التحكم في القدرة التفاعلية الكهربائية أثناء اختلال توازن طاقة

ضرورة التحكم في القدرة التفاعلية الكهربائية أثناء اختلال توازن طاقة

أدى الانخفاض المستمر في تكلفة توليد الطاقة الكهروضوئية إلى تعزيز النمو السريع للمنشآت الكهروضوئية، لذلك من المتوقع أن تكون الطاقة الشمسية إحدى الطاقات المهيمنة في المستقبل، ولتقليل تكلفة الطاقة الكهروضوئية لكل واط؛ يتزايد حجم المحولات الكهروضوئية المركزية بشكل مستمر، وفي الوقت الحاضر يتم زيادة جهد ناقل التيار المستمر إلى (1.5) كيلو فولت، كما ويتم زيادة معدل الطاقة للعاكس المركزي إلى ميغاوات.

ولزيادة طاقة العاكس بشكل أكبر؛ فإنه يمكن توصيل عاكس (MV) مباشرة بخط المرافق (MV)، وبهذه الطريقة لا داعي للمحول الضخم (50) هرتز، والذي لا يوفر المساحة فحسب؛ بل يقلل أيضاً من فقد وضع الاستعداد للمحول الكهربائي.

كما أن المحولات الكهروضوئية ذات الجهد المتوسط ​​المتسلسل، والتي تقضي على المحولات الضخمة منخفضة التردد في المحطات الكهروضوئية المركزية التقليدية، هي مرشحة محتملة للجيل التالي من محطات الطاقة الكهروضوئية على نطاق المرافق، وفي بناء الأنظمة الكهروضوئية المتتالية عالية الكفاءة؛ فإن هناك هيكلان تقليديان هما الهيكل ثلاثي المراحل والهيكل المكون من مرحلتين، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كما يتم استخدام المراحل الثلاث ويمكن حل مشكلة عدم توازن بنية الطاقة النشطة عن طريق التوصيل المتوازي لمحول الطاقة ذي المرحلة الأولى، وذلك مقارنةً بالهيكل ذي المراحل الثلاث؛ فإن الهيكل المكون من مرحلتين في الشكل (1-b)، وهي أكثر فائدة من حيث الكفاءة والتكلفة بسبب تقليل مراحل القدرة.

ومن القضايا المهمة في تصميم نظام التحكم للمحولات ذات المرحلتين عدم توازن الطاقة النشط، قد تختلف طاقة الخرج للألواح الكهروضوئية مع تغير الإشعاع ودرجة الحرارة وما إلى ذلك، وفي المحولات ثلاثية المراحل؛ فإنه يتم حل مشكلة عدم توازن الطاقة النشطة عن طريق إنشاء ناقل تيار مستمر لتوزيع الطاقة من خلال وحدات الطاقة.

وبالنسبة للمحولات ذات المرحلتين، لا يتوفر ناقل التيار المستمر بسبب عدم وجود محولات (DC / DC) الأمامية، وبالتالي يعد عدم توازن الطاقة النشط مشكلة حرجة بالنسبة للمحولات المتتالية ذات المرحلتين الكهروضوئية ذات الجهد المتوسط.

كذلك تم اقتراح العديد من الطرق المعقدة لحل مشكلة عدم توازن الطاقة النشطة، حيث إن أبسط طريقة هي التحكم في جهد الوحدة الذي يتناسب مع قوتها النشطة، والوحدة تكون ذات أكبر قوة نشطة سوف تقوم بتعديل مفرط بسهولة في ظل حالة عدم توازن الطاقة، وذلك كما هو موضح في الشكل (2-b)، كما يتم إدخال دائرة توازن الجهد بين وحدة الطاقة لموازنة الطاقة النشطة.

تحليل المحول الكهروضوئي المتتالي في ظل حالة عدم توازن الطاقة

مشكلة عدم توازن القوى: ومن أجل التبسيط، تم النظر في محول (PV) متتالي مع (3) وحدات في هذا البحث، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وذلك بافتراض أن الطاقة النشطة والقدرة التفاعلية والقدرة الظاهرية لكل وحدة هي (Pi ، Qi ، Si) على التوالي، وأيضاً عنصر قيمة (RMS) الأساسي لجهد الخرج لكل وحدة هو (Vsi)، وبالإضافة إلى قيمة (RMS) الأساسية لجهد الخرج الإجمالي هي (Vs)؛ فإن قيمة (RMS) الأساسية لجهد الشبكة والتيار هي (Vg ، Ig) على التوالي.

أيضاً (Pg) هو إجمالي الطاقة النشطة الناتجة، (Qg) هو إجمالي الطاقة التفاعلية الناتجة، كما يوضح الشكل التالي (2)، وهو مخطط الطور مع (Pg> 0 و Qg = 0)، وللتمييز بين العناصر النشطة والمتفاعلة لتيار الشبكة (Ig)، بحيث يتم محاذاة المحور (d) مع طور جهد الشبكة والمحور (q) متخلف عن المحور (d) بواسطة (90) درجة، وأيضاً للتمييز بين المكونات النشطة والمتفاعلة لجهد الخرج (Vs)، بحيث يتم محاذاة المحور (d) مع تيار الشبكة (I˙g) والمحور (q) متخلفاً عن المحور (d) بمقدار (90) درجة.

