بالشبكة الكهروضوئية، بحيث يتسبب في حوادث تهدد الحياة وتدهور جودة الطاقة وتلف الأحمال وأنظمة (DG)، بحيث تم تطوير أنواع مختلفة من طرق اكتشاف الجزر (IDM) من قبل الباحثين وتصنف بشكل أساسي على أنها طرق سلبية ونشطة، بحيث تعتبر الطرق السلبية بسيطة وسهلة التنفيذ والتشغيل على أساس قياس معلمات النظام عند نقطة الاقتران المشترك (PCC).

ومع ذلك؛ فإن معظم الطرق السلبية تؤدي إلى منطقة عدم اكتشاف كبيرة (NDZ)، كما وتكون عرضة للتعثر المزعج. لا تعتبر منطقة النيوزيلندي مصدر قلق في حالة الأساليب النشطة، ولكن الحقن المستمر للاضطراب للكشف عن حالة الجزر يقلل من جودة الطاقة، حيث أن هناك العديد من برامج (IDM) النشطة القائمة على التغذية الراجعة، بحيث تكمن الفكرة الأساسية في تغيير مجرى الانتقال السلس في لحظة الانتقال إلى الجزيرة، مما يولد انتقالاً كبيراً في الجهد أو التردد الكهربائي.

مخطط الحماية للعاكس من خلال مستشعر الجهد أحادي الطور

يوضح الشكل التالي (1) مخطط دائرة الطاقة لنظام (DG) المتصل بالشبكة المستخدم لدراسة مخطط حماية الجهد المقترح، بحيث يتم توصيل نظام العاكس (H) أحادي الطور أحادي الطور وحمل (RLC)، والذي يستخدم لاختبار (IDM) بالشبكة في (PCC)، كما أنه يتم استخدام قاطع الدائرة (S1) لإنشاء حالة جزيرة.

كذلك يتم استخدام (S2) لفصل (DG) عن (PCC) في ظل ظروف تشغيل غير طبيعية، كذلك الطاقة الناتجة التي يولدها العاكس هي (Pinv + jQinv) والطاقة المستهلكة بواسطة حمل الاختبار هي (PL + jQL) وعدم تطابق الطاقة (الفرق بين قوة الحمل وقوة العاكس)، بحيث يُعطى كـ (ΔP + jΔQ):

أيضاً يتم التحكم في العاكس باستخدام مخطط تبديل قائم على (OCC)، والذي لا يتطلب معلومات جهد الشبكة لتشغيله، بحيث يتم وصف تشغيل وحدة التحكم بدون مستشعر الجهد بشكل موجز بمساعدة مخطط الكتلة، والذي يتم استنساخه في الشكل التالي (2).

كما أنه يتم تحقيق التشغيل المستقر لوحدة التحكم في العاكس بدون مستشعر الجهد عن طريق استبدال إشارة جهد الشبكة في العاكس التقليدي القائم على (OCC) مع مكون أساسي مقدر لجهد خرج العاكس (vI1est)، بحيث يتم تقدير هذا الجهد من نبضات التبديل والجهد (DC-link) باستخدام مرشح تمرير النطاق (BPF) الذي تُعطى وظيفة التحويل [F (s)] على النحو التالي:

حيث أن (ωn) هو التردد الطبيعي و (Qb) هو عامل جودة (BPF).

حماية دائرة الجهد المقترحة باستخدام (VPCC)

يستخدم العاكس المعتمد على (OCC) بدون مستشعر جهد الشبكة والمبين في الشكل السابق (2)، والمكون الأساسي المقدّر لجهد خرج العاكس، حيث أن (vI1est) ترمز لتشغيله، كما أنه يتم الحصول عليها من نبضات التبديل والجهد ذي الارتباط المستمر باستخدام (BPF) من الدرجة الثانية، مما يؤدي إلى حدوث تحول طور صغير في جهد الخرج. يمكن تقدير (VPCC) من (vI1est) عن طريق طرح الجهد عبر محث المرشح، والذي يتم تقديمه بواسطة:

كما يوضح الشكل التالي (3) مخطط الكتلة لتقدير (VPCC)، بحيث يتم الحصول على الجهد عبر محث المرشح عن طريق تمرير إشارة التيار المستشعر من خلال مرشح من الدرجة الثانية يتم توفير وظيفة النقل من خلاله.

كذلك يتم الحصول على وظيفة النقل هذه بضرب (sLf) في [F (s)]. كما سيقوم هذا المرشح بمهمة تمرير التيار المتمايز عبر (BPF) بحيث يكون للجهد الذي تم الحصول عليه عبر المرشح أيضًا نفس إزاحة الطور مثل جهد خرج العاكس المقدّر، بحيث سيؤدي هذا إلى التأكد من دقة قيمة جذر متوسط المربع لـ (VPCC) المقدرة وأيضًا التخلص من مشكلة حساسية الضوضاء العالية التي تمت مواجهتها أثناء حساب المشتق.

وأخيراً تم اقتراح مخطط حماية أقل من مستشعر الجهد ومناسب للعاكس القائم على (OCC) في هذا البحث، بحيث تحمي هذه الطريقة نظام (DG) من أحداث (OUVP) والجزر، بحيث لا يتم الحصول على (VPCC) بمساعدة من جهاز استشعار ويتم تحديده باستخدام طريقة تقدير، كما يقتصر الجهد الحسابي الإضافي لتقدير (VPCC) على تنفيذ مرشح من الدرجة الثانية.

كذلك تقوم آلية (OUVP) بفصل (DG) عن (PCC) بعد تلبية لائحة (VRT، بحيث تم العثور على وقت اكتشاف الجزر من خلال تطوير نموذج استجابة ردود الفعل للنظام، وهي الطريقة المقترحة تعمل خالية من (NDZ) ولا تتطلب أي اضطراب خارجي للكشف عن حدث الجزيرة، ولاحقاً أثبتت الدراسات المحاكاة والتجريبية صحة أداء الطريقة المقترحة ووجدت أنها مُرضية.