الاستقرار القائم على نظرية ماتينيون للطاقة الكهربائية الهجينة

قد يتسبب الاختراق الواسع النطاق لمصادر الطاقة المتجددة المتقطعة (RE) مثل توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية في حدوث مشكلة انحراف التردد الكهربائي لنظام الطاقة الهجين المترابط (HPS)، حيث يحدث هذا عندما يتعذر على التحكم في تردد الحمل للنظام المترابط تعويض توازن الطاقة بين التوليد والطلب على الحمل الكهربائي.

تحليل الاستقرار القائم على نظرية ماتينيون للطاقة الكهربائية الهجينة

في السنوات الأخيرة، زاد حجم وتعقيد شبكة الطاقة الكهربائية بشكل كبير بسبب تكامل عدد كبير من مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وخلية الوقود (FC) والمحلل الكهربائي المائي (AE) وما إلى ذلك في الشبكة لتلبية الطاقة الطلب على النظام، كما تؤدي الاختلافات غير المؤكدة في طلب الحمل ومصادر الطاقة المتجددة إلى انحراف في تردد الشبكة وطاقة خط الربط.

ولتقليل ذلك، يتم الحفاظ على توازن توليد وتحميل النظام المترابط من خلال التحكم التلقائي في التوليد (AGC) أو (ALFC) من أجل التشغيل الآمن والموثوق للنظام، بحيث يتم تحقيق ذلك من خلال التصميم المناسب لوحدة التحكم للتحكم في وحدة توليد نظام الطاقة، ونتيجة لذلك يتم الاحتفاظ بالتغيير في التردد ضمن القيمة الاسمية البالغة (± 0.1) هرتز لتردد النظام الكهربائي.

كذلك تم استخدام وحدات التحكم الكلاسيكية التقليدية مثل (I)، (PI)، (PID)، (IPD) على نطاق واسع من قبل مرافق الطاقة للتحكم في خطأ التحكم في المنطقة (ACE) للتردد وانحراف طاقة خط الربط للنظام المترابط، كما تم الحصول على مكاسب تحكم (PID) باستخدام طريقة (Ziegler)، [Nichols (Z-N)] مما أدى إلى تشغيل فعال.

وعلى العكس من ذلك؛ فإن الديناميكيات المرتبطة بالحمل وتوليد النظام تجعل هذا النهج غير فعال بالنسبة للنظام الذي ينطوي على قدر كبير من عدم اليقين، وللتغلب على هذا تم استخدام التقنيات المبنية على الذكاء الاصطناعي والغامض لضبط معلمات الكسب لوحدة التحكم لتطبيق (ALFC)، وعلى الرغم من أن تصميم المنطق الضبابي (FL) والشبكة العصبية (NN) لهما خصائص تكيفية ذاتية للتعامل مع غير الخطية في الأنظمة الديناميكية؛ إلا أن أدائها يتدهور إذا لم يتم تصميم الشبكة بشكل صحيح.

تطور أنظمة التحكم الكهربائية وأثرها على استقرار الطاقة الهجينة

أدى ظهور حساب التفاضل والتكامل الكسري إلى الانتقال من وحدات تحكم الترتيب الصحيح (IO) إلى وحدات تحكم الترتيب الكسري (FO) من خلال استخدام المصطلحات الكسرية بشروط تكاملية وتفاضلية لوحدات تحكم (PID) ووحدات التحكم هذه قابلة للتطبيق في منطقة التشغيل الأوسع التي تعمل على استقرار المصنع تحت السيطرة وتقدم تحسيناً في استجابة الحلقة المغلقة بقوة.

كما ويرجع ذلك إلى الدرجة العالية من الحرية التي أدخلتها معلمات الضبط الإضافية لمشغلي التفاضل التفاضلي، بحيث يؤدي استخدام وحدة تحكم (FOPID) في تطبيق (ALFC) أيضاً إلى تحسين استجابة النظام عن طريق تقليل التردد وخطأ خط الربط بشكل أفضل مما تفعله وحدة تحكم (IOPID|)، تحتوي وحدة التحكم (FOPID) على مقبضين إضافيين يتوافقان مع الشروط المتكاملة والتفاضلية لوحدات التحكم (IOPID)، وهذا يزيد من المرونة لتصميم أفضل لنظام التحكم ويتعامل مع ديناميكيات النظام وغير الخطية بقوة.

لوحظ أن وحدة التحكم FOPID مناسبة في أنظمة (ALFC) المختلفة جنباً إلى جنب مع الأساليب الاستدراكية القائمة على الذكاء مثل (ALO) والمبني على الخوارزمية التنافسية (ICA)، كما تم تحسين القطيع المنفرد (SHO)، ومن ناحية أخرى تعمل تقنية المركبة إلى الشبكة (V2G) في (EV) على تحسين تنظيم التردد للنظام عن طريق تقليل (ACE).

