كيفية تحسين جودة الطاقة

هناك العديد من الأجهزة والتدابير لتحسين جودة الطاقة. يمكن استخدام الأجهزة الجديدة ذات الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة كوحدات أساسية لقمع أو تعويض الاضطرابات المختلفة قصيرة المدى والعابرة في نظام الطاقة، في حين أن التدابير التقليدية مناسبة تمامًا لتعديل جهد الحالة المستقرة. يمكن تقسيم أجهزة مراقبة جودة الطاقة إلى الفئات الثلاث التالية وفقًا لوظائفها: أجهزة التعويض التفاعلية، والمرشحات، ومكيفات جودة الطاقة الموحدة (UPQCs) التي تركز على حل مشكلات جودة الطاقة العابرة. من أجل تمكين جهاز مراقبة جودة الطاقة من تفعيل وظيفة التصميم الخاصة به بشكل كامل، فمن الضروري اعتماد طرق تحليل ومراقبة دقيقة وفعالة. أولاً، من الضروري الحصول على معلومات دقيقة وفي الوقت المناسب حول "المصدر"، مثل الجهد ثلاثي الطور، والتيار ثلاثي الطور، والتيار المحايد، والجهد المحايد إلى الأرض، ثم تحليل معلومات المصدر هذه في الوقت الفعلي و بسرعة للحصول على معلومات التحكم المطلوبة. يستخدم جهاز التحكم طرق التحكم المناسبة لإنتاج الإجراءات المقابلة بناءً على معلومات التحكم هذه، وفي النهاية يحصل على تأثير التعويض المثالي.
1. استخراج إشارات التشويش
بالنسبة لمشاكل جودة الطاقة مثل تقلبات الجهد والومضات والتوافقيات وعدم التوازن ثلاثي الطور، والتي تتغير ببطء نسبيًا وتستمر لفترة طويلة، فإن طريقة المكونات المتماثلة وطريقة التحليل التوافقي هي أكثر طرق تحليل المجال الزمني استخدامًا. وتتميز بتعابير رياضية بسيطة ومفاهيم فيزيائية واضحة. ومع ذلك، فإن طريقة تحليل المجال الزمني تحتوي على قدر كبير من الحسابات وتستغرق وقتًا طويلاً، ولا يمكنها تحقيق التحكم في الوقت الفعلي وعلى الإنترنت. ولذلك، يجب استخدام طريقة التحويل للحصول على إشارة التحكم المطلوبة بسرعة ودقة. باعتباره الطريقة الأكثر كلاسيكية لمعالجة الإشارات، يلعب تحويل فورييه دورًا مهمًا في اكتشاف جودة الطاقة. في الوقت الحاضر، أصبح تحويل فورييه المنفصل (DFT) وتحويل فورييه السريع (FFT) لمختلف الخوارزميات أساسًا لتحليل الطيف والتحليل التوافقي.
بالنسبة لاضطرابات جودة الطاقة مثل انخفاض الجهد وارتفاع الجهد والنبض اللحظي وانقطاع الجهد اللحظي، نظرًا لقصر مدته والعشوائية الكبيرة في وقت حدوثه، لم يعد تحويل فورييه قادرًا على تلبية المتطلبات، لذلك يجب استخدام طرق جديدة لتحليل الإشارة ، مثل تحويل فورييه ذو النوافذ، وتحويل فورييه قصير الأمد، وتحويل المويجات. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الجمع بين أساليب التحليل التقليدية والأساليب الذكية الناشئة يعد أيضًا اتجاهًا في تحليل مشكلات جودة الطاقة.
