التحكم بالتردد الكهربائي لنظام طاقة الرياح والتوليد بالديزل

في الشبكة الدقيقة المعزولة بالديزل والرياح، بحيث ستؤدي طاقة الخرج المتذبذبة لمولد توربينات الرياح (WTG) واضطراب طلب الحمل إلى اختلال توازن الطاقة وانحراف التردد الكهربائي في النظام، لذلك لا غنى عن مخططات التحكم في التردد المناسبة لضمان جودة الطاقة من خلال الحفاظ على توازن الطاقة.

ضرورة التحكم بالتردد الكهربائي لنظام طاقة الرياح والتوليد بالديزل

في الوقت الحاضر، تعتمد أنظمة التوليد في المناطق النائية المعزولة في الغالب على توليد الديزل كمصدر طاقة ثابت، كما ويمكن التحكم فيه بحيث تتحمل الزيوت الثقيلة المستخدمة في توليد الديزل تكاليف الوقود والنقل، لذلك اجتذب استخدام الطاقة المتجددة الكثير من الاهتمام كمصادر كهرباء نظيفة، خاصة في الشبكات الصغيرة والشبكات الذكية.

كما تضم (Microgrid) المولدات الكهربائية الموزعة والأحمال المرتبطة بها، وذلك للاستخدام الموزع، واعتماداً على البيئة والظروف الواقعية؛ فإنه يتم اختيار الطاقة المتجددة، والتي تعتبر مصادر طاقة نظيفة واقتصادية، مثل الرياح و”الطاقة الشمسية” و”الكتلة الحيوية”، وذلك ليتم توصيلها بأنظمة الشبكات الدقيقة المعزولة، بحيث يمكن أن يساعد توصيل الطاقة المتجددة في تحمل جزء من مصدر الطاقة وبالتالي تقليل تكاليف النقل واستهلاك الوقود لمولدات الديزل.

كما يوفر نظام (microgrid) مع الطاقة المتجددة وضعاً مرناً لإمداد الطاقة للمناطق النائية ولكنها غنية بالطاقة المتجددة، وهناك تعتبر طاقة الرياح هي واحدة من الخيارات المحتملة، وذلك ليتم توصيلها بأنظمة الشبكات الصغيرة من أجل الاستخدام الموزع، ومع ذلك؛ فإن طاقة الرياح معرضة لظروف البيئة مثل الطقس والفصول، مما يجعل ناتج مولد توربينات الرياح (WTG) غير ثابت ومتنوع مع تقلبات سرعة الرياح.

لذلك؛ فإن اختلالات الطاقة، والتي تؤدي أيضاً إلى انحراف التردد الكهربائي، بحيث ستحدث بسبب طاقة الخرج المتقطعة لـ (WTG) واضطراب طلب الحمل الكهربائي، وذلك عندما تتصل (WTG) بشبكة صغيرة وتزود الطلب على الطاقة بمولدات الديزل معاً.

ضمان عملية الاستقرار الفعلي لعملية التزويد الكهربائي

من أجل ضمان التشغيل المستقر وجودة الطاقة للشبكة الصغيرة المعزولة؛ فإنه تم بالفعل إجراء العديد من الدراسات حول التحكم في التردد الكهربائي للشبكة الدقيقة المعزولة بالديزل والرياح، كما يركز نوع واحد من الأساليب الحالية على استراتيجيات التحكم للمولدات الموزعة الدقيقة في الشبكات الصغيرة والتي تتضمن التحكم في (P / Q) والتحكم (V / F) والتحكم في التدلي.

كما تم إدخال العديد من الأساليب الذكية المتقدمة مؤخراً، مثل التحكم في وضع الانزلاق (SMC) والتحكم القوي في الشبكة العصبية الاصطناعية والمنطق الضبابي والتحكم المتقدم في التدلي والتحكم التنبئي بالنموذج الموزع، ومع ذلك لا تزال طريقة التحكم التقليدية (PI) و (PID) هي الأكثر استخداماً على نطاق واسع في الشبكة الدقيقة العملية بسبب هيكلها البسيط وتكلفتها المنخفضة.

وعادة ما يتم ضبط طريقة (PI / PID) التقليدية بواسطة (Hit and try) وطريقة (Ziegler-Nichols)، والتي يصعب تكييفها مع تعقيد الشبكات الصغيرة مثل الطلب المتنوع للحمل وسرعة الرياح والاضطراب، علاوة على ذلك قد يؤدي الاختيار غير المناسب للمكاسب المتكاملة إلى زعزعة استقرار النظام ككل، لذلك تم اعتماد طريقة الضبط القائمة على الذكاء الاصطناعي مثل تحسين سرب الجسيمات (PSO) والخوارزمية الجينية (GA).