نموذج نظام الطاقة الكهربائية حسب نظرية ماتينيون

يتكون نموذج (HPS) متعدد المناطق من نظام حراري لإعادة التسخين مع عناصر غير خطية مرتبطة بالنظام مثل (GDB ،GRC) ومصادر الطاقة المتجددة مثل توليد طاقة توربينات الرياح (WTPG) وتوليد الطاقة الحرارية الشمسية (STPG)، (AE)، (FC)، (PEV)، كما تم تقديم شرح تفصيلي لتوليد الطاقة الحرارية ومعلمة المحاكاة.

• نموذج توليد طاقة توربينات الرياح: تعتبر طاقة الرياح هي مصدر الطاقة المتجددة الأسرع نمواً والمستخدم على نطاق واسع لتوليد الطاقة مقارنة بالمصادر الأخرى. قد يتسبب دمج (WTPG) في الشبكة في تذبذب تردد الشبكة بسبب الطبيعة المتقطعة لتوليد طاقة الرياح مع تقلب سرعة الرياح، وفي الدراسات تم اقتراح العديد من الأعمال المتعلقة بالتحكم في توربينات الرياح لحل مشكلة تذبذب التردد الكهربائي.

بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح استراتيجية التحكم في زاوية الملعب لتسهيل توليد طاقة الرياح، وعلاوة على ذلك تم استخدام أجهزة تخزين الطاقة مثل (AE ،FC) للحفاظ على توازن طاقة الرياح أثناء الرياح عالية ومنخفضة السرعة لموازنة وتيرة الشبكة، وفي هذه الدراسة تم تحديد النظام الخطي بوظيفة تحويل التأخر من الدرجة الأولى مع عدد قليل من التقديرات التقريبية لتحليل تغلغل (WTPG) في (HPS)، بحيث يتم تمثيل ذلك من خلال:

حيث يمثل (KWTPG ،TWTPG) الكسب وثابت الوقت لـ (WTPG) على التوالي.

• نموذج توليد الطاقة الحرارية الشمسية: الطاقة الشمسية هي مصدر بديل رئيسي آخر نظيف وخالي من الكربون لتوليد الطاقة في نظام الطاقة باستخدام الخلايا الكهروضوئية (PV) والطاقة الشمسية المركزة (CSP)، وفي هذا العمل يتم أخذ (STPG) في الاعتبار، حيث يتكون من مجمع (CSP) الذي يوجه الإشعاع الشمسي إلى الأنابيب التي تحمل سائل العمل مثل الزيت أو الماء.

وبعد ذلك يتم نقل سائل العمل هذا إلى مبادل حراري لتوليد البخار لتوليد الطاقة باستخدام التوربينات البخارية، بحيث تكون اللاخطية المتشابكة مع المكون العامل للمجمع الشمسي والتوربين البخاري لنظام (STPG) خطياً ويتم تمثيلها في شكل مبسط لوظيفة النقل من خلال:

حيث أن:

(KT ،Ks): هما ثابت الكسب.

(TT ،TS): ثابت الوقت للتوربين البخاري والمجمع الشمسي على التوالي.

نماذج المحلل الكهربائي وخلايا الوقود المائية

تم دمج أجهزة تخزين الطاقة مثل (AE ،FC) في النظام لتحسين جودة الطاقة عن طريق تثبيت وتيرة (HPS) من خلال توازن الطاقة، كذلك تم توليد الطاقة المفرطة من مصادر الطاقة المتجددة مثل (WTPG ،STPG) أثناء ظروف الرياح والإشعاع العاتية، وبعد ذلك تم توجيه هذه الطاقة إلى (AE) لتوليد الهيدروجين عن طريق تحلل جزيئات الماء (H2O) إلى الهيدروجين (H2) والأكسجين (O2).

كذلك يتم تخزين الهيدروجين المتولد في خزان تخزين الهيدروجين عبر خط الأنابيب للحفاظ على توازن الطاقة أثناء انخفاض سرعة الرياح وظروف الإشعاع، وفي ظل هذه الحالة يتم استخدام الهيدروجين المخزن بواسطة (FC) لتوليد الطاقة الكهربائية لتحقيق الاستقرار في توليد الطاقة المتقطع من مصادر الطاقة المتجددة، وبالتالي يستخدم (AE) مقدار الكسر (1-Kn) من إجمالي الطاقة المتولدة من (WTPG ،STPG) كاحتياطي وهذه العملية موضحة في الشكل التالي.

وأخيراً قدمت هذه  الدراسة خوارزمية مستوحاة من (Atom Search Optimization – ASO) لضبط معلمات وحدة التحكم في النظام الجزئي النسبي والتكامل المشتق (FOPID) للتحكم التلقائي في تردد التحميل لـ (HPS)، وفي هذا العمل المقترح؛ جرت محاولة لتحليل استقرار تردد (HPS) باستخدام نظرية ماتينيون.