يعد اكتشاف وتحليل التيار التوافقي جانبًا مهمًا آخر لتحليل جودة الطاقة. تتضمن طرق الكشف عن التيار التوافقي الحالية طرق كشف تعتمد على تعريف قدرة Fryze، وطرق اكتشاف مرشح تمرير النطاق التناظري، وطرق اكتشاف FFT بناءً على تحليل مجال التردد، وطرق التحديد المتزامن، وطرق الكشف التكيفية، وطرق الكشف اللحظي للتيار المشوه استنادًا إلى نظرية الطاقة التفاعلية اللحظية، إلخ. بالإضافة إلى ذلك، هناك طرق كشف توافقية متغيرة الزمن تعتمد على تحويل المويجات، وطرق كشف تيار توافقي تعتمد على مبدأ تمييز الطور، وطرق كشف توافقي تعتمد على الشبكات العصبية الاصطناعية. من بينها، طريقة الكشف عن التيار التوافقي المستندة إلى نظرية الطاقة التفاعلية اللحظية التي اقترحها H. Akagi et al. في عام 1984 يتمتع بأداء قوي في الوقت الفعلي وقد تم استخدامه على نطاق واسع في التصفية النشطة. ومع ذلك، تتجاهل هذه الطريقة تأثير مكونات التسلسل الصفري. عندما يتم تشويه الجهد، فإن التيار التوافقي الناتج يختلف عن القيمة الفعلية. يمكن للتحويل dq0 المبني على نظرية القدرة التفاعلية اللحظية المعممة اكتشاف التيار التوافقي بشكل أكثر دقة وفي الوقت الفعلي.
2. استراتيجية التحكم
بمجرد اكتشاف المعلومات المتعلقة بمشكلة جودة الطاقة وتحليلها، يجب استخدام طريقة تحكم فعالة لإزالة هذه المعلومات أو منعها. ترتبط طريقة التحكم المستخدمة ارتباطًا وثيقًا بنوع مشكلة جودة الطاقة وجهاز التحكم.
بعض الأجهزة التقليدية المستخدمة لضبط الجهد في الحالة المستقرة، مثل مكثفات التحويل، ومفاعلات التحويل، وصنابير المحولات، وما إلى ذلك، هي أجهزة ميكانيكية. فهي تتفاعل ببطء مع مشاكل جودة الطاقة، ولا تتمتع بتحكم دقيق، وقدرات التعديل محدودة. في الماضي، تم استخدام طرق التحكم اليدوية بشكل عام. الآن، تستخدم بعض الأجهزة طرق التبديل التلقائي. تتضمن استراتيجيات التحكم الخاصة بهم تحكمًا بسيطًا للغاية في الحلقة المفتوحة واستراتيجيات تحكم حديثة مثل التحكم الغامض والتحكم الذكي.
هناك المزيد من طرق التحكم لأجهزة التحكم في جودة الطاقة المعتمدة على تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة والمتصلة بنظام الطاقة من خلال المحولات، مثل SVG (مولد var ثابت)، APF (مرشح الطاقة النشط)، DVR (مستعيد الجهد الديناميكي)، DSTATCOM (أي مسجل فيديو رقمي متوازي)، UPQC، وما إلى ذلك. تعد تقنية التحكم PWM للمحولات حاليًا هي طريقة التحكم الأكثر استخدامًا. من خلال ضبط زاوية التوصيل ∆ وعرض نبضة التشكيل Ｈ، يمكن التحكم في التبادل النشط أو التفاعلي بين جهاز تخزين الطاقة وشبكة الطاقة في أربعة أرباع، ويمكن قمع التوافقيات على جانب التيار المتردد بشكل فعال. وفقا لإشارة اضطراب جودة الطاقة المستخرجة، يتم تحديد إشارة الزناد للمحول النهائي. في الوقت الحاضر، طرق التحكم التي يتم دراستها وتطبيقها على نطاق واسع هي كما يلي:
أ. التحكم PID: هذه هي الطريقة الأكثر استخدامًا في نظام الطاقة. إنها تتمتع بنظرية مثالية، ومتانة قوية، واستقرار جيد، ودقة عالية في الحالة المستقرة، وسهلة التنفيذ في الهندسة. يستخدم التحكم PID الكلاسيكي وحدات تحكم نموذجية مثل التناسبي والتكاملي والتفاضلي، بالإضافة إلى العديد من شبكات التصحيح، والتي يمكنها تحسين الأداء الديناميكي والحالة المستقرة للنظام. ومع ذلك، فإن التحكم PID له أيضًا عيوب مثل الاستجابة التجاوزية، وضعف القدرة على إزعاج معلمات النظام ومقاومة اضطراب التحميل. لذلك، ظهرت طرق التحكم PID ذات المعلمات المتغيرة والتحكم مثل الجمع بين PID والتحكم في البنية المتغيرة.
