الحالة الممزوجة للجهد والتحكم الكهربائي لشبكة Microgrid

في هذه الدراسة، تم تصميم وحدة تحكم تكيفية تقديرية للحالة الممزوجة الجديدة للتحكم في الجهد والتيار لشبكة ميكروية ضد الضوضاء غير المعروفة، حيث أن الميزة الأساسية للشبكة الصغيرة (MG) هي قدرتها على دمج أكثر من مصدر طاقة موزع في الشبكة الرئيسية، لذلك قد تتدهور حالة الشبكة المصغرة لأسباب عديدة.

تقدير الحالة الممزوجة للجهد والتحكم الكهربائي في الشبكات

في هذا العصر الحديث للتكنولوجيا، يمكن القول إن أزمة الطاقة والاحتباس الحراري هما أهم القضايا التي يواجهها العالم، كما تستمر هذه القضايا في دفع العالم إلى كارثة بسبب الاستخدام المفرط للنفط والفحم عبر محطات توليد الطاقة النموذجية. استخدام النفط والفحم هو السبب الرئيسي لانبعاثات غازات الاحتباس الحراري، وبالتالي سبب الكوارث التي تلت ذلك.

كما أن موارد الطاقة هذه محدودة وتستنفد يومياً بسبب الطلبات المتزايدة المرتبطة باستهلاك الطاقة، ولمحاولة التغلب على هذه المشكلة الحرجة، تم تقديم مفهوم الشبكة الصغيرة، كما تعد تقنية (Microgrid) طريقة بديلة لإنتاج الطاقة الكهربائية باستخدام موارد الطاقة الموزعة (DERs) مثل خلايا الوقود وتوربينات الرياح والمصفوفات الكهروضوئية والغازات الحيوية، وفي الوقت الحاضر يتم تطبيق هذا المفهوم بانتظام لأنه ينطوي على استخدام كبير لموارد الطاقة المتجددة.

يمثل الشكل التالي (1) مخططاً لنظام ميكروغريد شائع الاستخدام، يعتمد الأداء الأمثل لشبكة ميكروية على وحدة (DER)، بحيث تُستخدم وحدة (DER) إلى حد كبير، نظراً لقدرتها على تقليل استخدام موارد الطاقة غير المتجددة، وبالتالي المساعدة في حل المشكلات المرتبطة باستهلاك الطاقة، كما تعمل هذه الوحدة أيضاً على تخفيف انبعاث غاز الميثان وثاني أكسيد الكربون وغازات الأكسيد المختلفة، مما يؤدي بدوره إلى تقليل كمية غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي.

التحفيز الخاص بالوحدة التكيفية للجهد والتحكم الكهربائي

في هذا البحث، تم تصميم وحدة تحكم تكيفية تقديرية للحالة الممزوجة الجديدة للتحكم في الجهد الكهربائي والتيار للشبكة الصغيرة (MG)، حيث أن الدافع الأساسي لهذه الدراسة هو تقدير الحالة الحقيقية لشبكة ميكروية ضد المدخلات غير المعروفة وضوضاء القياس، لذلك قد تتطور الضوضاء بسبب حالة غير آمنة عندما تتجاوز تيارات الجهد والخط قيود التشغيل ولا يزال نظام الطاقة قيد التشغيل.

كما أن هذا القياس غير الصحيح يحط من أداء (microgrid) من الاستجابة المطلوبة، وللتخلص من هذه المشكلة تم تصميم مرشح (kalman) غير المهيأ (UKF) لتقدير معلمات الشبكة الدقيقة، وفي هذا العمل يتم استخدام (UKF) على (EKF) لأنه بالنسبة للنظام غير الخطي؛ يستخدم (EKF) لتوسيع سلسلة تايلور ومصفوفة جاكوبي لخطي النظام، والذي يأخذ حسابات أكثر تعقيداً في الاعتبار وعندما يكون النظام غير خطي بدرجة كبيرة.

خوارزمية مرشح كالمان وتصميم وحدة التحكم الكهربائية

خوارزمية (UK)

نظراً لأن النظام العملي يتضمن عناصر غير خطية؛ فيجب في كثير من الحالات تقدير النظام غير الخطي، وعلى الرغم من أن (EKF) هي الطريقة الأكثر شيوعاً؛ إلا أنها تُظهر العديد من القيود على النظام غير الخطي، وللتغلب على القيود تم اقتراح خوارزمية (UKF)؛ يوضح الشكل التالي (3-a)، (3-b) على التوالي تنفيذ مرشح كالمان لكل من نظام الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة.

وهنا (w1،w2، … ،wi) تمثل مصفوفة الترجيح لضوضاء الدخل، بينما تمثل (n1 ،n2 ،… ،nj) لضوضاء القياس، حيث أن (UKF) هي تقنية غير خطية تستخدم نقاط سيجما والتحويل غير المعطر لحساب المتوسط والتغاير للمعامل.

