استراتيجيات التحكم النموذجية في الشبكات الكهربائية الصغيرة

يعمل العالم على دمج مصادر الطاقة المتجددة بسرعة في أنظمة الشبكات الحالية، ومع ذلك؛ فإن الطبيعة غير المتوقعة لمصادر الطاقة المتجددة وملفات تعريف الحمل غير المؤكدة تسبب مشاكل مثل ضعف جودة الطاقة وضعف موثوقية النظام وإدارة الطاقة المعقدة وتدهور البطارية وارتفاع تكاليف التشغيل وانخفاض الكفاءة.

تحليل استراتيجيات التحكم النموذجية في الشبكات الصغيرة

يعمل المجتمع العلمي على استبدال موارد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري بموارد متجددة، كما وتتمثل الأهداف في الحد من التلوث البيئي وتطوير مصدر طاقة مستدام وتوفير كهرباء منخفضة التكلفة وتقليل الاعتماد على النفط في البلدان النامية وتوفير فرص عمل للناس، كذلك طرق توليد الطاقة التقليدية يمكن التحكم فيها بسهولة وقابلة للتكيف مع متطلبات المستخدم.

ومع ذلك، تعمل موارد الطاقة المتجددة بشكل متقطع مع ملفات تعريف حمولة غير مؤكدة، لذلك قد يتسبب الاختراق عالي المستوى لموارد الطاقة المتجددة (RERS) في الشبكة الوطنية في حدوث اختلالات في توازن الطاقة ومشكلات في جودة الطاقة، وعلى مدى السنوات القليلة الماضية تناول الباحثون هذه القضايا، بحيث تستخدم إحدى الطرق المقترحة أنظمة تخزين الطاقة (ESS) بما في ذلك البطاريات والمكثفات والحذافات.

أيضاً من الممكن التغلب على مشاكل الموثوقية في أنظمة الطاقة وتقديم مصدر مستمر للكهرباء، ومع دمج أنظمة توليد الطاقة المختلفة؛ فإن (ESS) لديها تأخيرات في الوقت وقضايا إدارة الطاقة وتكاليف تشغيل عالية، بحيث تجمع أنظمة تخزين الطاقة الهجينة (HESS) بين تقنيات تخزين الطاقة المتعددة، كما تحدد إستراتيجية التحكم الجيدة (ESS) مناسباً لتقليل تكاليف التشغيل وتحسين الاستجابة للوقت واستقلالية النظام.

استراتيجية تقسيم الشبكة إلى وحدات أصغر وأكثر قابلية

تتطلب أنظمة الطاقة الحديثة تقسيم الشبكة إلى وحدات أصغر وأكثر قابلية للإدارة مع تدفق طاقة ثنائي الاتجاه، لذلك قد تعمل تقنية (Microgrid) على تحسين جودة الطاقة وموثوقيتها عن طريق تقسيم نظام الشبكة إلى شبكات كهربائية أصغر. تحتوي الشبكة الصغيرة على موارد الطاقة المتجددة وأنظمة تخزين الطاقة والمولدات المحلية وشواحن المركبات الكهربائية والأحمال السكنية أو التجارية.

كما يمكن تشغيل الشبكة الدقيقة المتصلة بالشبكة في وضع الجزر أو بشكل متزامن مع الشبكة الرئيسية باستخدام نقطة اقتران مشترك (PCC)، بحيث يتطلب كلا وضعي الشبكة الصغيرة لوائح الجهد والتردد الكهربائي مطلوب نظام تحكم شبكي فعال لإدارة تبادل الطاقة مع الشبكة الرئيسية وتحسين تكاليف التشغيل.

وبالتالي تتصرف الشبكة الصغيرة كنظام يمكن التحكم فيه يستجيب لإشارات التحكم المناسبة، بحيث تؤدي الاضطرابات أو الأعطال إلى التحول إلى وضع الجزر لضمان استمرارية الإمداد بالأحمال المحلية، بحيث يوضح الشكل التالي (1) المعاد إنشاؤه لشبكة صغيرة مع أنظمة تخزين مختلفة ومولدات موزعة متصلة بنقطة اقتران مشترك (PCC) بواسطة محولات الطاقة.

كما يمكن لنظام (microgrid) أن يقدم تدفق طاقة ثنائي الاتجاه أثناء عمليات الجهد المنخفض ويسبب مضاعفات في نظام الحماية الكهربائية، بحيث يمكن أن تؤدي التحولات بين أوضاع الجزر والمتصلة بالشبكة إلى حدوث اهتزازات محلية وقضايا الاستقرار، كما تؤدي الطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة إلى شكوك تشغيلية، بحيث تعتبر اهتزازات التخميد والجهد وتنظيم التردد ضرورية لعملية مستدامة.

إضافة الى طرق التحكم في التدلي شائعة لمعالجة الطاقة في أنظمة الشبكات الصغيرة، بحيث يتجنب التحكم في التدلى روابط الاتصال الحرجة بين (DGs) المختلفة، بحيث تعتبر مشكلات انحراف التردد والأداء الديناميكي الضعيف من التحديات في التحكم في التدلى.

