التحكم بالشبكة الكهربائية ومراقبة الاضطراب غير الخطي للأحمال

يهدف هذا البحث إلى تقديم استراتيجية قوية للتحكم المبني على السلبية (PBC) لحل مشكلة عدم الاستقرار التي تسببها أحمال الطاقة الثابتة (CPLs) في أنظمة (DC microgrid)، بحيث تم تصميم هذه الاستراتيجية لتثبيت وتنظيم جهد ناقل التيار المستمر لشبكة (DC microgrid).

الهدف من التحكم بالشبكة الكهربائية ومراقبة الاضطراب غير الخطي

مع تطوير أنظمة التوليد الموزع للتيار المستمر (DG) على أساس الموارد المتجددة والنمو السريع لأحمال التيار المستمر، أصبحت شبكات التيار المستمر الصغيرة شبكات بديلة فعالة مقارنة بشبكات التيار المتردد التقليدية، بحيث يوضح الشكل التالي (1) بنية نظام نموذجية لشبكات التيار المستمر مع محولات مصدر متوازية توفر أحمالاً متوازية للتيار المستمر من خلال ناقل تيار مستمر مشترك.

كما تحتوي أحمال التيار المستمر على حمل الجهد الثابت (CVL)، (CPLs)، بحيث يعد التشغيل المتوازي لمحولات الطاقة (DC-DC) في شبكة ميكروية للتيار المستمر أمراً ضرورياً، وذلك لزيادة موثوقية النظام ومرونته وتقليل ضغط الطاقة على كل محول فردي، ومع ذلك؛ فإن السبب الرئيسي الذي يزعزع استقرار جهد ناقل التيار المستمر لشبكة (microgrid)، وهو نقطة محولات التحميل (POL) المنظمة بإحكام والتي تتصرف مثل (CPL).

كما أن هذا النوع من الأحمال الكهربائية له تأثير عدم الاستقرار بسبب مقاومته السلبية المتزايدة (NII)، بحيث تقلل هذه المعاوقة من تخميد النظام مع تبديد أقل للطاقة عبر محطات خرج محولات المصدر، لذلك تميل طاقة الأنظمة الفرعية للمصدر إلى التأرجح داخلياً بين دارات المحرِّض والمكثف لمحولات المصدر، مما يؤدي إلى تكوين سلوك دورة حدية، كما يزيد هذا السلوك من ضغط التبديل على محولات المصدر ويجعل جهد ناقل التيار المستمر غير مستقر.

معالجة مشكلة عدم استقرار الأحمال في الشبكة الكهربائية

لحل مشكلة عدم الاستقرار في (CPL)؛ فإنه تم إدخال طريقتين للتحكم الخطي وغير الخطي في الدراسات، بحيث تم تقديم نموذج الإشارة الصغيرة المستند إلى طريقة التحكم الخطي عن طريق تقسيم شبكة التيار المستمر إلى نظامين (نظام فرعي المصدر ونظام تحميل فرعي)، كما يتم تخفيف التذبذب الناجم عن (CPL) عن طريق ضبط كسب الحلقة الثانوية لشبكة التيار المستمر (أي نسبة الممانعة بين المصدر والنظام الفرعي للحمل).

كذلك يتم استيفاء حالة الاستقرار فقط إذا كان “محيط نيكويست” لكسب الحلقة الصغيرة لا يطوق مناطق محظورة مختلفة بما في ذلك النقطة (−1، 0)، كما تم تنفيذ طريقتين مختلفتين للتحكم في الخطوط الملاحية المنتظمة، كما أن تقنيات التخميد السلبي عن طريق إضافة عناصر التخميد الحقيقية أو تقنيات التخميد النشط من خلال إجراء التحكم لكلتا الطريقتين.

كما أنه لا يمكن أن توفر نسبة الممانعة القائمة على طريقة التحكم الخطي سوى أداء تحكم دقيق في الجوار الصغير لنقطة التوازن، بحيث لا يمكن الحصول على ديناميكيات تحكم نموذجية بعيداً عن هذه النقطة، لذلك يتم بعد ذلك تقديم العديد من استراتيجيات التحكم غير الخطية القائمة على نموذج الإشارة الكبيرة، مثل التحكم في الوضع المنزلق (SMC) والتحكم التنبئي بالنموذج (MPC) والتحكم التآزري والتحكم القائم على السلبية (PBC).

تصميم التحكم المعتمد على السلبية لمحولات القدرة الكهربائية

لقد أثبت أن الشبكة المنفعلة في حلقة مغلقة مع عنصر مقاوم هي (L2) مستقرة، كما أثبت أيضاً أنه يمكن تحويل النظام غير السلبي إلى نظام سلبي من خلال نظام التحكم في التغذية المرتدة السلبية، بحيث يصف مفهوم السلبية الفيزياء الطبيعية للأنظمة غير الخطية التي تحتوي على المدخلات (u∈Rn) والمخرجات (y∈Rm).

