اقرأ في هذا المقال
أهمية التصميم الأمثل والتحكم الكهربائي النموذجي لنظام HRES
مع الطلب المتزايد على الطاقة في جميع أنحاء العالم، والناجم عن النمو السكاني والتقدم التكنولوجي؛ فإن التنبؤات بالآثار السلبية لأنظمة الطاقة الحالية تنذر بالخطر، بحيث يتم توليد معظم الطاقة من الوقود الأحفوري والنووي الذي ينتج عنه انبعاثات ضارة وغازات دفيئة وثبت أنها تشكل خطراً على البيئة. من ناحية أخرى، كما من المتوقع أن الحد الأدنى من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أو انعدامها يمكن أن يقلل الاحتراز العالمي حتى (2) درجة مئوية سنوياً.
في باكستان، شهدت الطاقة المتجددة نمواً هائلاً في السنوات الأخيرة، وذلك وفقاً لـ “إحصاءات قدرة الطاقة المتجددة” للوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)، والذي بلغ إجمالي سعة الطاقة المتجددة المركبة في باكستان 13049 ميغاوات في عام 2018م، وذلك مقارنة بـ 6929 ميغاوات في عام 2009م، كما وبلغت القدرة المركبة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح 1،568 ميغاوات في عام 2018م، وذلك مقارنة بـ 4 ميغاوات.
مثلاً قد تكون الرياح متاحة طوال اليوم، ولكن مع وجود اختلافات كبيرة على فترات زمنية قصيرة، وبالتالي لا يمكن الاعتماد على توليد الرياح لتزويد الحمل المحدد، حيث أن الطاقة الشمسية أكثر قابلية للتنبؤ ولكنها غير متوفرة في الليل، وبصرف النظر عن طبيعتها المتقطعة؛ فإن التكلفة المرتفعة هي أيضاً قيد رئيسي على استخدام مصادر الطاقة المتجددة، ولتقليل هذه العيوب تحتاج أنظمة الطاقة الجديدة إلى الجمع بين العديد من الموارد في نظام هجين مع وحدات تخزين احتياطية لتوفير مصدر طاقة مثالي وموثوق.
حالياً تعيش نسبة كبيرة من سكان العالم في مناطق ريفية نائية دون الوصول إلى شبكة الكهرباء، وهناك (2) مليار شخص في جميع أنحاء العالم لا يحصلون على الكهرباء القائمة على الشبكة الكهربائية، وفي حين أن ما مجموعه 17 ٪ من سكان العالم (1.2 مليار شخص) ليس لديهم كهرباء لاستخدامهم المنزلي وذلك بالنسبة للعديد من المناطق النائية، بحيث لا تستطيع وحدات توليد الطاقة التقليدية تلبية الطلب على الأحمال بسبب ارتفاع تكلفة الوقود وعدم جدوى تمديد الشبكة الكهربائية بسبب التعقيد الجغرافي
وعلاوة على ذلك؛ فإن موارد الطاقة التقليدية هي المصادر الرئيسية لتلوث انبعاثات غازات الدفيئة، بحبث يرتبط الحصول على الكهرباء بالمشاكل الاقتصادية والاجتماعية والبيئية للمجتمعات النائية خاصة في البلدان النامية مثل باكستان.
منا يعتبر التوليد الموزع هو النهج الأكثر أماناً والأكثر قابلية للتطبيق لحل هذه المشكلات التي استمرت عقداً من الزمان، ونظراً لاستنفاد الوقود الأحفوري وفقدان النقل والتوزيع؛ فإنه يُنظر إلى (MG) المستقلة من خلال الأجيال الموزعة (DGs)، وذلك على أنها حل جذاب لتلبية الطلب المحلي على الطاقة في كهربة المناطق النائية، حيث يكون الوصول إلى الشبكة عفا عليه الزمن أو باهظة الثمن.
كذلك؛ فإنه من المتوقع حدوث زيادة في نقل الطاقة بين مختلف البلدان في المستقبل بسبب العولمة وتكوينات الشبكة الصغيرة الموزعة (MG) والاختراق العالي لموارد الطاقة الموزعة (DERs)، حيث أن التحول من الأنظمة المركزية القديمة إلى الأنظمة اللامركزية بنفس أنواع الوقود الأحفوري يجعل النظام أكثر تعقيداً دون معالجة استدامته.
ملخص دراسة التحكم الكهربائي النموذجية
تركز العديد من الدراسات البحثية على (HRES) المستقلة، بحيث تمت دراسة الشبكة الدقيقة (DC) المعتمدة على البطاريات الكهروضوئية لنيجيريا، كما تم تحليل الحجم الأمثل مع إدارة الطاقة الهرمية لشبكة التيار المستمر القائمة على بطارية الهيدروجين الكهروضوئية، كما يعمل التحكم الكهربائي في تدلي (PV-MPPT) على تثبيت جهد ناقل التيار المستمر بينما يتم التعامل مع تقلبات طاقة خرج خلية الوقود (FC) باستخدام التحكم في الوضع المنزلق (SMC) مع وضع التحكم الحالي مع خطي التغذية المرتدة.
