تأثيرات جودة الطاقة في شبكة صغيرة نموذجية

أنا. مقدمة

يوفر كيان صغير من الشبكة الكهربائية يُعرف باسم Microgrid إمدادات طاقة آمنة وموثوقة للأحمال الحرجة للمجتمعات. كما أنه يوفر إمدادات الطاقة المستدامة والمعتمدة على الذات للمجتمعات في المناطق النائية حيث لا يوجد وصول أو مرفق لنظام طاقة الشبكة الرئيسية. يجب أن تكون MG قادرة على العمل إما في وضع الشبكة أو خارج الشبكة.

تتضمن MG عدة مصادر DG مثل؛ الطاقة المتجددة، ووحدات الطاقة التقليدية، وأنواع مختلفة من خيارات تخزين الطاقة. يوفر DG in MG العديد من المزايا مثل؛ انخفاض انبعاثات الكربون من إمدادات الطاقة، وتحسين كفاءة وموثوقية إمدادات الطاقة، والحد من فقدان الطاقة في شبكة التوزيع، وتأجيل تعزيز مرافق البنية التحتية لشبكة التوزيع وما إلى ذلك. وعلى الرغم من الفوائد، فإن الحكم الديمقراطي يخلق أيضًا العديد من مشكلات PQ مثل؛ تباين تدفق الطاقة الذي يسبب انحرافات الجهد والتردد، وعدم توازن الجهد والتيار، وعامل الطاقة الضعيف، والتشوهات التوافقية، وميض الجهد، وتبلد / انتفاخ الجهد وما إلى ذلك في شبكة توزيع MG.

يعد تحليل PQ لـ MG ضروريًا لتحديد مستوى مشكلات PQ، من أجل تطوير نموذج MG حقيقي مع تحسين ظروف PQ من خلال تدابير التحكم المثلى. تم إجراء العديد من الدراسات والتحليلات من قبل الباحثين حول مشاكل PQ في شبكة الطاقة MG في ظروف مختلفة. تم إجراء تحليل THD من خلال المحاكاة في شبكة توزيع الجهد المنخفض المدمجة النموذجية الكهروضوئية (PV) في ظروف مختلفة. تم العثور على مستويات الجهد والتيار THD عالية في الظروف التالية: اختراق الطاقة الكهروضوئية عند المستوى الأعلى، ووحدة التغذية البعيدة، والحمل المنخفض، والحمل يعمل بعامل طاقة رائد.

تم تحليل مشكلات PQ في نظام طاقة MG نموذجي على مستويات مختلفة من اختراقات الطاقة المتجددة والظروف الجوية من خلال محاكاة برنامج Matlab. وقد وجد أن مستوى قضايا PQ مرتفع، حيث بلغ 66.6%، و99.9% من انتشار الطاقة المتجددة مقارنة بمستوى 33.3%. تم إجراء تحليل THD أثناء دمج PV مع الحمل الخطي وغير الخطي. عند مستوى اختراق الطاقة الكهروضوئية الأعلى مع الحمل الخطي، تم العثور على THD مرتفعًا. عند 10% من اختراق الطاقة الكهروضوئية مع الحمل غير الخطي (فيما يتعلق بالحمل الخطي)، كان THD حوالي 4% بينما عند 15% من اختراق الكهروضوئية مع الحمل غير الخطي، تم العثور على مستوى THD أعلى من الحد القياسي بحوالي 5.06%. بالإضافة إلى تحليل THD، تم تطبيق ثلاثة مؤشرات PQ لتقييم مستوى تشويه الطاقة وتشوه شكل الموجة وعدم التوازن في شبكة النظام. وبالمثل ، في [8] تم تحليله عند ما يزيد عن 50٪ من اختراق الكهروضوئية، يتجاوز مستوى THD للجهد أعلى من المستوى القياسي، كما وجد أيضًا أن انخفاض الجهد THD في أسوأ عقدة عند اختراق المزيد من المحطات الفرعية القريبة من الكهروضوئية وكذلك مع المزيد من الحلقات في شبكة متشابكة للغاية.

في هذه الدراسة، بالإضافة إلى تحليل THD عوامل PQ أخرى مثل؛ تم أيضًا تحليل تباين الطاقة وتغير الجهد ومستوى الجهد غير المتوازن في نموذج نظام طاقة MG نموذجي من خلال محاكاة البرامج. تم تطوير نموذج MG وتحليل التأثير في بيئة برامج PSS-Sincal. ستساعد نتائج هذه الدراسة في تطوير نموذج MG حقيقي مع تحسين ظروف PQ للمجتمعات في المستقبل. يحدد القسم الثاني تفاصيل نموذج MG وأنواع التحليل، ويشرح القسم الثالث نتائج التحليل والمناقشة، وترد نتائج هذه الدراسة والعمل البحثي المستقبلي في القسم الرابع.

