أنظمة الطاقة الكهربائية المترابطة القائمة على الطاقة المتجددة

اقرأ في هذا المقال


تحليل أنظمة الطاقة الكهربائية المترابطة القائمة على الطاقة المتجددة

مع زيادة نشر الطاقات المتجددة، واجهت أنظمة الطاقة الحديثة العديد من التحديات فيما يتعلق بتصميم النظام وتشغيله والتحكم فيه، كما أصبحت ضرورة اكتشاف وحدات تحكم جديدة ذات قدرات تخميد تذبذبات النظام قضية مهمة، لا سيما مع مستويات الاختراق العالية المستهدفة للطاقات المتجددة، إلى جانب ذلك هناك حاجة إلى اعتبارات خاصة للتصميم والتحكم وإدارة أنظمة الطاقة المستقبلية التي يتم اختراقها بشكل كبير مع مصادر الطاقة المتجددة (RESs).

لذلك لقد أجبرت الميزة المتقطعة للخلايا الكهروضوئية (PV) وطاقات الرياح نظام الطاقة على أن يكون لديه تقنيات واستراتيجيات مختلفة ليكون أكثر مرونة وكفاءة في تعويض اختلافات الحمل أو التوليد، لذلك يتم تضمين أنظمة تخزين الطاقة (ESS) بطبيعتها للتغلب على مشاكل عدم توازن الطاقة وانحراف التردد من أجل الحفاظ على استقرار النظام، ومن ثم تعتبر (ESSs) العنصر الأكثر أهمية في أنظمة الطاقة الحديثة حيث يمكنها العمل على الفور لمعالجة أي اختلال في توازن الطاقة أو اختلافات في الأحمال الكهربائية.

كما تم تجهيز نماذج نظام الطاقة بحلقات تحكم مختلفة، مثل أنظمة التحكم الأولية والثانوية والثالثة، حيث أن كل من حلقات التحكم الأولية والثانوية مسؤولة عن تنظيم واستعادة تردد النظام الكهربائي، كما تُستخدم حلقة التحكم الأولية لإخماد التغييرات الصغيرة في انحرافات التردد في التشغيل العادي، ومع ذلك بالنسبة لانحرافات التردد الكهربائي الأكبر؛ فإنه يتم استخدام حلقة التحكم الثانوية، والتي تُعرف باسم التحكم في تردد التحميل (LFC).

ولتنظيم تردد المنطقة وفقاً للظروف الأصلية والحفاظ على طاقة خط الربط المجدولة في أنظمة الطاقة وفقاً للطاقة احتياطي؛ فإنه في الآونة الأخيرة ومع زيادة استخدام المركبات الكهربائية (EVs)، ظهر مفهوم السيارة للشبكة (V2G)، حيث تُستخدم بطاريات المركبات الكهربائية لفصل أجيال النظام ومتطلبات التحميل.

وعندما لا تولد مصادر الطاقة المتجددة طاقاتها المتوقعة، لذلك من خلال التحكم الصحيح في بطاريات (EV) باستخدام محولات ثنائية الاتجاه متصلة بالشبكة الكهربائية؛ فإنه يُسمح لبطاريات (EV) بالشحن والتفريغ لدعم تغييرات الحمل وضبط تردد الشبكة الكهربائية.

نمذجة عناصر نظام الطاقة الكهربائية

نمذجة (EV): من أجل استكشاف تأثير المركبات الكهربائية على (LFC)؛ فإنه يلزم حساب طراز (EV) لخصائصه الداخلية، وفي النظام المدروس تم اعتبار محطتين للمركبات الكهربائية بمثابة (ESS) للتعاون مع (LFC) للتخفيف من اختلال التوازن بين الطلب على الحمل والتوليد الكهربائي، وفي الشكل التالي (1) تم تطوير نموذج ديناميكي دقيق للمركبة الكهربائية، حيث يتم تقديم الدائرة الكهربائية المكافئة التفصيلية.

كما تم اعتماد نموذج (Thevenin) المكافئ (EV)، وهو يتألف من مصدر جهد دائرة مفتوحة، وهو عبارة عن وظيفة في حالة شحن البطارية الأولية (SOC) ومتصل في سلسلة بمقاومة سلسلة (Rs) وفرع (RC) متوازي (Rt ، Ct)، والذي يصف الزائدة العابرة تأثير الجهد الكهربائي، بحيث يتم الحصول على جهد (EV) الطرفي عن طريق الجمع بين جهد الدائرة المفتوحة وهبوط الجهد عبر مقاومة السلسلة وانخفاض الجهد عبر فرع (RC) كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كما تُستخدم معادلة (Nernst) لتنفيذ العلاقة بين (Voc) و (SOC) من (EV) كما يلي:

Untitled-5-300x82

حيث تتوافق Voc (SOC) و (Vnom) و (Cnom) مع جهد الدائرة المفتوحة (EV) كدالة للجهد الاسمي (EV) (SOC) والجهد الاسمي (EV) والسعة الاسمية في (Ah) على التوالي، حيث يمثل (S) معلمة الحساسية بين جهد الدائرة المفتوحة و (SOC) لـ (EV)، وذلك بالإضافة إلى ذلك، كما تتوافق (F ، T ، R) مع ثابت فاراداي ودرجة الحرارة وثابت الغاز على التوالي.

