التحكم في نظام الطاقة الكهربائية وضبط إشارات التنسيق

يقدم هذا البحث صياغة إشارات التحكم على نطاق واسع (WAC) إما لتنسيق جميع حكام النظام أو التنسيق في وقت واحد لكل من الحاكم ومثبت نظام الطاقة (PSS) لكل مولد كهربائي، كما ويتحقق ذلك من خلال تطوير إشارات (WAC) المناسبة المخصصة لتنسيق إشارة الإدخال المشتركة (انحراف سرعة الدوار).

الغاية من التحكم في النظام الكهربائي وضبط إشارات التنسيق

أصبحت التذبذبات بين المناطق أحد التحديات الرئيسية التي يتعين على أنظمة الطاقة الحديثة مواجهتها، بحيث يمكن أن توفر هذه التذبذبات ضغطاً إضافياً على مكونات النظام، كما وتقلل من جودة الطاقة، ويمكن أن تهدد استقرار النظام الكهربائي، وبشكل أكثر تحديداً؛ فإن حدوث أي نوع من حالات الطوارئ أثناء نقل كميات كبيرة من الطاقة بين الأنظمة المترابطة (عبر خطوط نقل طويلة).

كما يؤدي إلى تفاقم التذبذبات بين المناطق، بحيث تمثل التذبذبات بين المناطق إحدى الخواص الكهروميكانيكية لأنظمة الطاقة الديناميكية، كما أن هذه التذبذبات هي نتيجة وجود مجموعات متماسكة من المولدات تتأرجح ضد بعضها البعض (في حالة حدوث اضطراب) وتتميز بتردد منخفض (0.2-1 هرتز)، ونظراً لطبيعتها، كما تُعرف أيضاً باسم أنماط التذبذب منخفضة التردد الكهربائي.

آلية اخماد تذبذبات نظام الطاقة الكهربائية للمولدات

تقليدياً يتم إخماد تذبذبات نظام الطاقة من خلال وحدات التحكم المحلية للمولد، مثل المثير والمحافظ والتي تم تصميمها لضمان الاستقرار المحلي فقط للمولد (1-2 هرتز)، ومن أجل زيادة استقرار النظام؛ تمت إضافة مثبتات نظام الطاقة (PSS) وأجهزة نظام نقل التيار المتردد المرن القائمة على محول الطاقة الإلكتروني (FACTS) إلى الشبكة الكهربائية.

وبشكل أكثر تحديداً يتم تنفيذ (PSSs)، ولزيادة استقرار الإشارة الصغيرة عن طريق توليد مكون عزم كهربائي، والذي يهدف إلى تعويض الجزء المحلي فقط من التذبذبات منخفضة التردد الكهربائي، وعلى الرغم من استخدام (PSSs) لتخميد أوضاع المناطق البينية؛ فإنه يمكن تحقيق مزيد من التحسين.

لذلك يتمثل عيب مثل هذه البنية اللامركزية في أن كل وحدة تحكم محلية، على سبيل المثال (PSS- FACTS)، بحيث تحاول إخماد التذبذبات بناءً على المعلومات المحلية فقط، وهي متجاهلة تشغيل وحدات التحكم الأخرى، لذلك؛ فإن الافتقار إلى المعلومات العالمية وعدم وجود هدف نظام مشترك لجميع وحدات التحكم المحلية يوفران فرصة لتعزيز المزيد من التخميد للتذبذبات بين المناطق.

أثر ظهور التطبيقات التكنولوجية في عملية التخميد

لقد أتاح ظهور وتطبيق تكنولوجيا القياس المتزامن اكتشاف ورصد التذبذبات ضعيفة التخميد (مثل أوضاع المناطق الداخلية)، كما وأصبح العمود الفقري لتطوير أنظمة المراقبة والتحكم على نطاق واسع (WAMC) وبشكل أكثر تحديداً؛ فإنه يهدف التحكم في المنطقة الواسعة (WAC) إلى الاستفادة من قياسات الطور المتزامن من أجل توفير إشارات التنسيق لوحدات التحكم المحلية.

وفي الدراسات تناولت أعمال مختلفة تطوير وحدة تحكم منطقة واسعة، بحيث يتم فصل مخططات (WAC) المقترحة بشكل أساسي وفقاً لمكونات نظام الطاقة التي تهدف وحدة التحكم في المنطقة الواسعة إلى تنسيقها، على سبيل المثال تم تطوير وحدة تحكم واسعة النطاق لتعديل الطاقة النشطة لخط تيار مستمر عالي الجهد (HVDC) باستخدام القياسات المتزامنة.

وفيما بعد تمت صياغة مخطط تحكم يحصل على معلومات منطقة واسعة من النظام ويستخدم مزارع الرياح ذات التغذية المزدوجة (DFIG) لتخميد أي تذبذبات، بحيث يتم تقديم توليفة من التحكم في المولدات المتزامنة و (FACTS) نهج مماثل للتنسيق في وقت واحد من خلال وحدة تحكم منطقة واسعة جميع المولدات المتزامنة ومصادر الطاقة المتجددة من أجل زيادة قدرة التخميد الإجمالية للنظام الكهربائي.

