إدارة طاقة المستهلك على أساس التحميل الكهربائي الذكي

مع تطور المركبات الكهروضوئية والمركبات الكهربائية المنزلية، لم تعد وحدات الكهرباء المنزلية مستهلكين تقليديين للطاقة، والذين يُعرفون باسم المستهلكين، وذلك من أجل حل مشاكل دوران طاقة المستهلك والتحكم المتصل بالشبكة الكهربائية؛ تقترح هذه الدراسة طريقة جديدة لإدارة طاقة المستهلك.

الغرض من إدارة طاقة المستهلك والتحميل الكهربائي الذكي

مع تطور الطاقة المتجددة والتقليل المستمر للطاقة التقليدية، تغير هيكل الطاقة العالمي، كما تُفضل الخلايا الكهروضوئية المنزلية على نطاق واسع لمزاياها المتمثلة في انخفاض تكلفة الأرض وانخفاض فقدان الإرسال والاستثمار الصغير في نقل الطاقة وتحويلها، وفي الوقت نفسه أصبحت السيارات الكهربائية هي الاتجاه السائد في صناعة السيارات في المستقبل بسبب خصائص النظافة وحماية البيئة.

كما أصبح البحث حول تكنولوجيا شحن المركبات الكهربائية أيضاً نقطة ساخنة في الداخل والخارج، بحيث تم تقسيم أنظمة الطاقة التقليدية بشكل صارم إلى توليد ونقل وتوزيع واستهلاك، ومع ذلك ومع تطور تكنولوجيا الطاقة الموزعة؛ فقد أصبح لدى المستهلكين القدرة على إنتاج وتخزين الكهرباء الآن، ومع الترويج للطاقة الكهروضوئية المنزلية والمركبات الكهربائية؛ فقد أصبحت وحدة الكهرباء المنزلية مزيجًا من إنتاج واستهلاك الكهرباء وهو ما يسمى (Prosumer).

لذلك، من الضروري إدارة ومراقبة طاقة المستهلك لتقليل الآثار السلبية لتقلبات جهد الشبكة والتردد الكهربائي على تشغيل المستهلك، حيث قام المختصين بتحليل نماذج التوزيع الاحتمالي لاستهلاك الكهرباء المنزلي وطاقة الشحن المنزلي للمركبات الكهربائية وتوليد الطاقة الكهروضوئية المنزلية على التوالي، وذلك في ضوء ارتباط مستهلكي الطاقة الكهروضوئية بالشبكة المصغرة.

تحسين نموذج المستهلك اعتماداً على بيانات الحمل المدروسة

أوضح الباحثون مفهوم المستهلك، وذلك بأنه نوع من المستخدمين ليسوا فقط مستهلكين للطاقة، ولكن أيضاً منتجي الطاقة، بحيث تعتبر الخلايا الكهروضوئية المنزلية و (EV) بشكل شامل مضافة إلى المستهلك المنزلي هنا، وبالمقارنة مع نموذج المستهلك الحالي؛ فإنه يزيد النموذج المقترح من الحمل الذكي (نموذج SL) الذي يختلف عن الحمل التقليدي، واستناداً إلى نماذج الطاقة للوحدات المذكورة أعلاه؛ فإنه يتم توصيل سلسلة (ES) بالحمل المنزلي غير الحرج لتشكيل نموذج (SL)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

في الصيغة الرياضية الأولى:

(PP): تمثل القوة الإجمالية للمستهلك.

(PPV): هي الطاقة الكهروضوئية المنزلية.

(PEV): هي طاقة شحن (EV) المنزلية.

(pH): هو قوة الحمل المنزلية الحرجة.

(PSL): هي قوة (SL) في المستهلك.

كما يمكن أن يدعم (SL) تدفق الطاقة النشط والمتفاعل من خلال التحكم الكهربائي، بحيث يتكون (ES) من محولين متتاليين وفلاتر (LC)، كما أن المحول الكهربائي (#B) يكون متصل في سلسلة مع (NCL)، بحيث يعمل كمعوض متسلسل لتنظيم الجهد والتيار الكهربائي المحقون بواسطة (ES)، وهو متصل بالمحول (#A) بالتوازي.

كذلك يتم توصيل نهاية التيار المتردد للمحول (#A) بشبكة الطاقة، وبصفته معوضاً للتحويل؛ فإنه ينظم ويحافظ على (VDC) لنهاية التيار المستمر دون تغيير، وهو رابط التيار المستمر المشترك هو طاقة التيار المتردد بين المحول (#B) والمحول (#A)، بحيث يتم توفير القناة لتحقيق توازن الطاقة في (ES).

كما أنه يتم وضع علامة على الطاقة المستهلكة موجبة والمولدة سالبة هنا، خاصةً إذا كانت قيمة (PP) موجبة؛ فهذا يشير إلى أن الطاقة المستهلكة في المستهلك أكبر من الطاقة الناتجة عن الطاقة الكهروضوئية المنزلية، وفي هذا الوقت يجب توفيره من خلال شبكة التوزيع، وخلاف ذلك؛ فإنه يشير إلى أن الطاقة المولدة أكبر من الطاقة المستهلكة، مما يعني أنه يمكن للمستهلك توفير الطاقة لشبكة التوزيع الكهربائية.

