استراتيجية التحكم الكهربائية المنسقة الهرمية الموزعة

تحليل  استراتيجية التحكم الكهربائية المنسقة الهرمية الموزعة

يمكن أن يؤدي استخدام خصائص المصدر والتحميل لنظام تخزين الطاقة إلى تقليل التقلب والعشوائية لتوليد الطاقة المتجددة وجعل توليد الطاقة المتجددة أسهل لنظام الطاقة، كما يمكن تصنيف تقنيات تخزين الطاقة إلى تقنيات عالية الطاقة وعالية الطاقة، وفي تقنيات الطاقة العالية تم استخدام تقنية تخزين طاقة البطاريات على نطاق واسع في أنظمة الطاقة نظراً لكثافة الطاقة العالية والتكوين المرن، كما وقد تم إنشاء العديد من المشاريع التجريبية لتخزين طاقة البطاريات.

كما تم اقتراح هيكل جديد لنظام تخزين طاقة بطارية وطاقة الرياح، بحيث يتم فصل مزرعة الرياح عن الشبكة عن طريق نظام بطارية مزدوج، والذي يمكن أن يحقق طاقة خرج ثابتة من مزرعة الرياح، ومع ذلك يتطلب الهيكل الجديد سعة تخزين كبيرة لطاقة البطارية، لذلك لا يزال الهيكل التقليدي يعمل بنظام تخزين الطاقة (ESS) بالتوازي مع مزرعة الرياح

كما بعمل إحصائيات لبيانات سرعة الرياح على المدى الطويل، وذلك من خلال تحديد قيم مستهدفة معقولة متصلة بالشبكة الكهربائية، كما يمكن استخدام نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) لتحسين مشكلة عدم القدرة على التحكم في طاقة الرياح، ومع ذلك تتطلب هذه الطريقة دقة عالية في التنبؤ بقدرة الرياح.

أيضاً هيكلاً مزدوجاً للبطارية ويكون اثنان من (BESSs) مسؤولين عن الشحن والتفريغ على التوالي، وعلى الرغم من تحسين استخدام سعة البطارية، كما يتم تقليل الطاقة المتاحة لـ (BESS) بالكامل، كما تتبنى جميع الدراسات المذكورة أعلاه استراتيجية دورة عميقة للبطاريات، كما وتعتبر أن عمق التفريغ (DoD) الذي يزيد عن (80٪) سيكون له تأثير لا رجعة فيه على عمر البطارية، لذلك سيتم اتباع هذه الاستراتيجية في هذه الدراسة.

لتطبيق (BESS)، لذلك لا يزال هناك قلق من دورة الحياة القصيرة، حيث أن أحد الحلول الممكنة لحل هذه المشكلة هو الجمع بين بعض (ESSs) عالية الطاقة مع العمر الطويل وخصائص الاستجابة السريعة و (BESS) لتشكيل نظام تخزين الطاقة الهجين (HESS)، حيث أن المكثفات الفائقة لها دورة حياة عالية جداً عادةً ما تزيد عن (500000) هياكل معيارية مرنة ويمكنها التعامل مع بيئات العمل المعقدة.

لذلك؛ فإن البحث في تكنولوجيا تطبيق البطارية الفائقة (HESS)، بحيث يعد حالياً موضوعاً ساخناً، كما يمكن استخدام مكثف البطارية الفائق (HESS) لتوليد الطاقة المتجددة، كما يمكن تحقيق الهدف المتمثل في تقليل تذبذب الطاقة وإطالة عمر البطارية من خلال استراتيجية تحكم منسقة ومعقولة، وذلك لتقليل التبديل المتكرر لحالة شحن تفريغ البطارية، كما تتمثل استراتيجية التحكم العامة في أن يتم توفير جزء التردد الكهربائي المنخفض من الطاقة بواسطة البطارية، بينما يتم توفير جزء التردد العالي بواسطة (supercapacitor).

هيكل نظام مصفوفة تخزين الطاقة الهجينة

يتم أخذ (HESAS) لمزرعة الرياح كمثال، كما ويظهر هيكلها في الشكل التالي (1)، بحيث يتكون (HESAS) من (SCSS) و (BESS)، بحيث يحتوي النظامان الفرعيان أيضًا على العديد من وحدات تخزين الطاقة الكهربائية، والتي تشكل جميعها نظام (HESAS) على مستوى ميغاواط.

ونظراً لعشوائية وتقلب طاقة الرياح، تحتاج (BESS) إلى تبديل حالة الشحن والتفريغ بشكل متكرر لتلبية الطلب على الطاقة، مما يسرع من تقادم عمر البطارية إلى حد معين، وفي الوقت نفسه لا يفضي إلى الاستفادة الكاملة من سعة البطارية، وبالإضافة إلى ذلك ووفقاً للتحليل الإحصائي لعدد كبير من بيانات طاقة الرياح؛ فإن احتمالية التقلب الإيجابي والسلبي لطاقة الرياح متساوية تقريباً.