كما أن العلاقة بين جهد الخرج الكلي (V˙s) وجهد الشبكة الكهربائي (V˙g) وتيار الشبكة (I˙g) هي:

حيث (XL = ωgLg. ωg) هو التردد الزاوي لجهد الشبكة، (Lg) هو محث المرشح، وعندما لا تنتج وحدات الطاقة طاقة تفاعلية؛ فإن جهد الخرج لكل وحدة طاقة (V˙si) يتناسب مع وحدة الطاقة النشطة المقابلة (Pi)، وهي:

وعندما تكون طاقة الخرج (Pi) متوازنة، أي أن (P1 = P2 = P3)، سيكون حجم جهد الخرج لكل وحدة طاقة هو نفسه، أي (Vs1 = Vs2 = Vs3.)، بحيث تم توضيح مخطط الطور في الشكل (2-a)، وذلك عندما تكون طاقة الخرج (Pi) غير متوازنة، مثل (P1 <P2 <P3)؛ فإن جهد الخرج (Vs3) سيكون الأكبر بين وحدات محول الطاقة الثلاث.

وفي بعض الحالات، عندما يكون عدم توازن الطاقة خطيراً؛ فإنها تميل الوحدة (3) إلى الإفراط في التشكيل، وذلك كما هو موضح في الشكل (2-a)، لذلك قد يؤدي التعديل المفرط إلى عدم الاستقرار وارتفاع (THD) الحالي ويعتبر التحكم في القدرة التفاعلية هو حل جيد للتكيف مع اختلال توازن الطاقة.

تحليل مخططات (RPC) التقليدية: في هذا القسم، سيتم تحليل مخططات (RPS) و (APS) المذكورة أعلاه؛ فإنه سيتم حساب المنطقة المجدية لهذين المخططين والقوة التفاعلية المطلوبة، كما يمكن حساب جهد الخرج (d ′) ومكونات كل وحدة (Vsid ′) على النحو التالي:

حيث أن (Vsd ′) هي مكونات (d ′) لجهد الخرج الكلي، كذلك (N) هو رقم الوحدة، ومن خلال تجاهل تأثير محث المرشح في المعادلة الأولى، حيث يمكن حساب جهد الخرج (q ′) ومكونات كل وحدة (Vsiq ′) كما يلي:

حيث أن (Vsq )′ هي مكونات (q ′) لجهد الخرج الكلي، ومع المعادلات التالية يكون جهد الخرج لجانب العاكس كما يلي:

وبالنسبة لنظام (RPS)، ستكون القوة التفاعلية لكل وحدة هي نفسها، أي:

حيث (N) هو عدد وحدات الطاقة، كما يتم تحديد جهد الخرج لكل وحدة طاقة بواسطة (Vmax)، وهو:

ومن خلال تحديد جهد وحدة الطاقة عند (Vmax)؛ فإنه يمكن حساب الحد الأدنى من الطاقة التفاعلية المطلوبة لنظام (RPS)، وهو:

حيث (Pm) هي الطاقة الناتجة النشطة لوحدة الطاقة التي تنتج الطاقة القصوى النشطة، إلى جانب الحد من جهد خرج وحدة الطاقة؛ فإنه يجب ألا تتجاوز الطاقة الظاهرية لوحدة الطاقة الحد الأقصى للقيمة المسموح بها (Smax)، وهي:

كما أن حدود المنطقة المجدية لمخطط (RPS) في المعادلة السابقة، وهي موضحة في الشكل التالي (3-a)، والخط الأحمر هو الحد من جهد الخرج للوحدة (1) والخط الأخضر هو الحد من جهد الخرج للوحدة (2) والخط الأزرق هو الحد من جهد الخرج للوحدة (3)، كما أن المنطقة المجدية لمخطط (RPS) هي تقاطع المنطقة المجدية من ثلاث وحدات، كما ترد المعلومات المستخدمة في الحساب في الجدول التالي، أيضاً الطاقة النشطة لـ (P3) هي (70) كيلو واط.

وبالنسبة لنظام (APS)؛ فإنه يتم التحكم في الصلاحيات الظاهرة للوحدة النمطية لتكون هي نفسها، بحيث يمكن حساب القدرة التفاعلية لكل وحدة بواسطة:

حيث يمكن حساب القوة الظاهرة لكل وحدة (Sref) بواسطة:

كما أن حدود المنطقة المجدية لمخطط (APS) تكون موضحة في الشكل (3-b)، بحيث يتضح من الشكل السابق (3-b)، حيث أن المنطقة المجدية لخطة (APS) تختلف عن مخطط (RPS).

كما أن الحد الأدنى من القدرة التفاعلية المطلوبة لنظام (RPS) ومخطط (APS) تكزن موضحة في الشكل التالي (4).