ب. التحكم في مقارنة التباطؤ: في الوقت الحاضر، طريقة التحكم الأكثر استخدامًا لتتبع التيارات التوافقية هي التحكم في مقارنة التباطؤ. مبدأ التحكم في مقارنة التباطؤ هو مقارنة الكمية الخاضعة للتحكم بقيمتها المعطاة ضمن نطاق معين لتحديد توقيت التبديل لعنصر التبديل لمحول الطاقة. يتميز التحكم في مقارنة التباطؤ بمزايا سرعة الاستجابة السريعة ودقة التحكم العالية وسهولة التنفيذ وعدم الحاجة إلى فهم خصائص الحمل؛ العيب الرئيسي هو أن تردد التبديل غير ثابت، وهناك تداخل خطير في الطور عند استخدامه في نظام ثلاثي الأسلاك ثلاثي الطور، وغالبًا لا يمكن التحكم في الكمية الخاضعة للرقابة بشكل فعال عند تبديل الحمل. إن الجمع بين مكافحة ناقلات الأمراض وطرق أخرى يمكن أن يتغلب بشكل فعال على العيوب المذكورة أعلاه.
ج. التحكم في ناقل الفضاء: مبدأ التحكم في ناقل الفضاء هو الحصول على كمية التيار المستمر (dq) استنادًا إلى نظام الإحداثيات الدوار ثنائي الطور عن طريق تحويل بارك من كمية التيار المتردد المقاسة (abc) استنادًا إلى نظام الإحداثيات الثابت ثلاثي الطور، وتحقيق التحكم في الفصل، ولها أداء جيد في الحالة المستقرة وأداء عابر. تتطلب طرق التحكم التقليدية في ناقلات الأمراض عمليات معقدة لوظائف الجيب والظل العكسي، والتي تتم معالجتها بشكل عام بواسطة معالج الإشارة الرقمية؛ من أجل تقصير وقت التشغيل في الوقت الحقيقي وتقليل متطلبات الأجهزة، يمكن استخدام بعض الخوارزميات المبسطة.
د. التحكم في الضربات القاتلة: KPGokhale et al. اقترح لأول مرة طريقة التحكم في العاكس في عام 1987. وتتمثل فكرتها الرئيسية في استنتاج كمية التحكم في التبديل للدورة التالية بناءً على معادلة حالة النظام ومعلومات الحالة الحالية، وأخيرًا تحقيق الغرض من جعل كمية الإخراج تتبع كمية المدخلات . يمكن أن يؤدي استخدام التحكم المميت إلى القضاء على أخطاء الحالة الثابتة وإنهاء عملية الانتقال في أقصر وقت؛ ومع ذلك، فإن لها أيضًا عيوبًا مثل ضعف المتانة، وتجاوز الاستجابة العابرة بشكل كبير، والحساب القوي في الوقت الفعلي، ومتطلبات الأجهزة العالية. يمكن أن يؤدي استخدام التحكم في الضربات الثابتة مع مراقب حالة الاضطراب أو تقنية التحكم التنبؤي الأمثل إلى تحسين أداء التحكم في الضربات الثابتة بشكل كبير.
ه. خطية ردود الفعل: تعمل طريقة خطية ردود الفعل المباشرة (DFL) على تحويل النظام الأصلي إلى نظام خطي عن طريق التعويض الدقيق للعوامل غير الخطية للنظام، والتي يمكن التحكم فيها من خلال نظرية التحكم الخطي.
و. التحكم القوي غير الخطي: بالنظر إلى أن SMES (جهاز تخزين الطاقة فائق التوصيل) سيتأثر بمختلف حالات عدم اليقين أثناء التشغيل الفعلي، يمكن إدخال التداخل في النموذج الحتمي لـ SMES للحصول على نموذج قوي غير خطي من الدرجة الثانية. بالنسبة لهذا النموذج غير الخطي، يمكن تطبيق طريقة خطية التغذية الراجعة لجعله خطيًا عالميًا، ومن ثم يمكن استخدام قانون التحكم لجميع الأنظمة الخطية للتحكم؛ أو يمكن استخدام نظرية التحكم القوية مباشرة لتصميم وحدة التحكم. إن الممثل الأكثر نموذجية لنظرية التحكم القوية القائمة على تحسين بعض مؤشرات الأداء هي نظرية التحكم H∞ التي ابتكرها الباحث الكندي ج. زاميس في عام 1981. وقد تطورت هذه النظرية الآن إلى مستوى ناضج نسبيًا وأصبحت أداة قوية ل تحليل وتصميم الأنظمة غير المؤكدة.
