التحكم والحماية في عدم توازن الجهد الكهربائي

ضرورة التحكم والحماية في عدم توازن الجهد الكهربائي

مع التطورات الأخيرة في نظام توزيع الطاقة (DC) والاتجاه المتزايد في استهلاك الكهرباء، ركزت الأبحاث السائدة على الشبكة الصغيرة (LVDC) (DC ذات الجهد المنخفض)، وذلك لرفع مستوى الجهد لشبكات التيار المستمر إلى (MVDC) (تيار مستمر متوسط ​​الجهد)، ومع ذلك تلعب أنظمة التوزيع دوراً رئيسياً في تطوير تقنية شبكة التيار المستمر.

لذلك يعد “محول التيار المستمر” جهازاً مهماً لتحقيق تحويل الجهد والعزل الكهربائي بين توزيع (MVDC) و (LVDC)، كما أن محول التيار المستمر لديه القدرة على نقل طاقة التيار المتردد والتيار المستمر في مستويات مختلفة من التردد والجهد الكهربائي، بحيث شجع التطور السريع في “لأحمال الرقمية” (على مستوى التوزيع) على اعتبار (LVDC) حلاً فعالاً.

ونظراً لأنه يتمتع بإمكانية تحكم أكبر في تشغيل الشقق الصغيرة والشبكة العامة والمباني التجارية وإضاءة الشوارع ومراكز البيانات، علاوة على ذلك؛ فإنه يمكن لنظام توزيع (LVDC) أن يعمل بكفاءة إلى جانب العديد من موارد الطاقة الموزعة (DER)، على سبيل المثال أنظمة تخزين الطاقة (EES) وموارد الطاقة المتجددة (RER). تتمتع شبكات التوزيع بالتيار المستمر بالقدرة المتأصلة على نقل سعة طاقة عالية.

كذلك لأن معظم المصادر والأحمال المتصلة بأنظمة الجهد المنخفض هي بالفعل تيار مستمر، ومن ناحية أخرى، لا توجد قيود على أنظمة توزيع التيار المباشر مثل زاوية الطور والتردد والقدرة التفاعلية وعامل القدرة، وبدلاً من ذلك يحتوي جهد التيار المستمر على عدد قليل من معلمات التحكم المهمة مثل جودة الطاقة وموازنة الطاقة في أنظمة توزيع (LVDC).

أيضاً يعتبر (LVDC) أكثر ملاءمة لتوصيل مصادر الطاقة المتجددة، حيث تولد معظم الأجهزة التيار المستمر وبالتالي؛ فإن توزيع (LVDC) هو بديل جذاب لأنظمة التيار المتردد التقليدية بسبب كفاءتها العالية وأدائها الرمزي، لكن نظام توزيع التيار المباشر، وهو القائم على إلكترونيات القدرة، كذلك هو نظام معقد ومترابط بشكل شامل يحتوي على عدة محولات طاقة متتالية.

ومن خلال مواجهتها من قبل المستخدمين التجاريين والصناعيين بشكل مباشر، تتطلب شبكات التوزيع “موثوقية وأمان عاليين”، أيضاً يكون عدم التطابق بين التوليد والأحمال أمراً يمكن اكتشافه، خاصة عند تغذية كل من “الأحمال الصناعية” ومغذيات “الأحمال المنزلية” معاً، كما ويكون ملف تعريف الحمل متنوعاً تماماً، وبالتالي تنشأ تحديات في الأداء الديناميكي والاستقرار مع الترابط بين المحولات الكهربائية.

ومع زيادة نمو (ESS) في تطبيقات نظام الطاقة، زادت التطورات من تكامل (ESS)، وذلك استناداً إلى نماذج التحكم الموزعة الجديدة في نظام نقل الشبكة الذكية، كما يكشف مسح الأدبيات الأخير أن العديد من عمليات تحويل (DC-DC) حاولت حل مشكلة موازنة الجهد جنباً إلى جنب مع التحكم في تذبذب الإخراج، وفي في دراسة تنظيم الجهد الكهربائي.

طرق التحكم في أخطاء عدم توازن الجهد الكهربائي

كما تم اقتراح طرق التحكم في الأخطاء والتقلبات، وذلك بناءً على الجسر النشط المزدوج لتوزيع التيار المستمر منخفض الجهد، وباستخدام معوض التغذية الأمامي، تم اقتراح تصميم تعويض أمامي للتغذية التكيفية، وبناءً على محول تعزيز (DC-DC)، بحيث تم إنشاء تعديل شبه الموجة المربعة لتطبيق توزيع الجهد المتوسط ​​باستخدام مخطط إزاحة الطور المزدوج (DPS).

