التحكم بالمركبات الكهربائية الموصولة والمدمجة مع الشبكة

يعد تبادل الطاقة ثنائي الاتجاه بين السيارة الكهربائية الموصلة بالكهرباء (PEV) والشبكة الكهربائية للتيار المتردد ضرورياً لإجراء عمليات من المركبة إلى الشبكة (V2G) والشبكة إلى المركبة (G2V)، وأثناء إجراء هذه العمليات؛ تلعب محولات الطاقة الكهربائية ووحدات التحكم المختلفة دوراً مهماً كوسيط بين (PEV) والشبكة الكهربائية.

أهمية التحكم بالمركبات الكهربائية الموصولة والمدمجة مع الشبكة

أدى الطلب المتزايد على الطاقة العالمية إلى زيادة كبيرة في استخدام الوقود الأحفوري، لكن لها آثاراً سلبية خطيرة على البيئة وصحة الإنسان، وبالتالي لتقليل الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية وكذلك تلبية متطلبات الطاقة وإدارة ارتفاع درجة الحرارة العالمية؛ فإن هناك اهتمام كبير لاستخدام ليس فقط موارد الطاقة المتجددة ولكن أيضاً المركبات الكهربائية الموصولة بالكهرباء (PEVs).

ونظراً لأن معظم موارد الطاقة المتجددة متقطعة؛ فعادة ما يتم أخذ جهاز تخزين الطاقة في الاعتبار أثناء تطوير النظام، ومع ذلك؛ فإن تكلفة أجهزة تخزين الطاقة ليست مبررة دائماً، وفي مثل هذه الحالة يمكن لأجهزة تخزين الطاقة الحالية، مثل (PEVs) أن تلعب دوراً مهماً من حيث تقليل التكلفة والتخزين، حيث أن السيارات الكهربائية هي شكل جديد من الأحمال الكهربائية التي يمكن استخدامها كوسيلة للنقل وكوسيلة لتخزين الطاقة.

مساهمة أجهزة الاستقبال في تخزين الطاقة الكهربائية

بينما يعتبر كل (PEV) جهازاً مستقلاً؛ فإن مساهمته في نظام الطاقة تكون ضئيلة أثناء أدائه كجهاز تخزين للطاقة، كما أن هناك قوة دافعة أخرى لزيادة الطاقة الكهروضوئية في قطاع النقل والاستخدام المنتظم وهي دمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية في المركبات الكهربائية كمصدر رئيسي للطاقة، حيث إن الاستراتيجية المحكومة القائمة على تحسين حشد الجسيمات (PSO) للنظام الكهروضوئي في غرض التشغيل المستقل لـ (PEV) تحظى بشعبية أيضاً، ولكن نظرًا لتقطع الطاقة الشمسية.

كما يتعين في بعض الأحيان على (PEV) إجراء عملية (G2V) لغرض الشحن أيضاً، بحيث أصبحت النمذجة الرياضية المتعددة القائمة على إعادة الشحن، بما في ذلك مفهوم محرك الجر في (PEV)، وهي شائعة للترويج لاستخدام (PEV)، ومع ذلك؛ فإن نموها السريع في الكمية يتعارض مع استقرار نظام الطاقة. وبالتالي يبذل الباحثون قصارى جهدهم لاستخدام (PEVs) بشكل جماعي بالطريقة المثلى لرفاهية نظام الطاقة من خلال تشغيلها في أوضاع تشغيل مختلفة.

أيضاً يتوفر وضعان من العمليات لتوصيل (PEVs) بشبكة الطاقة، بحيث يتم استخدام وضع الشبكة إلى السيارة (G2V) لشحن بطارية السيارة الكهربائية لأغراض التنقل والاستفادة من الطاقة غير المستخدمة خلال ساعات الذروة، ومرة أخرى يتم استخدام وضع التشغيل من المركبة إلى الشبكة (V2G) لحقن الطاقة مرة أخرى من (PEV) إلى نظام مرافق الشبكة عندما تكون هناك حاجة إلى طاقة إضافية خلال ساعة الذروة، مما يجعل نظام الطاقة أكثر موثوقية.

نمذجة النظام الكهربائي ومبدأ العمل وعملية التنفيذ

تركز هذه الدراسة بشكل أساسي على نمذجة محولات كهربائية مختلفة لتنفيذ عملية (V2G ،G2V) بنجاح وتوضح كيف يمكن لوحدة تحكم حديثة مثل (ANFIS) أداء عملية إدارة طاقة أفضل من محول (PI) التقليدي، كذلك يوضح الشكل التالي (1) المنزل الذكي المتكامل بالشبكة الكهربائية، والذي يتضمن أجهزة (AC / DC) ومحولات طاقة ثنائية الاتجاه (AC / DC).

كما تعتبر البطارية المستخدمة في (PEV) بمثابة حزمة بطارية ليثيوم أيون (Li-ion)، ونظراً لفوائدها العديدة مثل عمر البطارية الطويل وزيادة السعة القابلة للاستخدام والطاقة الثابتة وتحمل درجة الحرارة وحى ميزات الأمان سريعة التغير؛ فإنه يتم استخدام مرشح (R-L) على جانب الشبكة الكهربائية، مما يضمن جودة الطاقة عند تلقي الطاقة بواسطة الشبكة أو ضخها من الشبكة.

