إدارة الطاقة الكهربائية المنزلية في شبكات التوزيع النشطة

يقدم هذا البحث خوارزمية تحسين جديدة لأنظمة إدارة الطاقة الكهربائية المنزلية (HEMS) في شبكات التوزيع غير المتوازنة ذات الجهد المنخفض (LV) ثلاثية الطور، وذلك مقارنة بأساليب تحسين (HEMS) التقليدية، والتي تراعي فقط جدولة استهلاك الطاقة النشط للأجهزة المنزلية الذكية وموارد الطاقة الموزعة.

أهمية إدارة الطاقة الكهربائية المنزلية ضمن شبكات التوزيع

نظراً لأن المنازل السكنية تستهلك ما يقرب من ثلث إجمالي استهلاك الكهرباء؛ فقد أصبحت أنظمة إدارة الطاقة المنزلية (HEMS) تقنية لا غنى عنها للإدارة الفعالة والاقتصادية لاستخدام الطاقة السكنية، حيث أن الهدف الأساسي لنظام (HEMS) التقليدي هو تقليل تكاليف الكهرباء للمستهلكين في بيئاتهم المريحة والمفضلة من خلال جدولة استهلاك الطاقة الأمثل للأجهزة المنزلية الذكية (مثل مكيفات الهواء والغسالات).

وفي الآونة الأخيرة؛ مكنت تقنيات الشبكة الذكية الناشئة بما في ذلك موارد الطاقة الموزعة (على سبيل المثال، الكهروضوئية على الأسطح (PV) ونظام تخزين الطاقة (ESS)) والبنية التحتية المتقدمة للقياس مع العدادات الذكية وإدارة جانب الطلب المستهلكين من تحقيق المزيد من توفير الطاقة من خلال أنظمة (HEMS) المجهزة بتقنيات الشبكة الذكية هذه.

طرق التحسين الاقتصادي لضبط الحمل الكهربائي المنزلي

كما تتمثل إحدى التقنيات الأساسية لنظام (HEMS) التقليدي في طريقة التحسين المستخدمة لإجراء تخفيض اقتصادي للحمل وتحويل حمل الأجهزة المنزلية الذكية بالإضافة إلى جدولة تشغيل (DERs)، على سبيل المثال شحن أو تفريغ (ESSs)، ومع ذلك قد تحسب خوارزمية تحسين (HEMS) التقليدية جداول استهلاك الطاقة غير الصحيحة وغير المرغوب فيها للأسر الذكية بسبب القيود التالية:

• أولاً: يتم اعتبار فقط جدولة استهلاك الطاقة النشط للأجهزة المنزلية وحقن أو امتصاص الطاقة النشطة لـ (DERs) باستثناء استهلاك الأجهزة وذلك جنباً إلى جنب مع قدرة الطاقة التفاعلية لـ (DERs).

• ثانياً: تم تصميم خوارزمية (HEMS) التقليدية على افتراض أن المنازل متصلة بأنظمة التوزيع ذات الجهد المنخفض (LV) المتوازنة ثلاثية الطور، ومع ذلك؛ فإن أنظمة توزيع الجهد المنخفض تكون غير متوازنة بشكل طبيعي حيث تتغير دائماً استهلاكات الحمل في كل مرحلة بشكل مستقل.

• ثالثاُ: تم دمج نماذج حمل الطاقة الثابتة فقط باستثناء الاعتماد على الجهد الكهربائي في المنازل في صياغة تحسين (HEMS) التقليدية.

إدارة التزويد الخاص بالجهد الكهربائي لتطبيقات المنازل

يعد تقليل جهد الحفظ (CVR) أحد التطبيقات الرئيسية لـ (VVO) في أنظمة إدارة التوزيع؛ تعد طريقة (CVR) حلاً فعالاً من حيث التكلفة، حيث تعمل على خفض جهد التوزيع للسماح بتوفير الطاقة للمستهلك وخفض الطلب في وقت الذروة مع الحفاظ على جهد المستهلك أعلى من حدود التشغيل الدنيا من خلال تنسيق (OLTC) والبنوك المكثفة والمحولات الذكية لـ (DERs).

كذلك ركزت الكثير من الأبحاث على تطوير طرق (CVR ،VVO) وتقييم تأثيرها على عمليات شبكة التوزيع وتوفير الطاقة في المخططات الثلاثة التالية، وهي النهج المركزي باستخدام البرمجة غير الخطية المختلطة، بحيث تم صياغة نماذج اليوم التالي مع أجهزة تنظيم الجهد والنماذج القائمة على التحكم التنبئي من خلال النظر في مولدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتوربينات الرياح.

أما في النهج الموزع الهرمي، وخاصةً في أنظمة التوزيع غير المتوازنة ثلاثية الطور؛ فقد تم اقتراح خوارزميات لتقليل العبء الحسابي بناءً على طريقة الاتجاه المتناوب للمضاعفات ومشكلة التحسين على مرحلتين، وفي النهج الموزع بالكامل تم اقتراح مخطط (VVO) خالٍ من النموذج قائم على العاكس، حيث يتم تنسيق كل عامل محلي مع بعضه البعض لضبط قوتهم التفاعلية وتقليص الطاقة النشطة من أجل التخفيف من ظاهرة الجهد الزائد.