الوصف الخاص بالنظام والنمذجة الهندسية لعملية الاستقرار

وصف نظام الشبكة الصغيرة المقترح

النموذج الخطي لنظام (LFC) للشبكة الدقيقة المعزولة بالديزل والرياح، وفي إشارة إلى الشكل التالي (2)؛ فإن (Δf ، ΔPG ، ΔPload ، PWF ، PB ، u) هو انحراف التردد وتذبذب الطاقة لمولد الديزل والحمل و (WTG) والبطارية (ESS) ومدخلات التحكم على التوالي حول نقطة التشغيل العادية (TG ، TT ، Tb) هي ثوابت زمنية للمحافظ ومولد الديزل والبطارية (ESS) على التوالي، كذلك (R) هو معامل التعديل.

كما يشار إلى التحكم في التردد والقدرة النشطة باسم (LFC)، بحيث يهدف (LFC) إلى موازنة العلاقة بين خرج الطاقة النشط لـ (WTG) والبطارية (ESS) ومولد الديزل والطلب على الحمل، لذلك إذا اختلفت طاقة التوليد؛ فإن التردد يتقلب اعتمادًا على اختلاف طاقة التوليد. تُعطى دالة النقل بين تغير القدرة وتغير التردد في نظام القدرة على النحو التالي:

حيث (KP) هو كسب النظام و (TP) هو وقت النظام الثابت.

كما أن الطاقة التي يتم توفيرها إلى جانب طلب الحمل هي مجموع طاقة الإخراج من (WTG) والبطارية (ESS) ومولد الديزل، ومع ذلك؛ فإن طاقة خرج (WTG) متذبذبة ومتقطعة، علاوة على ذلك يتغير طلب الحمل باستمرار بمرور الوقت، مما يؤدي إلى اختلال التوازن بين العرض والطلب على الطاقة النشطة، بحيث يمكن التعبير عن انحراف القوة على النحو التالي:

كما يمكن تقسيم النظام إلى تصميم وبناء نظامين فرعيين، وهما نظام التحكم في زاوية الملعب (WTG) ونظام (LFC)، كذلك القيود والتعريفات المفترضة للنظام لهذا التصميم هي كما يلي:

• من المفترض أن طاقة الخرج المقدرة لـ (WTG) هي دائمًاً أقل من طلب الحمل وأن (WTG)، بحيث تعمل دائماً عند نقطة التشغيل المقدرة.

• على جانب مولد الديزل، يُعتبر التباين في طلب الحمل وطاقة خرج (WTG) الناجم عن سرعة الرياح المتنوعة بمثابة اضطراب كلي، والذي يتم قمعه عن طريق تطبيق جهاز التحكم (EID-LFC).

• على جانب (WTG) تعتبر سرعة الرياح المتغيرة بمثابة اضطراب خارجي، بحيث يتم رفضه بواسطة جهاز التحكم (EID-WTG).

بطارية (ESS)

نظراً للخصائص التقنية الجيدة جداً، مثل الاستجابة السريعة والمرونة المعيارية، كانت البطارية (ESS)، وهي وسيلة فعالة للمساعدة في تنظيم التحكم في التردد الكهربائي من أجل تحليل تأثير البطارية (ESS)، كما تم اقتراح نموذج بسيط لوظيفة النقل المكافئ من خلال:

حيث أن ثابت الوقت (Tb) يعني تأخير عملها، كذلك (Kb) هو كسب لإظهار العلاقة بين تغير طاقة الخرج (PB) للبطارية (ESS) وانحراف التردد (Δf)، بحيث تركز هذه الدراسة على التحقق من فعالية طريقة التحكم في (EID)، وبالتالي فإن حجم البطارية يتم من خلاله إهمال عدد الشحنات والتفريغ والاستجابة الترددية الديناميكية المحددة.

نموذج (WTG) الخطي

يمكن لمولد توربينات الرياح بالدفع المباشر أن يقرن توربينات الرياح مباشرة بالمولدات، والتي تتطلب الحد الأدنى من الصيانة لفترات طويلة من التشغيل، وفي هذا التصميم نعتبر هذا النوع من (WTG) مع مولد حث بقوة (275) كيلو وات، بحيث تركز هذه الدراسة على التحكم بزاوية الميل، لذلك يتم أخذ التحكم فقط عندما تتجاوز سرعة الرياح سرعة الرياح المقدرة.

كما سيتم تطوير نموذج نظري خطي لنظام التحكم في زاوية الميل (WTG) لهذا التصميم، بحيث يمكن أن يحافظ التحكم في درجة الصوت على طاقة ثابتة عن طريق ضبط زاوية الميل في منطقة سرعة الرياح العالية لسرعة الرياح المقدرة، كذلك نظام (WTG) كما هو مبين في الشكل التالي (3)، بما في ذلك توربينات الرياح والمشغل والمولد ونظام التحكم في زاوية الميل.

وأخيراً تم تقديم طريقة التحكم في التردد الجديدة للشبكة الدقيقة المعزولة بالديزل والرياح بناءً على طريقة (EID) المزدوجة، بحيث يتم تطبيق متحكمات (EID) المزدوجة على نظام (WTG) و (LFC) لمولد الديزل بشكل مقسم في هذه الدراسة، علاوة على ذلك تمت إضافة (Battery ESS) كتنظيم إضافي.