التحكم متعدد الحلقات عن طريق تعديل الطاقة الكهربائية

ضرورة التحكم متعدد الحلقات عن طريق تعديل الطاقة الكهربائية

تتعرض أنظمة الطاقة لمجموعة كبيرة من الاضطرابات أثناء العمليات اليومية، كما يمكن أن تؤدي الاضطرابات الشديدة مثل فقد المولد الكبير أو عطل ثلاثي الأطوار في ناقل الحركة أو فقد خط النقل إلى فقدان تزامن مولد التيار المتردد أو مجموعة المولد الكهربائي، حيث تُعرف قدرة نظام الطاقة على الحفاظ على التزامن في غضون ثوانٍ قليلة بعد التعرض لاضطراب شديد بالثبات العابر.

كما تتضمن معظم الأساليب الحديثة للتحكم في الاستقرار العابر مخططات الإجراءات العلاجية، بحيث تستشعر مخططات الحماية الخاصة ظروف النظام المحددة مسبقاً وتتخذ إجراءات تصحيحية، مثل تعثر المولد أو إعادة إرسال التوليد في الوقت الفعلي للحفاظ على الاستقرار العابر، كما هناك مخطط أقل شيوعًا وهو استخدام نظام التحكم في التغذية الراجعة في الوقت الفعلي لتعديل خرج المشغل استجابةً لإشارة.

كما ألهمت العوامل الاقتصادية والبيئية الأخيرة تكاملاً متزايداً لأنظمة تخزين الطاقة (ESSs)، بحيث توفر أوقات الاستجابة السريعة للعديد من (ESSs) فرصة لاستخدامها لتعزيز الاستقرار العابر، بحيث تستخدم كل هذه الأوراق التغذية الراجعة للتردد الكهربائي أو الزاوية لتعديل طاقة خرج (ESS)، كما وتركز بشكل أساسي على استقرار مولد معين متصل بالنظام.

كذلك تمت دراسة استخدام المقاوم المتحكم فيه بواسطة الثايرستور لتعزيز الاستقرار العابر، بحيث تركز هذه الأعمال على تحسين الاستقرار العابر عن طريق تثبيط اهتزاز الآلات الكهربائية المتزامنة؛ فهم لا يفكرون في نظام طاقة مشترك متعدد الآلات أو تأثير استراتيجيات التحكم الخاصة بهم على نظام طاقة عابر غير مستقر.

اقتران الطاقة ومعيار المساحة المتساوية

تشكل وظيفة الطاقة لآلة واحدة متصلة بحافلة لا نهائية أول جزء لا يتجزأ من معادلة حركة النظام، كما يتم بناؤه دائماً لنظام ما بعد الخطأ، في نظام ناقل لا نهائي من آلة واحدة؛ يبقى مقدار جهد الحافلة وزاوية جهد الحافلة كما هو في جميع الأوقات (أي 1∠0) بغض النظر عن الخطأ المطبق على النظام. لنمذجة نظام أكثر واقعية حيث يمكن أن تختلف زاوية جهد الناقل الخارجي أثناء الخطأ وما بعد الخطأ.

كما يتم استبدال الحافلة اللانهائية بمولد يمثل المكافئ الديناميكي لبقية النظام، وفي هذا البحث نشتق دالة الطاقة لمولد (G1) متصل بمكافئ ديناميكي لبقية الشبكة كما هو موضح في الشكل التالي (1) باستخدام استراتيجية، وهي دالة الطاقة الجزئية المشابهة، بحيث يمثل (GCOI) المكافئ الديناميكي لجميع المولدات الأخرى في نظام الطاقة، وذلك باستخدام نماذج المولد الكلاسيكي، كما يمكن كتابة معادلات الحركة للآلتين على شكل:

حيث أن:

(Hi): هي القصور الذاتي للمولد الكهربائي.

(i ، ωb): هي السرعة المتزامنة.

(Pmi ، Pei): هي الطاقة الميكانيكية المدخلة والطاقة الكهربائية الناتجة للمولد (i) على التوالي.

(i): هي زاوية الدوار للمولد i فيما يتعلق بمرجع تناوب متزامن.

(ωi): هي سرعة المولد (i) لتوازن الطاقة.

(Pm1 = −PmCOI) ومحلول تدفق الطاقة يفرض أن (Pe1 = −PeCOI)، لذلك يمكن إعادة كتابتة المعادلة من خلال:

استراتيجية التحكم الكهربائي المقترحة

تتضمن استراتيجية التحكم المقترحة تعديل الطاقة الحقيقية الممتصة أو المحقونة بواسطة أجهزة (ES) الموزعة المتصلة بنظام الطاقة، حيث توجد أجهزة (ES) هذه عند ناقل الجهد العالي للعديد من المولدات في النظام ويتم التحكم فيها بشكل مستقل، كما يعتمد كل إجراء من إجراءات التحكم (ES) على تردد المولد المحلي الخاص به وتردد مركز القصور الذاتي (COI) للنظام المتبقي، وهو مبني على الاستراتيجية المثلى للقسم السابق.