كذلك يساعد مرشح (R-L) أيضاً في تقليل التوافقيات الناتجة عن العاكس ويضمن جهداً شبه جيبي ثلاثي الشكل، وخلاف ذلك؛ قد تؤدي المركبات التوافقية إلى تشويه جودة طاقة الشبكة، بحيث يتم استخدام محول (AC / DC) ثنائي الاتجاه لتبادل الطاقة بين شبكة التيار المتردد ورابط طاقة التيار المستمر، بحيث يعمل كمقوم عندما تتدفق الطاقة من شبكة التيار المتردد إلى رابط طاقة التيار المستمر وكعاكس عندما يتم حقن الطاقة من رابط طاقة التيار المستمر إلى شبكة التيار المتردد.

أيضاً يتم تحديد شحن وتفريغ البطارية بواسطة تيار البطارية السالب والموجب على التوالي، أيضاً قد يحتوي تيار شحن وتفريغ البطارية هذا على تموجات يتم التخلص منها بواسطة مرشح (L)، بحيث يقدم الشكل التالي (2) نظرة عامة على النظام المقترح، بما في ذلك محولات الطاقة وأجهزة التحكم وفولتية ناقل وصلة (DC) والمرشح وأجهزة الاستشعار وبطارية (PEV) وشبكة طاقة التيار المتردد.

مساهمة محولات الطاقة وجهاز الاستشعار في عملية التخزين

بالعادة يتم تحقيق التحكم في الطاقة بين (PEV) والشبكة الكهربائية بمساعدة محولات الطاقة المختلفة وأجهزة التحكم جنباً إلى جنب مع خوارزمية التحكم، كما تنقسم المحولات ووحدات التحكم المرتبطة بها إلى ثلاثة أجزاء كالآتي:

• محول (AC / DC) ثنائي الاتجاه: ويستخدم لأداء تشغيل (V2G و G2V)، بحيث يجب أن يكون هناك اتصال ثنائي الاتجاه بين نظام توزيع التيار المباشر وشبكة التيار المتردد، وفي هذه الدراسة يتم فحص هذا الاتصال، وفي الشكل التالي (3)؛ فإنه يتم استخدام محول (AC / DC) ثنائي الاتجاه متحكم فيه بالكامل، كما ويمكن لهذا المحول تبادل تدفق الطاقة عند عامل قدرة واحد.

• التحكم في جهد ناقل التيار المستمر: يوضح هذا الجزء الموضح في الشكل التالي (4-a) التحكم في جهد ناقل التيار المستمر جنباً إلى جنب مع وحدة التحكم (ANFIS2)، حيث يتم اختيار القيمة الاسمية لجهد ناقل التيار المستمر على أنها (400) فولت، كما ويظهر الشكل الداخلي لوحدة التحكم (ANFIS2) في الشكل (4-b)، كما يتم الحفاظ على هذه القيمة المرجعية لجهد ناقل التيار المستمر في أي وضع تشغيل مثل (V2G ،G2V).

• محول (DC / DC SMPS): يتم استخدام محول مصدر طاقة بتبديل الوضع (SMPS) ثنائي الاتجاه يتم التحكم فيه بالكامل (SMPS)، وذلك جنباً إلى جنب مع وحدة التحكم (ANFIS1)، بحيث يتم توضيحه في الشكل التالي (5-a)، كما يظهر التكوين الداخلي لوحدة التحكم (ANFIS1) في الشكل (5-b)، بحيث يطبق هذا المحول تكوين تردد التبديل ومعدل أخذ العينات البالغ (8) كيلو هرتز و (0.3) مللي ثانية على التوالي، كما يوفر هذا التكوين للمحول استجابة أسرع لاكتشاف أي اختلاف في الحمل على أي من الجانبين.

وبالنسبة الى نمذجة البطارية في هذه الدراسة؛ فإنه تم اعتبار جزء البطارية من (PEV)، والذي يخدم غرض تخزين الطاقة ويساعد أيضاً في إجراء عمليات (V2G ،G2V؛ فقد تم النظر في نموذج تجريبي كلاسيكي لبطارية (Li-ion) الخاصة بـ (PEV)، كذلك يمكن تفسير نموذج بطارية (Li-ion) على أنه مزيج من مصدر الجهد والمقاومة المقابلة له، والتي تم توضيحها في الشكل التالي (6).

وأخيراً تقترح هذه الدراسة وحدة تحكم (ANFIS) لتحقيق تبادل طاقة منسق بين تخزين البطارية والشبكة الكهربائية للتيار المتردد من خلال وسطاء ووحدات تحكم مختلفة، كذلك يتم تحقيق تدفق طاقة ثنائي الاتجاه بين (PEV) و (AC) بمساعدة جهازي تحكم (ANFIS) واستراتيجية تحكم مقترحة، كذلك تم تنفيذ نفس المخطط مع وحدات تحكم (PI) من خلال استبدال جهازي تحكم (ANFIS).