ولمعالجة القيود والتحديات المذكورة أعلاه، تقترح هذه الدراسة خوارزمية تحسين (HEMS)، وهي أكثر عملية ملائمة، والتي يمكن تنفيذها في ظروف تشغيل نظام توزيع واقعية، على وجه التحديد في شبكات التوزيع ذات الجهد المنخفض ثلاثية الطور غير المتوازنة، بحيث يقوم النهج المقترح بجدولة الاستهلاك الأمثل لكل من الطاقة النشطة والمتفاعلة للأحمال المنزلية غير المتوازنة المعتمدة على الجهد الكهربائي.

الإطار المقترح لتحسين إدارة الطاقة الكهربائية المنزلية

في هذا القسم، نقترح خوارزمية تحسين لجدولة استهلاك الطاقة للأجهزة المنزلية وتداولات الطاقة في العديد من المنازل الذكية مع مراعاة التحكم في الجهد وإرسال الطاقة التفاعلية لـ (DERs)، بحيث يتم تنفيذ الخوارزمية المقترحة في شبكة توزيع غير متوازن ثلاثية الطور (المرحلة ϕ∈Φ: = {a,b,c})، وذلك بنفس هيكل الشبكة الكهربائية كما في الشكل التالي (1).

• قيود القدرة التفاعلية: تُعبر المعادلات التالية عن صافي استهلاك الطاقة التفاعلية العقدية (Qnodeu، ϕ، t) للمستهلك (u) للطور (ϕ) في الوقت (t)، وذلك من حيث استهلاك طاقة الحمل التفاعلي (Qloadu، ϕ، t) والطاقة التفاعلية المحقونة أو الممتصة من [PV ( QPVu، ϕ، t)] ، [ESS (QESSu، ϕ، t)]، بحيث تم توضيح معادلة التوازن لتدفق الطاقة التفاعلية من خلال المعادلات التالية.

كما يتم كتابة تدفق الطاقة التفاعلية عند الفرع (uv (Qlineuv ، ϕ ، t)) من حيث القوة التفاعلية العقدية (Qnodev ،ϕ ،t) عند المستهلك (v) و مجموع تدفق الطاقة التفاعلية من العقدة (v) إلى العقدة (w)، حيث يكون (w) في مجموعة من العقد النهائية (Dv) المتصلة بالعقدة (v)، كما يتم وصف استهلاك الطاقة التفاعلية لمكيف الهواء من حيث معامل القدرة (PFu) واستهلاك الطاقة النشط (Pcu، ϕ، t).

• قيود تدفق الطاقة غير المتوازنة ثلاثية الأطوار الخطية: تشير إلى المتجه والمصفوفة المعقدة للجهد والتيار الكهربائية ومقاومة الخط بواسطة (Vu) ، (Ilineuv C3 × 1) ، (zlineuv C3 × 3)، وذلك باستخدام طريقة الخطية المقدمة مع قانون جهد كيرشوف (Vv = Vu − zlineuvIlineuv)، بحيث يمكن كتابة علاقة الجهد الكهربائي بين المستهلكين (u ، v) كـ:

• قيود نموذج الحمل المعتمد على الجهد الكهربائي: من أجل دمج العلاقة بين استهلاك الحمل وحجم الجهد في مشكلة التحسين، بحيث تم اعتماد نماذج تحميل (ZIP) لكل من القوى النشطة والمتفاعلة، بحيث يتم نمذجة قوى الحمل النشطة والمتفاعلة لكل مرحلة من مراحل العقدة (u) في الوقت (t) كـ:

وأخيراً في هذا البحث، تم اقتراح خوارزمية تحسين خطية مختلطة تعتمد على البرمجة لإدارة الطاقة في المنزل الذكي في أنظمة توزيع الجهد المنخفض غير المتوازنة ثلاثية الطور، وبالمقارنة مع خوارزميات تحسين إدارة الطاقة المنزلية الحالية، بحيث تقلل الخوارزمية المقترحة من تكلفة الكهرباء للمستهلكين ضمن مستويات الراحة الخاصة بهم وتحافظ على ملف جهد مقبول للمستهلكين في وقت واحد عن طريق:

• الجدولة المثلى لاستهلاك الطاقة النشط والمتفاعل للأسرة غير المتوازنة المعتمدة على الجهد الأحمال وموارد الطاقة الموزعة.

• إرسال الطاقة النشطة أو التفاعلية من الأنظمة الكهروضوئية و (ESSs) جنباً إلى جنب مع جدولة موضع صنبور مغير الصنبور عند التحميل، بحيث تؤكد الأمثلة العددية التي تمت محاكاتها في شبكة توزيع (CIGRE LV)، والمعدلة فعالية الخوارزمية المقترحة من حيث استهلاك الطاقة النشط والتفاعلي ومقدار الجهد غير المتوازنة ثلاثية الطور والتكلفة الإجمالية للكهرباء.