استراتيجية نموذج التحكم التنبئي لشبكات Microgrids

يتضمن نموذج التحكم التنبئي تقنيات تعمل على تحسين قيود النظام المحددة وتقليل وظيفة التكلفة متعددة الأهداف، بحيث يمكن استخدام (MPC) في (microgrids) على مستوى المحول والشبكة الكهربائية، وعادةً ما يولد الأول إشارات تبديل لتشغيل محولات الطاقة بينما ينشئ الأخير تعليمات الإرسال الخاصة بـ (DGs) والأحمال التي يمكن التحكم فيها.

ومع ذلك، واستناداً إلى بنية (MPC) القياسية؛ تشترك هاتان الطبقتان في هياكل تحكم وعمليات تصميم قابلة للمقارنة، حيث أن المفهوم الأساسي لـ (MPC) هو التنبؤ بسلوك نظام محكوم خلال أفق زمني محدد، بحيث يتم حساب إدخال التحكم الأمثل لتقليل دالة التكلفة المحددة مسبقاً، وذلك مع ضمان تلبية قيود حالة النظام.

وعلى وجه التحديد، يتم حساب إدخال التحكم عن طريق حل مشكلة التحكم المثلى ذات الحلقة المفتوحة في الأفق المحدود في كل لحظة أخذ عينات، ثم يتم تطبيق الجزء الأول من مسار الإدخال الأمثل الناتج على النظام حتى لحظة أخذ العينات التالية، وعند هذه النقطة يتم تغيير الأفق وتكرار العملية بأكملها.

كما يُظهر الشكل التالي (2) المعاد تكوينه من خلال مخطط كتلة لعنصر التحكم التنبئي النموذجي، بحيث تتمثل العمليات الرئيسية الثلاث لتطوير هيكل التحكم في تصميم نموذج تنبؤي وتطوير وظيفة التكلفة وحل المشكلات القائم على الخوارزمية، وذلك كما هو موضح في الشكل، بحيث تحتوي دالة التكلفة على قيود، كما يمكن أن يؤدي تشكيل قيود لجميع المكونات المادية إلى تحسين أداء النظام بشكل فعال، حيث يمكن أن تعمل على النحو الأمثل ضمن حدود القيد.

كذلك تم تطبيق تقنيات (MPC) على المحول الصغير ومستويات الشبكة، الأول يولد إشارات لمحولات الطاقة، بينما يوفر الأخير تعليمات إرسال للمولدات الموزعة، بحيث تنظم (MPC) على مستوى الشبكة تدفق الطاقة داخل الشبكة الصغيرة ونظام تخزين طاقة البطارية (BESS).

وفيما بعد تتنبأ خوارزمية (MPC) بالحالات المستقبلية بناءً على الحالات الحالية والسابقة، بحيث تعمل التوقعات بمثابة بيانات إدخال لوظيفة التكلفة وأفضل أمر خلال فترة زمنية معينة محسوبة لجميع مكونات النظام. تم تحديث نتائج الحالة باستخدام دالة التكلفة، كما تم تحديث جميع الحالات المتاحة للفترة اللاحقة وتم إجراء التحسين، بحيث تم تقليل عدم اليقين باستخدام أفق تنبؤ متراجع وآلية التغذية المرتدة.

المناهج الموزعة في مجموعة الشبكات الكهربائية الصغيرة (MPC)

لا يمكن التنبؤ بإنتاج الطاقة المتجددة، مما يمثل صعوبات للشبكات الصغيرة، بحيث تُستخدم تقنيات ستوكاستيك [MPC (SMPC)] بما في ذلك البرمجة العشوائية و (MPC) القائمة على السيناريو و (MPC) المستندة إلى التحليل للتنبؤ بتوليد الطاقة المتجددة في المستقبل، بحيث تم تصميم نظام إدارة الطاقة متعدد المستويات والتحقق منه تجريبياً لشبكات (Microgrids) المستقلة على أساس التحكم التنبئي للنموذج العشوائي وكان له أقل تكلفة تشغيلية.

كما يتمتع هذا النظام بكفاءة حسابية عالية ونفقات تشغيل قليلة، وذلك من خلال تطوير نهج تحكم تنبئي نموذج عشوائي محسن لأنظمة الطاقة المترابطة، وهو يعتمد على إطار عمل أحادي الطبقة متعدد النطاقات الزمنية مع عملية فعالة من حيث التكلفة ومتانة محسنة وكفاءة حسابية محسنة.

وأخيراً؛ فإن كل ما يسمى (Microgrids) هو نظام فرعي يعمل باستخدام وحدة تحكم (MPC) محلية في كتلة ميكروغريد، بحيث ترتبط هذه الأنظمة الفرعية بتبادل المعلومات، وعندما تكون حالات الأنظمة المجاورة متصلة؛ فإنه يجب إرسال الحالة المتوقعة بحيث تعرف كل وحدة تحكم السلوك الديناميكي لجيرانها، كذلك قد يكون اقتران الشبكات الصغيرة متصلاً بالكامل، والذي يحتوي على بنية تحتية معقدة ويقتصر على عدد صغير من الأنظمة أو يرتبط جزئياً، وهو أكثر عملية مع العديد من الأنظمة الفرعية.