ز. التحكم التكيفي: سيتأثر نظام SMES الفعلي حتماً باضطرابات الحمل والتغيرات في العوامل البيئية الأخرى أثناء التشغيل. من الواضح أنه من الصعب تحقيق نتائج مرضية باستخدام وحدة تحكم تقليدية للتكيف مع التغييرات المختلفة مع مجموعة من معلمات وحدة التحكم غير المتغيرة. يمكن لطريقة التحكم التكيفية تحديد نموذج النظام عبر الإنترنت، ثم ضبط معلمات وحدة التحكم في الوقت المناسب وفقًا لنموذج النظام ومؤشرات التحكم لتحقيق تحكم عالي الدقة.
ح. التحكم المنطقي المضبب: عند تصميم وحدة التحكم باستخدام "طريقة المجال الترددي" من نظرية التحكم الكلاسيكية و"طريقة المجال الزمني" من نظرية التحكم الحديثة، يجب معرفة النموذج الرياضي الدقيق للكائن المتحكم فيه. على الرغم من أن التحكم التكيفي والتحكم في التصحيح الذاتي قد قلل بشكل كبير من متطلبات دقة النمذجة، إلا أنهما يتطلبان استخدام كمية كبيرة من البيانات السابقة ويتطلبان تحديد النموذج عبر الإنترنت. الخوارزمية معقدة وكمية الحسابات كبيرة، مما يحد من نطاق تطبيقها. كأسلوب تحكم ذكي، لا يتطلب التحكم الضبابي نموذجًا رياضيًا دقيقًا للنظام. من خلال وصف خصائص النظام بشكل غامض، يمكن تقليل تكلفة الحصول على الخصائص الديناميكية والثابتة للنظام بشكل كبير. يتمتع التحكم الغامض بمتانة قوية وغير حساس للتدخل الخارجي وتغييرات معلمات العملية والعوامل غير الخطية. ومع ذلك، فإن التحكم الغامض به أخطاء في الحالة المستقرة ويكون عرضة لتذبذبات صغيرة الحجم بالقرب من نقطة التشغيل. يمكن دمج طرق التحكم الأخرى مع التحكم الضبابي، مثل التحكم في البنية المتغيرة والشبكات العصبية الاصطناعية، لتحسين أداء التحكم الضبابي.
أنا. الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN): تتمتع الشبكات العصبية الاصطناعية بقدرات تكيفية وتنظيم ذاتي، ويمكنها تعلم العلاقة غير الخطية بين المدخلات والمخرجات بناءً عليها دون الحاجة إلى نموذج رياضي للنظام؛ يمكن لتحمل الأخطاء والقدرة على التكيف لـ ANN التعامل مع العديد من العوامل غير المؤكدة في تشغيل الأنظمة المعقدة وتحسين قدرة النظام على مقاومة التداخل؛ إن البنية الموازية المتأصلة وقدرات المعالجة المتوازية لـ ANN تمكنها من معالجة كميات كبيرة من البيانات في النظام بسرعة.
باختصار، يعد فائض ونقص الطاقة التفاعلية عاملاً مهمًا يؤثر على انحراف جهد مصدر الطاقة. الطرق التقليدية لاختبار جودة الطاقة لها حدود. قامت شركة Haiyida Energy Technology بتطوير نظام توزيع الطاقة الذكي EPDS™، أي نظام مراقبة وتحسين جودة الطاقة. لقد أنشأت شبكة لمراقبة جودة الطاقة عبر الإنترنت تغطي الشبكة بأكملها، بالإضافة إلى منصة مراقبة وإدارة موحدة ومفتوحة، والتي تراقب ديناميكيًا مستوى جودة الطاقة لشبكة الطاقة، ومن ثم تقوم بتحويل الأحمال المتداخلة التي تؤثر بشكل خطير على جودة الطاقة شبكة الطاقة، وتحسين مستوى إدارة جودة الطاقة بشكل فعال. كما أنها تستخدم تقنية القياس والتحكم الحديثة ومعالجة البيانات وتكنولوجيا الاتصالات لتحقيق الإدارة والتحكم في جميع مرافق توزيع الطاقة ونظام الطاقة عند طرف المستخدم، بما في ذلك خطوط إمداد الطاقة إلى معدات الطاقة الطرفية، بتكلفة معقولة اقتصاديًا، مما يحسن بشكل كبير كفاءة تشغيل وإدارة توزيع الطاقة وأنظمة ومرافق الطاقة، وخفض تكاليف التشغيل.