كما أن طاقة التذبذب المقابلة قريبة جداً، لذلك وبناءً على الاعتبارات المذكورة أعلاه؛ فإنه يتم تقسيم وحدات البطاريات المتعددة في (BESS) إلى مجموعتين، والتي تم تعيينها كمجموعة شحن ومجموعة تفريغ على التوالي، كما ثم يتم استخدام استراتيجية التحكم المنسقة المقترحة أدناه لتقليل تبديل الحالة غير الضروري وتحسين بيئة تشغيل وحدات تخزين طاقة البطارية.

كما تتبنى (HESAS) هيكل تحكم توزيع هرمي من أجل تحقيق عملية التحسين المنسقة لـ (BESS) و (SCSS) والتشغيل المستقل لكل وحدة تخزين طاقة في النظام الفرعي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2).

لذلك يتم توصيل (HESAS) بالنقطة المتصلة بالشبكة لمزرعة الرياح، بحيث تجمع طبقة التحكم المنسقة لـ (HESAS) طاقة الرياح المتوقعة [Pfw (k)] وطاقة الرياح الخام [Pw (t)] في الوقت الفعلي، كما يستخدم نموذج المقياس الزمني الطويل الطاقة المتوقعة و (SOCs) الخاصة بـ (ESS) لحساب القوى المرجعية المُحسَّنة [Pg (k) و Pb (k) و Psc (k)] لنموذج النطاق الزمني القصير، والذي يمثل الشبكة المتصلة بالشبكة والقدرة المرجعية (BESS) والقدرة المرجعية (SCSS) في فترة زمنية (k) على التوالي.

لذلك يستخدم نموذج المقياس الزمني القصير الصلاحيات المرجعية المذكورة أعلاه و (SOC) لتحسين الطلب على الطاقة في الوقت الفعلي لـ (BESS) و (SCSS)، وبعد ذلك يرسل مركز التحكم طلب الطاقة (Pb (t) و Psc (t)) إلى وحدة تخزين طاقة معينة في (BESS و SCSS) على التوالي، وفي طبقة التحكم الموزعة؛ فإنه يتم ربط وحدات تخزين الطاقة نفسها من خلال شبكة اتصالات موزعة لتنفيذ تبادل البيانات بين العقد المجاورة.

بعد ذلك، يتم استخدام الخوارزمية الموزعة المقترحة في هذه الورقة لتحقيق استيعاب أمر الطاقة الكهربائية وحساب قوة كل وحدة (Pb1 ، Pb2 ، … و Psc1 ، Psc2 ، …) في الوقت الفعلي، بحيث يتم تحميل المعلومات مثل (SOC) لكل وحدة تخزين طاقة مرة أخرى إلى طبقة التحكم المنسقة لـ (HESAS).

نموذج تحسين طبقة التحكم المنسق

تفترض هذه الدراسة أن قوة (ESS) إيجابية عند التفريغ وسلبية عند الشحن، كما تفي الطاقة المتصلة بالشبكة الكهربائية [Pg (t)] في الوقت (t) بالعلاقة أدناه:

ومن منظور مزرعة الرياح، ينصب التركيز على تحديد [Pg (t)] المناسب للوفاء بالظروف المتصلة بالشبكة، حيث أن الطريقة التقليدية هي استخدام [Pw (t)]، كما تم تنعيمه بواسطة مرشح تمرير منخفض من الدرجة الأولى أو قيمة متوقعة لطاقة الرياح مثل [Pg (t)]، بحيث ثم حساب قيمة القدرة [Pb (t) و Psc (t)] لـ [BESS و SCSS].

وعلى الرغم من أن الطريقة المذكورة أعلاه بسيطة نسبياً، بحيث لا يمكن ضبط (SOC) وقوة (HESAS) جيداً كذلك استجابةً لهذه المشاكل، بحيث سيقترح هذا القسم نموذجاً أمثلاً ثنائي النطاق يعتمد على (MPC)، والذي يظهر هيكله الخاص في الشكل التالي (3).

حيث |أن طول الخطوة المتوقعة لطاقة الرياح هو (Δtp)، كما أن طول أفق التنبؤ والتحكم هما (N = Tp / Δtp) فترة أخذ العينات هي (Δts)، كما وتجدر الإشارة إلى أنه نظراً لأن (SCSS) عموماً لديها سعة صغيرة؛ فإنه لا يكفي لدعم الطاقة العالية لفترة طويلة، لذلك (Δtp = 5) دقائق في هذه الدراسة، وذلك باستخدام أمثلية أفق تراجع (MPC) في النطاق الزمني الطويل.

كما يمكن الحصول على القيم المرجعية للقدرة (Pb) [(k) و Psc (k)] والقيمة المستهدفة المتصلة بالشبكة [Pg (k)] في الفترة الزمنية (k) وفترة التحسين هو (Δtp)، وفي النطاق الزمني القصير، تُحسب قدرة التحسين في الوقت الفعلي [Pb (t) و Psc (t)] باستخدام القيم المرجعية أعلاه، كما وتكون فترة التحسين (Δts).