ثانيا. موديل إم جي

أ. موديل نظام الطاقة إم جي

ب. تحليل تدفق الطاقة

ج. التحليل التوافقي

ثالثا. النتائج والمناقشة

في هذا القسم نتائج المحاكاة الشاملة، الواردة في الجدول 4 والجدول. 5 تمت مناقشتها بالتفصيل.

أ. تباين الطاقة

يمكن اعتبار الاضطراب الشمسي الناتج عن تأثير السحابة أحد الأسباب الرئيسية لتقطع الطاقة في مخرجات الطاقة الكهروضوئية. يمكن اعتبار انقطاع الطاقة الكهروضوئية في نطاقات زمنية مختلفة مثل؛ في المستوى "الثاني" يسبب وميض الجهد وفي المستوى "الدقيق" يؤثر على تنظيم احتياطي توليد الطاقة في نظام الطاقة [14]. تم أخذ اضطراب شمسي نموذجي لكل وحدة كهروضوئية (100 كيلوواط) بقدرة إجمالية مركبة تبلغ حوالي 1 ميغاواط، متصلة عند العقدة الناقلة LV (415 فولت) N7، في الاعتبار لهذا التحليل. خلال هذه الفترة من الاضطراب الشمسي من 11 ساعة إلى 11:40 ساعة، تمت ملاحظة كل اختلاف في طاقة خرج الطاقة الكهروضوئية من الحد الأدنى 0 كيلووات إلى الحد الأقصى 73 كيلووات، كما هو موضح في الشكل 4.

وفقًا لملف تعريف الحمل اليومي، يظهر في الشكل 5 الطاقة النشطة وتدفق الطاقة التفاعلية من مصادر الإمداد (الشبكة / مولد الديزل). ونظرًا لهذا التأثير التراكمي لتغير الطاقة من جميع الوحدات الكهروضوئية العشر، فإن تباين تدفق الطاقة المقابل من مصدر إمداد الشبكة وقد لوحظت وحدة مولدات الديزل أثناء وضع التشغيل على الشبكة وخارجها. كما هو مبين في الشكل 6، لوحظ اختلاف الطاقة من الحد الأدنى 850 كيلوواط إلى الحد الأقصى 1600 كيلوواط في جانب الشبكة وكذلك من مولد الديزل. يخلق هذا الاختلاف الكبير في الطاقة حالة من الحاجة الملحة إلى احتياطي توليد الطاقة وتنظيمها من مصدر الشبكة أثناء وضع الشبكة لتشغيل MG. وبالمثل، فإن تباين الطاقة الناتجة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية يخلق وضعا لزيادة وخفض متكرر لمتطلبات الطاقة من مولدات الديزل، الأمر الذي سيؤدي إلى زيادة في تأثير التآكل لمكونات وحدة الطاقة التقليدية، وتكاليف الصيانة، وبالتالي تقليل كفاءة مولد الديزل.

الجدول الأول. نتائج تغير القدرة والجهد

الجدول الثاني. نتائج THD وعدم توازن مستوى الجهد

الشكل الأول. اختلاف طاقة الإخراج الكهروضوئية

الشكل الثاني. تباين تدفق الطاقة (الشبكة / DG)

الشكل الثالث. تباين الطاقة (الشبكة / DG)

ب. تغير الجهد

يؤدي تباين الطاقة النشطة للخرج إلى إزعاج تدفق الطاقة التفاعلية مما يتسبب في حدوث تباين محلي في مستوى الجهد عند عقدة ناقل LV N7. أثناء الاضطرابات الشمسية، لوحظ تغير بسيط في الجهد عند عقدة ناقل الجهد المنخفض N7 من الحد الأدنى 97.8% إلى الحد الأقصى 98.1% كما هو موضح في الشكل 7.

الشكل التاسع. تباين الجهد عند عقدة LV BUS N7

ومع ذلك، في حالة التكامل الكهروضوئي ذو المستوى الكبير في شبكة ضعيفة أو عند ذروة الحمل مع حالة الجهد المنخفض، قد يصل تباين الجهد هذا إلى مستوى كبير ويمكن أن يؤثر على أي أحمال حساسة متصلة بعقدة الناقل المحددة.