وعلى الرغم من أنه تم التوصل إليه رسمياً، إلا أن نهج التحكم الأمثل جذاب بشكل حدسي، ومن أجل تقليل الطاقة الحركية إلى الصفر في أسرع وقت ممكن، بحيث يجب أن يمتص جهاز التخزين الطاقة بأقصى معدل لها من وقت تحرير الخطأ حتى السرعة النسبية (ω) هي (0).

كما يشير هذا التفسير الرياضي إلى وسيلة للتنفيذ العملي، بحيث استخدم ببساطة هذه السرعة النسبية (ω = ω1 − ωCOI)، وذلك كإشارة تغذية مرتدة في حلقة واحدة لتعديل خرج وحدة التحكم كما هو موضح في الشكل التالي (2)، أي جهاز التحكم ES) ،(PCONTROL))بحيث يمتص الطاقة عندما يكون (ω) موجباً، كما ويضخ الطاقة عندما (ω) سلبي.

ومع ذلك ، وفي كثير من الحالات تكون أنظمة الطاقة بمثابة ربط بين مجموعات كبيرة من المولدات، ومن عمليات المحاكاة العديدة التي أجراها الباحثون، لذلك من الواضح أنه في أنظمة الطاقة الكبيرة، تميل المولدات إلى التأرجح في مجموعات متماسكة، وأن مولداً واحداً أو مجموعة مولدات يمكن فصلها عن باقي النظام بعد اضطراب شديد.

لذلك من المنطقي أن نهج التحكم يجب أن يكون مدركاً للسلوك المادي لأنظمة الطاقة في فترة ما بعد الاضطراب، كما كشفت دراسات المحاكاة، وبالتالي ينقسم عدم الاستقرار العابر إلى آليتين أساسيتين، وفي الحالة الأولى، يفقد المولد (أو المصنع) التزامن من النظام المترابط. مع المجموعة الثانية، كما تفقد مجموعة المولدات التي تتأرجح معاً التزامن مع مجموعة أخرى من المولدات أو مع باقي النظام.

وهذا غالباً ما يؤدي إلى الجزر، بحيث أن استراتيجية التحكم مبنية حول هذه الآليات. التحكم في الحلقة المفردة (أي استخدام السرعة النسبية للمولدات الفردية من سرعة (COI) للنظام كإشارة تغذية مرتدة) الموضح في الشكل السابق (2) يعالج الآلية الأولى فقط، لذلك يُقترح استراتيجية تحكم متعددة الحلقات لمعالجة كلا الآليتين.

أولاً يكون بتقسيم النظام إلى “مناطق تحكم” تمثل الجزر المحتملة أو مجموعات المولدات التي تميل إلى التأرجح معاً كمنطقة، وفي أنظمة الطاقة الكبيرة، سيكون اختيار “مناطق التحكم” واضحاً في بعض الحالات بناءً على الترابط بين النظام والمسافة النسبية والكهربائية والمادية بين المولدات، وفي حالات أخرى، لن يكون اختيار “مناطق السيطرة” واضحاً وهذا يستحق مزيداً من البحث.

كما أن هدف التحكم الأول هو أن تظل المولدات الفردية متزامنة مع مناطقها المحلية، كذلك؛ فإن الهدف الثاني للتحكم هو الحفاظ على تزامن المناطق مع بعضها البعض، ولكل جهاز تحكم يتوافق مع مولد، بحيث يتم تقدير سرعة المولد المحلي الخاص به ويتم حساب ملف تعريف تردد COI.

كما يتكون ملف تعريف تردد (COI) لكل وحدة تحكم من تردد (COI) لمنطقة المولد  وحساب تردد (COI) لمنطقة المولد باستثناء مساهمة تردد المولد وتردد (COI) للنظام وحساب تردد (COI) للنظام باستثناء مساهمة جميع المولدات في منطقة المولد، كما أنه يتم حساب تردد (COI) كمتوسط ​​تردد مرجح للقصور الذاتي.

كما أن استراتيجية التحكم متعدد الحلقات مبينة في الشكل التالي (3) وتتكون من حلقتين تغذية مرتدة متوازيين، بحيث يعتمد كل مسير على استراتيجية النبض لخطأ التردد، لذلك تركز الحلقة الأولى على الحفاظ على تزامن المولد في منطقته الخاصة وتركز الحلقة الثانية على الحفاظ على التزامن لمنطقة معينة مع جميع المناطق الأخرى. إشارة الإدخال إلى الحلقة الأولى هي انحراف التردد للمولد عن منطقته، بينما إشارة الإدخال إلى الحلقة الثانية هي انحراف التردد للمنطقة عن المناطق الأخرى.