كما تعد دارة السعة والمقاومة الخطية (RLC) مثالاً بسيطاً لتمثيل النظام السلبي، كما يُعتقد أن النظام يكون سلبياً إذا كانت الطاقة المحقونة بواسطة المصدر الخارجي (uTy)، ويكون أكبر دائماً من الطاقة المخزنة في النظام [S˙ (z ~)]، وذلك مع اختلاف الطاقة المشتتة [ZTRi (z) Z]، وهذا يعني بشكل بديهي أن جزءاً من الطاقة يتم تبديده بواسطة مقاومة النظام وأن باقي الطاقة يجب أن يتم تسليمها إلى تخزين النظام (مكثف ومحث)، كذلك يمكن وصف النظام الخامل بمعادلة توازن الطاقة التالية:

كما يعتبر النظام السلبي نظاماً مستقراً، وذلك  لأن وظيفة تبديد الطاقة تدفع دائماً حالة النظام [z (t)] نحو نقطة التوازن، وبشكل عام تحتوي الشبكات الصغيرة للتيار المستمر على أنظمة فرعية متوازية المصدر تزود أنظمة تحميل فرعية متوازية أخرى من خلال محولات طاقة التيار المستمر، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (1)، بحيث يحتوي كل محول فردي على نظام تحكم في التغذية الراجعة مغلق الحلقة مع معلمات تحكم مختلفة ومعلمات دائرة مختلفة (المحاثات والمكثفات والمفاتيح والأسلاك).

كذلك يضيف هذا التنوع مزيداً من التحديات لتحليل الاستقرار غير الخطي لشبكة (dc-microgrid) بأكملها، والتي قد تحتاج إلى معادلات ديناميكية معقدة. طالما أن الهدف من هذا العمل هو حل مشكلة عدم الاستقرار التي تسببها (CPLs)، بحيث يمكن بسهولة الحصول على تحليل الاستقرار القائم على خاصية السلبية بشكل فردي لكل نظام فرعي. يمكن تحقيق ذلك من خلال إعادة تشكيل طاقة كل نظام فرعي ليكون سلبياً تماماً باستخدام وحدة التحكم في التغذية الراجعة القائمة على السلبية (PBC).

ومن السمات المهمة التي توفرها (PBC) أنه إذا تم ربط مجموعتين من الأنظمة الفرعية المنفعلة معاً من خلال اتصال متوازي أو اتصال تغذية راجعة؛ فإن النظام الناتج يكون أيضاً سلبياً (مستقراً)، وذلك كما هو موضح بالشكل التالي (2)، وهذا يعني أن الطاقة التي يوفرها كل نظام فرعي مصدر قد تبدد بواسطة نظام الحمل الفرعي الآخر، وبهذا المعنى؛ فإن توازن الطاقة الإجمالي لشبكة التيار المستمر يكون دائماً إيجابياً.

صياغة المشكلة ونمذجة المعادلات الرياضية

يوضح الشكل التالي (3) مخطط الدائرة الكهربائية لشبكة (dc-microgrid)، والتي تحتوي على محولات طاقة عاكسة متوازية تعمل “بالتيار المستمر”، بحيث تغذي أحمال تيار مستمر متوازية [حمل مقاوم بحت (R) و CPL]، كما يشار إلى معلمات محولات الطاقة (DC-DC) على النحو التالي:

• [(E1 ،E2) ، (L1 ،L2) و (C1 ،C2)]: تمثل الفولتية المدخلة، المحاثات وسعات الدوائر المتوازية على التوالي.

• [(iL1 ،iL2) ، (vo) و (μ1 ، μ2∈ [0،1])]: تمثل تيارات المحرِّض، جهد الخرج ونسب العمل للنظام الموازي على التوالي.

كما أنه من المفترض أن يعمل النظام المتوازي بأكمله (محولات طاقة المصدر والحمل) في وضع التوصيل المستمر (CCM)، بحيث تتم كتابة المعادلات الديناميكية للجمع المتوازي على النحو التالي:

في المجمل تناولت هذه الدراسة مشكلة عدم الاستقرار التي تسببها (CPL) لمحولات القدرة (DC-DC) ذات المحتوى المتوازي في أنظمة التيار المستمر الصغيرة، ولحل هذه المشكلة؛ فإنه يتم تطبيق استراتيجية (PBC) التكيفية مع (NDO) لتحقيق الاستقرار في التذبذب الناجم عن (CPLs)، وكذلك لتعويض اضطرابات نظام (microgrid) للتيار المستمر، بحيث يتم تطبيق (NDO) لإزالة خطأ الحالة المستقرة لـ (PBC) الناجم عن اضطرابات النظام وكذلك لزيادة درجة حرية التحكم.