تصميم وحدة التحكم

يتم تنفيذ إجراءات الابتكار والتصميم لوحدة التحكم (PID) المعدلة والمتوافقة مع نموذج مرجعي متعدد التشغيل لجهد الشبكة الدقيقة وتنظيم التيار في هذا القسم، بحيث يوضح الشكل التالي (4) الهيكل الأساسي لنظام التحكم، كما تشكل مجموعة من المعلمات القابلة للتكيف الهيكل الأساسي لوحدة التحكم، كما تلعب هذه المعلمات القابلة للتكيف دوراً حيوياً في تتبع إخراج نموذج المصنع بالقرب من إخراج النموذج المرجعي.

كما يعتمد تكوين جهاز التحكم على أربعة مكونات، وهي نموذج مرجعي قسم التحكم و الوحدات المركزية وآلية التكيف، كما يعد النموذج المرجعي جزءاً مهماً من هذا المخطط، مما يضمن عرض التتبع العالي لوحدة التحكم، وبالتالي يتم تحديده بطريقة تولد إشارة المسار المطلوب، وهي وحدة التحكم عبارة عن مجموعة من المعلمات القابلة للتكيف.

كما يتم استخدام الإشارة (ϑ)، والتي تعتمد على كسب التكيف لتوليد إجراء التحكم، بحيث يتم إنشاء إجراء التحكم من وحدة التحكم عن طريق مقارنة مدخلات ومخرجات المصنع، وذلك بمساعدة كسب التكيف، وهو جزء مهم آخر من المخطط هو آلية التكيف، بحيث يستخدم هذا لضمان التتبع العالي للمصنع المثالي فيما يتعلق بالنموذج المرجعي.

تحليل الاستقرار

تم وصف تحليل الثبات النظري لوحدة التحكم المقترحة باستخدام نظرية (Lyapunov) في هذا القسم، كما يمثل الشكل التالي (5) الرسم التخطيطي لنظام التحكم التكيفي المرجعي للنموذج.

تقييم الأداء الخاص بمشرحات التحكم بالجهد الكهربائي لشبكات Microgrid

أداء مرشح كالمان بشكل عام

يعتبر أداء المقدر المقترح معطى غالباً، بحيث يتم إجراء التقييم لنظام ميكروغريد أحادي الطور وثلاث مراحل أحادي المصدر وثلاث مراحل ومتعدد المصادر، كذلك تم إجراء التحقيق باستخدام برنامج (MATLAB / Simulation)، كما تثبت نتائج المحاكاة أن مقدر (UKF) المقترح لديه القدرة على تقليل الاضطرابات من النظام، بالإضافة إلى توفير تقدير أفضل عند مقارنته مع (EKF).

تحليل الأعطال الكهربائية

يعتمد أداء نظام الشبكة الصغيرة إلى حد كبير على عوامل مختلفة.، كما يمكن أن يؤدي الانحراف في هذه العوامل إلى تعطل النظام، وبسبب هذا الخلل؛ فإنه يمكن أن تظهر حالة خاطئة في النظام في أي وقت، لذلك من الواضح أن المقدر الجديد يجب أن يقدر الحالة الخاطئة التي قد تظهر في النظام، كما من الضروري تقدير مثل هذا الخطأ من أجل توفير الإشارة اللازمة لوحدة التحكم لاتخاذ المبادرات الأولية للتغلب على هذا الشرط.

أداء جهاز التحكم أحادي الطور مقابل نظام (Microgrid)

تم دمج وحدة تحكم (PID) القابلة للتكيف في النظام للتحكم في الجهد والتيار الكهربائي، بحيث تم بعد ذلك قياس أداء وحدة التحكم مقابل عدد الأحمال، مثل الحمل المستهلك والحمل التوافقي والآلة غير المتزامنة والحمل الديناميكي، كما ويرد رسم تخطيطي لهذه الأحمال في الشكل التالي على التوالي.

وأخيراً تم تصميم وحدة تحكم تكيفية تقديرية للحالة الممزوجة الجديدة في هذا الطرح لتحسين التحكم في الأداء العالي للجهد والتيار لشبكة ميكروية ذات جزر متعددة (DG) ضد الأحمال والأعطال غير المعروفة، كما تم تمديد بيان مشكلة التحكم في الجهد والتيار للشبكة الصغيرة لتضمين تأثير ضوضاء النظام في شكل خسائر واضطرابات في الحزمة.

كذلك تم تطوير وحدة التحكم لشبكة ميكروية أحادية الطور وثلاثية الطور أحادية المصدر وثلاثية الأطوار متعددة المصادر وتمت مقارنة الأداء بوحدة التحكم (LQR ، LQG)، أيضاً تؤكد النتائج أن استخدام الطريقة المقترحة يضمن دقة تقدير الحالة وكذلك التحكم في الجهد والتيار للنظام وتمت محاكاة أداء وحدة التحكم مقابل عدد من ديناميكيات الحمل لكل من الأنظمة أحادية وثلاثية الطور.