المنهجيات الخاصة بالحصول على إشارات التنسيق للنظام الكهربائي

تقدم هذه الدراسة بشكل أساسي منهجيات جديدة للحصول على إشارات (WAC) المناسبة للتنسيق بين المحافظين و (PSS)، وبشكل أكثر تحديداُ؛ فإنها تتمثل المساهمة الأولى لهذا العمل في تطوير منهجية يمكن استخدامها إما للتنسيق بين جميع حكام النظام (في حالة عدم استخدام النظام لأجهزة PSS) أو للتنسيق في نفس الوقت بين كل من الحاكم و (PSS) لكل مولد كهربائي.

ومن خلال إشارة (WAC) المشتركة ودون أي تعديل في صياغة الإشارة؛ فقد لوحظ أنه بالنسبة لتنسيق المثير، يتم أخذ إشارة تقليدية في الاعتبار، حيث يتم إجراء تعديلات طفيفة، وبأن المساهمة الثانية لهذه الدراسة هي تطوير منهجية للضبط التكيفي، حيث أن الهدف هنا هو الحصول على أوزان مخصصة لتنظيم إشارات (WAC).

كما يتم إجراء عمليات المحاكاة الكهرومغناطيسية العابرة (EMT) على نظام الاختبار الديناميكي (IEEE 39-bus)، وذلك من أجل التحقيق في تحسين أداء وحدة التحكم في المنطقة الواسعة عند تطبيق إشارات التنسيق الجديدة وطريقة الضبط التكيفي، ولهذا السبب؛ فإنه يتم إجراء عمليات المحاكاة دون اتصال، وفي الوقت الفعلي (من خلال معدات OPAL-RT).

لذك يوضح الشكل التالي نظام الاختبار الديناميكي (IEEE 39-bus)، وبالإضافة إلى فصله إلى مراكز لمحاكاة الوقت الفعلي؛ فإنه من الجدير بالذكر أن نماذج الحمل الديناميكي مدرجة لمحاكاة أكثر واقعية، كما يتم تقييم أداء (WAC) المقترح من خلال استخدام أداة التحليل (Prony)، وعلاوة على ذلك؛ فإن مفهوم الاتساق مطلوب في هذا العمل من أجل تقليل عدد وحدات إدارة المشروع التي يحتاجها المخطط المقترح.

التصميم التقليدي للتحكم الكهربائي في المنطقة الواسعة

يناقش هذا القسم إجراءات تطوير وحدة التحكم للمنطقة الواسعة التقليدية، والتي تظهر بالتفصيل، كما أن هذا ضروري لتوفير الأساس، بحيث يتم تقديم تطوير الطريقة المقترحة، كما لوحظ أنه سيتم استخدام (WAC) التقليدي في هذا القسم للمقارنة لاحقاً لتقييم فعالية المخطط المقترح.

• قياسات المنطقة الواسعة: تعتمد الصياغة الناجحة وتشغيل وحدة تحكم منطقة واسعة بشكل كبير على توافر القياسات المتزامنة من النظام، لذلك في هذه الدراسة يُفترض أن يتم تركيب وحدات إدارة المشروع في جميع حافلات المولد، وكما هو موضح في الشكل السابق، كما ويرجع ذلك إلى حقيقة أن المنهجية تتطلب الفولتية الطرفية (vt) والترددات (f) والدوار زوايا (δ) من جميع المولدات.

• النماذج اللازمة لتطوير التحكم في المنطقة الواسعة: الهدف من المنهجية هو اتخاذ جميع الخطوات اللازمة للحصول على تمثيل فضاء حالة جديد للنظام ومناسب لاشتقاق إشارات (WAC)، بحيث يتم تحقيق ذلك من خلال إعادة صياغة النظام إلى شكل مغلق وتطبيق تغيير المتغيرات، كما يتم إجراء هذا الأخير من أجل الحصول على الفولتية الطرفية للمولدات كمتغيرات حالة جديدة، وهو معبراً عنها على محور (d-q)، ولتطبيق المنهجية؛ فإنه يلزم وجود نماذج للمولد ونظام الطاقة.

• الصياغة التقليدية للتحكم في المنطقة الواسعة: يكون الهدف العام من (WAC) هو تقدير إشارات التنسيق المناسبة المخصصة لوحدات التحكم المحلية للمولد، لذلك من المهم تحديد وحدات التحكم المحلية وإشاراتها المحلية المراد تنسيقها، وفي هذه الدراسة تم تنفيذ المولدات لاعتبار المثير (DC2A) ومحافظ الأغراض العامة.

وبالنهاية تم اقتراح منهجية جديدة لتنسيق محافظ المولد المتزامن و (PSS)، وذلك لزيادة قدرة التخميد للنظام  الكهربائي، وخاصة لتعويض التذبذبات بين المناطق، بحيث تصبح صياغة إشارات (WAC) المقترحة ممكنة من خلال استخدام النموذج الديناميكي لنظام الطاقة متعدد الآلات الكهربائية، وذلك من أجل تحديد وإلغاء جميع التفاعلات بين المولدات.