فيما تم العثور على تطبيقات (MPC) في الدراسات الحالية بما في ذلك (FCS-MPC)، وذلك للتحكم الأولي في الجهد والتردد مع عرض نطاق كبير متاح في الأنظمة خارج الشبكة، بينما يتم تطبيق (FLC) كعنصر تحكم ثانوي لمعالجة أخطاء الحالة المستقرة، ونظراً للتكلفة العالية؛ فإن مرشح الطاقة النشط (APF) لتعويض عدم الاتزان والتوافقيات، وهناك مجموعة التحكم المستمر MPC (CCS-MPC) مع ضبط المعطيات.
كما تم اقتراح التركيز الرئيسي في المفاضلة بين جودة الجهد والتيار الكهربائي المحقون، بحيث يتم تحليل عملية مستقرة وسريعة الاستجابة، كما يتم فحص تنظيم التردد لشبكة (microgrid) مع ضبط الجهد للأحمال الحساسة للجهد باستخدام (MPC) الموزعة (D-MPC)، كذلك تم تطبيق خوارزمية خلفية لامركزية للتحكم في الجهد بالإضافة إلى مشاركة الحمل في نظام الشبكة الصغيرة المستقلة (DC).
أيضاً يتم التعامل مع التنسيق بين الطبيعة المتقطعة لطاقة الرياح وحمل الشحن للمركبات الكهربائية الإضافية (PEVs) من خلال (MPC) الهرمي وتم تحليل استراتيجية التحكم في المحولات المكونة للشبكة مع التحليل العابر في ظل الاضطرابات عالية الإشارة، كذلك تم اقتراح استراتيجية التحكم في الجهد التكيفي للتحكم في (DG) ولوحظ أداء واستجابة جيدين للغاية.
بحيث التحقيق في المخطط التكيفي للمعوض الثابت (STATCOM)، كما يتم تطبيق استراتيجية التحكم التقليدي (PI) لتنفيذ التحكم المباشر في القدرة (DPC)، كما أنه يتم تطبيق (DPC) مع جدول البحث لتبديل الحالات لتحسين أداء المحول، بحيث تتم معالجة التوافقيات التحويلية باستخدام مخطط (DPC) المبني على أساس غامض ويستخدم التحكم في الوضع المنزلق (SMC) لتنظيم الطاقة لنظام متصل بالشبكة الكهربائية.
نمذجة النظام ووصف المكونات
يوضح الشكل التالي المخطط المقدم للتحجيم الأمثل للنموذج الهجين للنظام غير المتصل بالشبكة ومخطط إدارة الطاقة المحتمل لأنماط التشغيل غير المتصلة بالشبكة وكذلك المتصلة بالشبكة، وفي البداية تتضمن الخطوة تخطيطاً شاملاً للطاقة وتحليل الجدوى بما في ذلك بيانات الأرصاد الجوية والطلب على الموقع المحدد.
كما يتم اتباع الخطوة الأولى من خلال تحديد أهداف التحسين والقيود والخطط القابلة للتطبيق لـ (HRES)، بحيث يتم تحقيق تحليل نموذج مفصل لمكونات (HRES) المختلفة، كما تم اقتراح خطة التكوين الأكثر قابلية للتطبيق لنظام الموارد البشرية على أساس المنهجية المفصلة مع الحكم على ثلاثة احتمالات وهي التكنولوجية والاقتصادية والبيئية.
كما أن الخطوة التالية هي تحليل أداء المخطط المقترح للنموذج المختار بشكل عملي، بحيث تتضمن الخطوة الأخيرة إثبات المخطط العام المقترح وتحليله المقارن بطريقة (PI) التقليدية، كما أنه يتم وصف تفاصيل النموذج المقترح ووصف المكونات أدناه:
كما تتألف (HRES) المقترحة من الديزل والرياح والطاقة الكهروضوئية و (BSS) والمحول الكهربائية، بحيث تعتبر المكونات الثلاثة الأولى بما في ذلك الكهروضوئية وطاقة الرياح ومولدات الديزل بمثابة مصادر التوليد الرئيسية لتلبية طلب المستهلك على الكهرباء.
لذلك يعتبر نظام تخزين الطاقة لإطعام المستهلكين طوال المدة المتقطعة لتوليد الطاقة الشمسية و (WT) في ظل ظروف مختلفة تشمل الحالة المستقرة وظروف العابرين، بحيث تعتبر محولات الطاقة مكوناً جوهرياً لنموذج (HRES) لتبادل الطاقة بين الناقلات، كما أنه من المناسب أن نقر هنا أنه يتم تطبيق محولات من نوع (dc-dc) لاستخراج الطاقة القصوى من أنظمة توليد الطاقة الشمسية و (WT)، في حين أن محول البطارية ينظم جهد التيار المستمر.