النموذج العملي للإشعاع الشمسي في عملية ضبط الاستهلاك

يتم استخدام النموذج العملي للإشعاع الشمسي المكون من ثلاث نقاط لإنشاء نموذج توليد الطاقة من الخلايا الكهروضوئية المنزلية، بحيث يعتمد النموذج العملي للإشعاع الشمسي المكون من ثلاث نقاط على البيانات المقاسة للإشعاع الشمسي لتحليل خصائص الإشعاع الشمسي طوال اليوم ومحاكاة خصائص الإشعاع الشمسي طوال اليوم بناءً على ارتفاع الإشعاع الشمسي وضبطه وذروته.

ووفقاً لذلك؛ يتم الحصول على قدرة توليد الطاقة الكهروضوئية ليوم كامل، كما يتم توقع حمل الشحن المنزلي للمركبة الكهربائية من خلال نمذجة وقت الشحن الأولي ونطاق القيادة اليومي، بحيث تُستخدم طريقة محاكاة “مونت كارلو” للتنبؤ بحمل الشحن للمركبات الكهربائية في يوم واحد. تُستخدم دالة التوزيع الاحتمالي لـ (Weibull) للتنبؤ بقدرة الحمل الحرجة للمنزل.

لذلك، تظهر نتائج الطاقة اليومية المتوقعة أعلاه في الشكل التالي (2-a) ، (2-b) ، (2-c))، وعندما يتم توصيل كل من (EV) والكهروضوئية المنزلية بـ (Prosumer)؛ يكون منحنى الحمل الكهربائي اليومي لـ (Prosumer)، وذلك كما هو موضح في الشكل (2-d).

بدون التحكم في إدارة الطاقة في المستهلك، ومن ناحية أخرى؛ فإنه سيتداخل وقت شحن (EV) مع وقت الذروة للحمل اليومي للمنزل لتشكيل ذروة تحميل أعلى بكثير ،كذلك؛ فإنه لا يمكن تعظيم استخدام توليد الطاقة الكهروضوئية في (Prosumer) وقت الظهيرة، مما سيؤدي إلى فرق أكبر من الذروة إلى الوادي للمستخدم المنزلي ويؤثر سلباً على استقرار شبكة الطاقة الكهربائية.

طريقة الإدارة اليومية في الوقت الحقيقي للمستهلكين

يمكن أن ندرك (SL) التغيير المستمر للقوة النشطة ضمن نطاق معين، ومن أجل حل مشكلة تذبذب جهد الناقل الناتج عن انحراف طاقة التنبؤ اليومي لوحدة (Prosumer)، بحيث يتم استخدام (SL) لضبط القوة النشطة الإجمالية لـ (Prosumer)، وذلك لاستبدال جزء من تخزين الطاقة، كما يتم استخدام طريقة التحكم الرباعي (SL) للتحكم في القوة النشطة لـ (Prosumer)، والذي يظهر مخطط طور التحكم في الشكل التالي (3).

حيث أن:

(VS): هو جهد الإمداد.

(‘VNCL ، IES’): هما على التوالي الفولتية وتيارات الأحمال غير الحرجة قبل بدء تشغيل (ES).

(VNCL ، IES): هما على التوالي الفولتية والتيارات للأحمال غير الحرجة بعد بدء تشغيل.

(ES ؛ VES): هو جهد (ES).

 (θ): هي زاوية مقاومة الأحمال غير الحرجة

(φ): هي مرحلة الإشارة المعدلة للمحول في (SL)، أي زاوية الطور لـ (ISL) الرائد (V).

ووفقاً للشكل السابق، وفي حالة التحكم في الطاقة النشطة لـ (SL) في نفس الوقت؛ فإنه يكون وضعي العمل كما يلي يوضح الشكل (a) نزول وضع الطاقة النشطة لتقليل الطاقة النشطة لـ (SL)، بحيث يوضح الشكل (b) صعود وضع الطاقة النشطة لزيادة القوة النشطة لـ (SL).

بالإضافة الى أنه يمكن التعبير عن القوة النشطة لـ (SL) عندما لا يتم التحكم فيها بالمعادلة التالية:

في المجمل تقترح هذه الدراسة طريقة لإدارة الطاقة، تعتمد على (SL)، والتي تأخذ بعين الاعتبار عدم اليقين من الطاقة الموزعة مثل الطاقة الكهروضوئية المنزلية والمركبات الكهربائية، أولاً بناءً على خوارزمية (PSO)، بحيث يتم تحسين جدولة الطاقة وفقاً للقيمة المتوقعة لليوم التالي، وبعد ذلك بناءً على طريقة التحكم في الطاقة النشطة لـ (SL)، كما تم إنشاء نموذج التحكم في الطاقة في الوقت الفعلي لـ (Prosumer)، وتم اقتراح طريقة إدارة الطاقة في الوقت الفعلي للمستخدمين لتقليل تأثير خطأ التنبؤ.