ج. التشويه التوافقي

تم تحليل الجهد والتيار THD في شبكة MG بنسبة 30% و50% و70% و100% من اختراق الطاقة الكهروضوئية في إشارة إلى الحمل الخطي الإجمالي المتصل عند عقدة ناقل LV N7، والحمل غير الخطي عند عقدة ناقل LV N9، و الحمل المركب (الخطي غير الخطي) عند عقدة ناقل LV N10 على التوالي. وفقًا لمعيار AS4777-2005 [15]، يجب أن يكون THD الحالي للعاكس حتى الترتيب التوافقي الخمسين أقل من 5% ويجب أن تكون مستويات توافق الجهد THD وفقًا لمعيار AS/NZS 61000 [16] حوالي 8%.

يتجاوز مستوى THD للتيار والجهد الحد القياسي لاختراق PV بنسبة 100% عند عقدة ناقل الجهد المنخفض N7 كما هو موضح في الشكل 8. بالنسبة إلى 70% من مستوى اختراق PV، كانت قيمة THD للجهد ضمن الحد القياسي، في حين تتجاوز قيمة THD الحالية الحد القياسي. كان كل من مستوى THD للتيار والجهد أقل بكثير من الحد القياسي بنسبة 50% و30% من مستوى اختراق الطاقة الكهروضوئية. من النتائج المذكورة أعلاه، من الواضح أن التيار والجهد THD يزداد مع زيادة مستوى اختراق الكهروضوئية. ويرجع ذلك إلى التأثير التراكمي لحقن التيار التوافقي من محولات الطاقة الكهروضوئية أثناء المستوى الأعلى من توليد الطاقة الكهروضوئية مع الإشارة إلى تيار الحمل الكامل للحمل الخطي عند عقدة الناقل N7.

وفقًا لنتائج THD عند العقدة الناقلة N9 الموضحة في الشكل 9، كانت قيم THD الحالية لجميع مستويات اختراق الطاقة الكهروضوئية مرتفعة بشكل ملحوظ مقارنةً بالعقدة الناقلة N7 ووجد أيضًا أنها أعلى من الحد القياسي. في 100% من مستوى اختراق الطاقة الكهروضوئية، لوحظ أن جهد THD أعلى بقليل من الحد القياسي (8.1%) وضمن الحد القياسي لمستويات الاختراق الأخرى. ويرجع ذلك إلى تأثير الحمل غير الخطي فقط (معدات الفئة A والفئة D) المتصلة عند عقدة الناقل N9.

تشير نتائج THD عند العقدة الناقلة N10 كما هو موضح في الشكل 10 بوضوح إلى أن قيم THD الحالية كانت عالية وأعلى من الحد القياسي لجميع مستويات اختراق الطاقة الكهروضوئية (100%، 70%، 50% و30%) باستثناء 20%. تم العثور على قيم الجهد THD أقل من الحد القياسي لجميع مستويات الاختراق الأخرى باستثناء 100٪. كانت قيم الجهد والتيار THD عند عقدة الناقل N9 منخفضة مقارنة بنظيراتها في عقدة الناقل N10. ويرجع ذلك إلى تأثير الحمل المركب حيث يتم توزيع الأحمال الخطية وغير الخطية بنسبة متساوية (50٪) عند العقدة الناقلة N10. في هذه الدراسة، لم يتم أخذ المرشح التوافقي (السلبي أو النشط) بعين الاعتبار في شبكة MG. تم أخذ البيانات التوافقية الحالية النموذجية فقط لكل عاكس كهروضوئي وحمل غير خطي في الاعتبار في دراسة تحليل THD هذه.

بناءً على نتائج الشكل 8 والشكل 9 والشكل 10، فمن الواضح أن THD يصل إلى مستوى كبير في حالة المستوى الأعلى من اختراق الطاقة الكهروضوئية، وكمية الحمل غير الخطي الموجود في شبكة MG. هذا عالية. يمكن أن يتسبب مستوى THD في فقدان الطاقة، وارتفاع درجة حرارة الموصلات، والمحولات، وبنوك المكثفات، والمحركات أو المولدات، والتيار الزائد في الخط المحايد وما إلى ذلك. [11] في شبكة MG.