أيضاً تم اقتراح موقع خطأ قياس عابر عالي التردد لشبكات توزيع (DC) المعقدة باستخدام نماذج مكافئة عالية التردد لمحول متعدد المستويات (MMC) ومحول (DC-DC) الموازن جهد أحادي المرحلة يعتمد على محول جسر نشط مزدوج ثلاثي المستويات معروض، وذلك تحسين أداء مقوم فيينا في ظل ظروف الشبكة غير المتوازنة، كما يُقترح التحكم العملي القائم على السلبية مع التحكم النشط في رفض الاضطراب.

وفي طوبولوجيا معدلة جديدة لتغطية كلاً من محدد التيار الخاطئ ووظائف استعادة الجهد الديناميكي في المرافق، بحيث تمت مناقشة طوبولوجيا محول التيار المتردد التيار المستمر فقط لتوزيع التيار المستمر ثنائي القطب، وهناك عملان حديثان لتطبيقات تصعيد الجهد العالي، كذلك محول تعزيز متعدد المستويات مع الحد الأدنى من مكونات مضاعف الجهد.

نظام توزيع التيار المباشر الجانبي لنظام (LV)

يظهر الشكل التالي الهيكل الجانبي “للجهد المنخفض” (LV) ونظام التحكم في نظام التوزيع (DC-DC) تم اعتماد نظام توزيع (DC) بثلاثة أسلاك، والذي يتكون من (+375 V) خط حار وخط محايد ونظام خط (375) فولت، وبالإضافة إلى ذلك يمكن لمحولات (DC-DC) اعتماد جهد مصدر (750) فولت، (+375) فولت، (−375) فولت على جانب التحميل، وإذا انقطع أحد الأسلاك؛ فإن النظام لديه القدرة على إمداد الطاقة باستخدام الخطوط الأخرى كمحول إضافي.

كما يعد التحكم في توازن الجهد ضرورياً عندما يوفر مصدر المحول جهداً إما (+375) فولت أو (−375) فولت للأحمال، ومن ثم لتحقيق التوازن بين الفولتية السالبة والموجبة، كما يوجد موازن الجهد بالقرب من المعدل، وذلك بالقرب من جانب التحميل.

كما ترتبط مخازن الطاقة الكهربائية مثل (ESS) والبطاريات الثانوية بخط توزيع التيار المستمر، بحيث يتم توصيل نظام (PV) (الفولتية الضوئية) من محولات (DC-DC) و (DC-AC)، وذلك على جانب الجهد المنخفض، كما يتم تحويل طاقة التيار المستمر على كل محول إلى جهد تيار مستمر أو تيار متردد مطلوب، وذلك على التوالي، بحيث يتم إعطاء خصائص النظام الجانبي LV على النحو التالي:

• محول (DC-DC) ثنائي القطب بثلاثة أسلاك كهربائية على جانب التحميل، والذي يسمح باختيار جهد المصدر (750) فولت أو (+375) فولت أو (- 375) فولت.

• يوفر مخطط توزيع محولات جانب التحميل تفوقاً قوياً في إمداد الطاقة، خاصةً إذا كان هناك ماس كهربائي على جانب واحد من الحمل، على سبيل المثال؛ فلا يوجد تأثير أو اضطراب على الأحمال الأخرى.

• تم اقتراح طوبولوجيا التحكم في الحلقة المزدوجة المغلقة، وهي المصممة بحلقة الجهد الخارجي وحلقة التيار الداخلي، لذلك يتم فصل الحلقة الحالية الداخلية بدون القيمة الدقيقة لمحاثة التعزيز.

كما أنه يمكن الحصول على أنواع مختلفة من الجهد الكهربائي الناتج على سبيل المثال ثلاث مراحل تبدأ من (240) فولت، أحادي الطور (100 فولت)، تيار مستمر (70) فولت، كذلك؛ فإن كل هذه محولات بدون محولات، وبالتالي؛ فإنها تنتج كفاءة أعلى مع مزايا تقليص الحجم، وذلك لأن نظام توزيع التيار المباشر مناسب ومفيد لـ (DG) الذي يكون نوع خرجه هو (DC) على سبيل المثال خلايا الوقود الكهروضوئية والبطاريات الثانوية.

وفي حالة وقوع حادث على جانب الجهد العالي أو الشبكة الكهربائية، يمكن فصل نظام التحكم هذا بسرعة و”توفير الطاقة الكهربائية” باستمرار، وهي عملية إعادة الاتصال سلسة أيضاً، وعندما يكون استخدام الطاقة أكثر من إنتاج الطاقة أو إذا كان هناك حمل زائد مؤقت، كذلك يمكن للنظام أن يتوقف عن توفير الطاقة لمحولات جانب الحمل أو بعض الأحمال الأخرى ويوفر النظام طاقة عالية الجودة للأحمال فقط.