คุณภาพของไฟฟ้าในระบบกริดอัจฉริยะถูกควบคุมอย่างไร

ด้วยการผนวกรวมแหล่งพลังงานใหม่ๆ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และพลังงานชีวมวล เข้าสู่เครือข่ายการจ่ายไฟในรูปแบบต่างๆ เช่น การผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัว (Distributed Generation) ไมโครกริด และโรงไฟฟ้าขนาดเล็กและขนาดกลาง (รวมถึงโรงไฟฟ้าเก็บพลังงาน และสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า) ระบบกริดอัจฉริยะภายใต้สถานการณ์ใหม่กำลังเผชิญกับปัญหาใหม่หลายประการ โครงสร้างการควบคุมคุณภาพไฟฟ้าภายใต้สถาปัตยกรรมของระบบกริดอัจฉริยะประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก ได้แก่ การผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัว เครือข่ายส่งและจ่ายไฟ โหลดการใช้ไฟฟ้า และอุปกรณ์ชดเชยคุณภาพไฟฟ้า เป็นต้น

ด้วยการผสานรวมแหล่งพลังงานใหม่อย่างแพร่หลาย เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และพลังงานชีวมวล เข้าสู่เครือข่ายการจ่ายไฟในรูปแบบของการผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัว (Distributed Generation) ไมโครกริด (Microgrids) และโรงไฟฟ้าขนาดเล็กและขนาดกลาง (รวมถึงโรงไฟฟ้าเก็บพลังงานและสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า) ระบบกริดอัจฉริยะ (Smart Grid) ในสถานการณ์ใหม่กำลังเผชิญกับปัญหาใหม่ๆ มากมาย โครงสร้างการควบคุมคุณภาพไฟฟ้าภายใต้สถาปัตยกรรมของระบบกริดอัจฉริยะประกอบด้วยแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแบบกระจายตัว เครือข่ายส่งและจ่ายไฟ โหลดการใช้ไฟ เครื่องชดเชยคุณภาพไฟฟ้า (Power Quality Compensators) เป็นหลัก ประการหนึ่ง ในฐานะแรงขับเคลื่อนหลักในการผสานแหล่งพลังงานใหม่ การผสานอุปกรณ์แปลงพลังงานอิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงอย่างแพร่หลาย ได้ก่อให้เกิดลักษณะเฉพาะและปัญหาใหม่ในด้านคุณภาพไฟฟ้าของเครือข่ายส่งและจ่ายไฟ ซึ่งจำเป็นต้องแก้ไขอย่างเร่งด่วน อีกประการหนึ่ง ความหลากหลาย ความไม่เป็นเชิงเส้น และผลกระทบของโหลดด้านผู้ใช้ไฟฟ้านั้นรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ ทำให้การใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพกลายเป็นเรื่องที่เร่งด่วน ปัญหาใหม่ๆ เหล่านี้นำมาทั้งโอกาสและข้อท้าทายให้กับเทคโนโลยีการควบคุมคุณภาพไฟฟ้า ในฐานะหัวใจของระบบกริดอัจฉริยะ ไมโครกริดเป็นระบบซับซ้อนที่ไม่เป็นเชิงเส้นและผสานแหล่งพลังงานหลายประเภท เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระจายตัวภายในมีลักษณะเฉพาะเช่น การหยุดชะงัก การซับซ้อน ความหลากหลาย และความไม่มั่นคง ปัญหาและลักษณะเฉพาะใหม่ๆ ด้านคุณภาพไฟฟ้าจึงเด่นชัดมากยิ่งขึ้น ดังนั้นหนึ่งในปัญหาหลักที่ต้องศึกษาและแก้ไขอย่างเร่งด่วน เพื่อให้แน่ใจถึงการดำเนินงานที่ปลอดภัยและมั่นคงของเครือข่ายการจ่ายไฟภายใต้การเชื่อมต่อกับไมโครกริด ก็คือปัญหาด้านคุณภาพไฟฟ้านั่นเอง
การจัดประเภทตัวชดเชยคุณภาพไฟฟ้า
เทคโนโลยีการควบคุมการชดเชยคุณภาพไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้เป็นเทคโนโลยีการควบคุมแบบแอคทีฟ (Active Control Technology) และเทคโนโลยีการจัดการแบบพาสซีฟ (Passive Treatment Technology) สำหรับปัญหาด้านคุณภาพไฟฟ้าที่แตกต่างกัน จะมีการจัดประเภทและอธิบายอุปกรณ์ชดเชยที่เกี่ยวข้องตามลำดับ เทคโนโลยีการควบคุมแบบพาสซีฟจะช่วยกดดันหรือแก้ไขปัญหาด้านคุณภาพไฟฟ้า เช่น ฮาร์โมนิกส์ (Harmonics) กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ (Reactive Power) และความไม่สมดุลของสามเฟส (Three-Phase Imbalance) โดยการเชื่อมต่อตัวชดเชยกำลังไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมแบบขนานหรือแบบอนุกรม อุปกรณ์ชดเชยประกอบด้วยตัวกรองกำลังไฟฟ้าแบบพาสซีฟ (Passive Power Filters: PPF) ตัวกรองกำลังไฟฟ้าแบบแอคทีฟ (Active Power Filters: APF) ตัวกรองกำลังไฟฟ้าแบบผสม (Hybrid Active Power Filters: HAPF) ตัวชดเชยกำลังรีแอคทีฟ (Reactive Power Compensators) ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก (Dynamic Voltage Restorer: DVR) และตัวควบคุมคุณภาพไฟฟ้าแบบบูรณาการ (Integrated Power Quality Regulator: UPQC) เป็นต้น โดยเฉพาะตัวชดเชยคุณภาพไฟฟ้าที่ใช้โครงสร้างคอนเวอร์เตอร์หลายระดับแบบโมดูลาร์ (Modular Multilevel Converter: MMC) กำลังกลายเป็นหัวข้อวิจัยที่ได้รับความสนใจและแนวโน้มในอนาคตของเทคโนโลยีการจัดการคุณภาพไฟฟ้าในระบบแรงดันกลางและแรงดันสูง เนื่องจากโครงสร้างแบบโมดูลาร์ที่ต่อแบบคาสเคด (Cascade) ที่แรงดันต่ำ เทคโนโลยีการควบคุมแบบแอคทีฟเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแบบกระจายตัว (Distributed Power Sources) ที่เปลี่ยนลักษณะอิมพีแดนซ์ขาเข้าหรือขาออก เพื่อให้สมดุลกับหน้าที่การจัดการคุณภาพไฟฟ้า เทคโนโลยีการควบคุมคุณภาพไฟฟ้าแบบแอคทีฟไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน แต่ยังปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าโดยรวมของระบบ โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มตัวชดเชยเพิ่มเติม
2. วิธีการควบคุมสำหรับตัวชดเชยคุณภาพไฟฟ้า
ปัจจุบัน ตัวชดเชยคุณภาพไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้คอนเวอร์เตอร์แบบแหล่งจ่ายแรงดัน (Voltage Source Type) หรือแบบแหล่งจ่ายกระแส (Current Source Type) วิธีการควบคุมกระแสไฟฟ้าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับตัวชดเชย ได้แก่ การควบคุมแบบฮีสเทอรีซิส (Hysteresis Control) การควบคุมแบบไม่มีขั้นตอน (Step-Free Control) การควบคุมแบบทำนายจากโมเดล (Model Predictive Control) การควบคุมแบบสัดส่วน-อินทิกรัล (PI Control) การควบคุมแบบสัดส่วน-เรโซแนนซ์ (PR Control) การควบคุมแบบซ้ำ (Repetitive Control) และการควบคุมแบบโรบัสต์เชิงไม่เชิงเส้น (Nonlinear Robust Control) เป็นต้น นอกจากนี้ ยังสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมแบบกระแสเดี่ยวได้โดยการปรับปรุงวิธีการควบคุมกระแสแบบเดิม เช่น วิธีการควบคุมที่รวมการควบคุม PI แบบดั้งเดิมเข้ากับ PI เวกเตอร์ สามารถช่วยให้กระบวนการตรวจจับฮาร์มอนิกมีความง่ายขึ้น อีกทั้งวิธีการชดเชยตามความถี่ฮาร์มอนิกแบบแบ่งช่วง สามารถเพิ่มความแม่นยำในการตรวจจับและชดเชยฮาร์มอนิกแต่ละตัว เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการชดเชยแบบชดเชยทั้งแถบความถี่แบบดั้งเดิม และเหมาะสำหรับอุปกรณ์ตัวกรองกำลังแบบแอคทีฟแบบผสม (Hybrid Active Power Filter Devices) ทั้งแบบแรงดันสูงและแรงดันต่ำต่างๆ เป็นพิเศษ
3. การวิเคราะห์และควบคุมคุณภาพไฟฟ้าของสถานีผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัวในระดับใหญ่
ด้วยอัตราการใช้งานของสถานีผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัวขนาดใหญ่ เช่น โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม (ระดับ 10 กิโลโวลต์ ถึง 35 กิโลโวลต์) ที่เพิ่มขึ้น ปฏิสัมพันธ์และการเชื่อมโยงของฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นจากระบบสถานีผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัวซึ่งประกอบด้วยอินเวอร์เตอร์หลายตัวเป็นหลักกับระบบส่งและจ่ายไฟฟ้า มีความซับซ้อนเพิ่มมากขึ้น ฮาร์มอนิกที่ถูกส่งออกจากระบบสถานีผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัวนี้ มีลักษณะเฉพาะที่ความถี่สูงและช่วงความถี่กว้าง ความสัมพันธ์ระหว่างตัวคูณการขยายสัมพันธ์กับลำดับฮาร์มอนิกและระยะทางการส่งไฟฟ้าของสถานีผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัวทั่วไป ในระหว่างการแพร่กระจายของฮาร์มอนิกในเครือข่ายส่งไฟฟ้า จะได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความจุแบบกระจายตัวในสายส่งและแรงดันฮาร์มอนิกพื้นหลัง ซึ่งจะก่อให้เกิดปรากฏการณ์การขยายกระแสและแรงดันแบบเรโซแนนซ์ มีอยู่สองแนวทางในการแก้ไขปัญหาดังกล่าว ซึ่งสามารถลดทอนปัญหาการเรโซแนนซ์แบบอนุกรมและขนานของฮาร์มอนิกช่วงความถี่กว้างในเครือข่ายส่งไฟฟ้า ได้แก่ การปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ของเครือข่ายส่งไฟฟ้า และการกำจัดปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ผ่านการติดตั้งรีแอคเตอร์แบบขนาน และการติดตั้งอุปกรณ์ตัวกรองกำลังไฟฟ้าแบบแอคทีฟผสมแรงดันสูง เพื่อลดปริมาณกระแสฮาร์มอนิกที่ไหลเข้าสู่ระบบโครงข่ายไฟฟ้า