د. عدم توازن الجهد

في هذه الدراسة، تم تقدير مستوى الجهد غير المتوازن من خلال التوزيع غير المتساوي النموذجي للأحمال أحادية الطور والمولدات الكهروضوئية أحادية الطور عند عقدة ناقل الجهد المنخفض N8. وفقًا للمعيار AS/NZS 61000.2 [16]، يجب أن يكون مستوى التوافق لحد الجهد غير المتوازن في شبكة الجهد المنخفض أقل من 3%. في العقدة N8، تم توزيع أحمال الطاقة الشمسية الكهروضوئية أحادية الطور وأحمال الطور الواحد في كل مرحلة على النحو التالي: حمل 10 كيلووات من الطاقة الشمسية الكهروضوئية و300 كيلو فولت أمبير في المرحلة أ، وحمل 100 كيلووات كهروضوئية و100 كيلو فولت أمبير في المرحلة ب، وحمل 200 كيلووات كهروضوئية و10 كيلو فولت أمبير في المرحلة ج على التوالي. وفقًا لملف تعريف الحمل اليومي النموذجي، يظهر في الشكل 11 مستوى جهد كل طور عند العقدة الناقلة N8. وفقًا لملف تعريف الجهد اليومي، لوحظ أنه خلال فترة ذروة التحميل (12:30 ساعة)، يكون فرق مستوى الجهد بين الطور- كانت المرحلة A والمرحلة B وC أكثر مقارنة بفترة الطلب المنخفض (05:30 ساعة). كما هو موضح في الشكل 12 أن مستوى الجهد في المرحلة A كان منخفضًا بحوالي 96.2% (399 فولت)، بينما في المرحلة C كان حوالي 99.4% (413 فولت). من خلال هذا التحليل تم تقدير مستوى الجهد غير المتوازن عند العقدة الناقلة N8 ووجد ضمن الحد القياسي AS/NZS 61000.2 [16] بحوالي 1.48%. ومع ذلك، قد تختلف هذه القيمة وفقًا لحالة الحمل وفقًا لملف تعريف الجهد الكهربي الموضح في الشكل 11، كما يمكن أن تزيد أيضًا عن الحد القياسي في حالة وجود أي شبكة توزيع كبيرة ذات جهد منخفض مع مستوى مقاومة غير متساوٍ، وتوزيع غير متساوٍ للأحمال أحادية الطور والطاقة الكهروضوئية. التوليد في شبكة الجهد المنخفض وما إلى ذلك. يمكن أن يكون لهذا الجهد الزائد غير المتوازن تأثير كبير على خفض تصنيف المحرك التعريفي مع زيادة التسخين والفقد، وزيادة الضغط الحراري للمكونات الإلكترونية ذات المحرك المتغير السرعة (VSD) مع إضافة تيار توافقي ثلاثي وما إلى ذلك. [12].

رابعا. الخلاصة

تسلط هذه الدراسة الضوء على المشكلات الحرجة المتعلقة بجودة الطاقة (PQ) في أنظمة Microgrid (MG)، بما في ذلك تغيرات الطاقة والجهد، والتشوه التوافقي الكلي (THD)، وعدم توازن الجهد، الناتج بشكل أساسي عن تكامل مصادر الطاقة المتجددة (RE) ومحولات إلكترونيات الطاقة (PE) والأحمال غير الخطية. تكشف نتائج المحاكاة أن ارتفاع مستويات اختراق الطاقة الكهروضوئية يزيد بشكل كبير من تشوه الصوت وعدم توازن الجهد، مما قد يؤثر سلبًا على كفاءة وموثوقية أنظمة MG. تتطلب تقلبات الطاقة بسبب الطبيعة المتقطعة للطاقة الشمسية الكهروضوئية تحسين التنظيم، في حين أن عدم توازن الجهد الناتج عن التوزيع غير المتكافئ للحمل يؤثر على المعدات الحساسة ويزيد من عدم الكفاءة التشغيلية.

مع التركيز على التكامل المرشح التوافقي النشط,تعمل حلول PQ المتقدمة من YT Electric على تمكين مشغلي MG من مواجهة تحديات أنظمة الطاقة الحديثة، مما يضمن توصيل طاقة موثوقًا وفعالًا ومستدامًا. يمكن للجهود المستقبلية دمج تقنيات تخزين الطاقة وتحسين استراتيجيات التحكم لزيادة تعزيز PQ وضمان التشغيل السلس لـ MGs في سيناريوهات متنوعة. تعتبر شركة YT Electric شريكًا موثوقًا به لتمكين أنظمة طاقة أكثر ذكاءً ومرونة.