moham1-3058521-large-300x147

نمذجة وحدات التوليد: في هذا الطرح يشتمل نظام الاختبار المقترح على منطقتين، حيث توجد محطات طاقة حرارية ومائية و شمسية وطاقة الرياح مع (EV) كنظام تخزين وأنواع متغيرة من اضطراب الأحمال، كما يوضح الشكل التالي (2) المخطط العام للمناطق المترابطة لنظام الطاقة الكهربائية المختبَر باستخدام خط الربط لتبادل الطاقة بين المنطقتين.

moham2-3058521-large-300x209

لذلك يوضح الشكل التالي (3) مخطط الكتلة لنظام القدرة المترابط ثنائي المنطقة المختبر مع نموذج المركبات الكهربائية، كما وترد المعطيات الرئيسية لنظام القدرة المختبَر في الجدول التالي (1) بناءً على النظام الكهربائي المعتمد.

moham3-3058521-large-300x240

moham.t1-3058521-large-1-251x300

لذلك تظهر وظيفة التحويل لمحطة التوليد الحراري في الشكل التالي (4)، كما ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:

Untitled-6

حيث أن:

[Gg (s) و Gt (s)]: هما حاكم محطة توليد الطاقة الحرارية والتوربينات.

(Tg و Tt): هما ثابتان زمنيان للمحافظة على التوربينات على التوالي.

moham4-3058521-large-300x49

أيضاً تظهر وظيفة النقل لمحطة التوليد الهيدروليكية في الشكل التالي (5)، كما ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:

Untitled-7-300x93

حيث إن (T1 ، TR ، T2): هي الثوابت الزمنية للمحافظة، التدلي العابر، ووقت إعادة ضبط الحاكم الهيدروليكي على التوالي، في حين أن (Tw) هو وقت بدء أقلام الماء.

moham5-3058521-large-300x45

نظام التحكم الكهربائي والمراقبة المقترح

هناك العديد من وحدات التحكم بالترتيب المتكامل والترتيب الجزئي في الدراسات، بحيث يمكن نمذجة وظائف النقل لوحدات التحكم شائعة الاستخدام على النحو التالي:

Untitled-8-300x222

حيث إن:

(Kp): هو الكسب النسبي.

(Ki): هو الكسب المتكامل.

(Kd): هو الكسب التفاضلي.

(λ): هو مشغل تكامل.

(FO ، μ): هو مشغل التمايز.

(FO ، n): هو مشغل إمالة (FO).

كذلك تم تطوير وحدة التحكم المعدلة المقترحة من خلال الجمع بين عناصر تحكم (FOPID و TID)، بحيث يمكن التعبير عن وحدة التحكم المعدلة المقترحة على النحو التالي:

Untitled-9-300x69

كما تستفيد وحدة التحكم المقترحة كلاً من ميزات أنظمة التحكم (FOPID ، TID)، بحيث يضيف توظيف (FOPID) مزيداً من المرونة والتعامل مع الاضطرابات في نطاقات واسعة، كما يمكن لـ (FOPID) التعامل مع أهداف متعددة في نفس الوقت لنطاقات ديناميكية تشغيل أوسع مقارنة بنوع (PID) ذو الترتيب المتكامل، وعلاوة على ذلك، يوفر دمج الجزء المائل إمكانات محسّنة لرفض الاضطراب، ووهذا بدوره يوفر متانة معززة للنظام تجاه عوامل عدم اليقين.

في عنصر التحكم المقترح، يتم اختيار وحدة التحكم للتحكم في (LFC) بالإضافة إلى المركبات الكهربائية في كل منطقة، كما تتم إدارة جهازي التحكم بطريقة تعاونية تؤدي إلى التخلص من تقلبات تردد المنطقة الفردية واضطرابات طاقة خط الربط. علاوة على ذلك، لذلك يمكن تحقيق التعزيز المناسب والفعال لاستجابة النظام من خلال التحديد الأمثل لكل معلمات تحكم.

وكما هو موضح أعلاه، تمثل وحدة التحكم المقترحة الجديدة مجموعة من وحدات تحكم (FOPID و TID) الفعالة من الدراسات، كما تؤدي تعديلات وحدة التحكم (TID) عن طريق إضافة مكونات (FOPID) إلى متانة واستقرار نظام الطاقة المترابط، بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يقلل من الوقت العابر في حالة حدوث اضطرابات مختلفة.

وعلاوة على ذلك، تُظهر وحدة التحكم المقترحة الجديدة مزيداً من الحرية والمرونة من التحكم (TID) التقليدي، كما يتم عرض وحدات التحكم المقترحة ذات العناصر المختلفة في الرسم التخطيطي المبسط في الشكل التالي (6).

moham6-3058521-large-300x210

المصدر: S. M. Said, M. Aly, B. Hartmann, A. G. Alharbi and E. M. Ahmed, "SMES-based fuzzy logic approach for enhancing the reliability of microgrids equipped with PV generators", IEEE Access, vol. 7, pp. 92059-92069, 2019.E. M. Ahmed, M. Aly, A. Elmelegi, A. G. Alharbi and Z. M. Ali, "Multifunctional distributed MPPT controller for 3P4W grid-connected PV systems in distribution network with unbalanced loads", Energies, vol. 12, no. 24, pp. 4799, Dec. 2019.S. M. Said, M. Aly and H. Balint, "An efficient reactive power dispatch method for hybrid photovoltaic and superconducting magnetic energy storage inverters in utility grids", IEEE Access, vol. 8, pp. 183708-183721, 2020.E. Mohamed, A.-A.-A. Mohamed and Y. Mitani, "Genetic-moth swarm algorithm for optimal placement and capacity of renewable DG sources in distribution systems", Int. J. Interact. Multimedia Artif. Intell., vol. 5, no. 7, pp. 105, 2019.


شارك المقالة: