السلسلة الزمنية للشبكات الكهربائية المجهرية ثلاثية الطور

تتيح التطورات الحديثة في موارد الطاقة الموزعة القائمة على العاكس (DERs) للشبكات الصغيرة العمل في أوضاع متصلة بالشبكة والجزيرة بسهولة، ومع ذلك؛ فإن تحديد حل لتدفق الأحمال الكهربائية المستقر لشبكة ثلاثية الطور غير متوازنة وشبكة جزرية صغيرة في العالم الحقيقي لا يزال يمثل تحدياً.

متابعة السلسلة الزمنية للشبكات الكهربائية المجهرية ثلاثية الطور

يستمر وجود موارد القدرة الكهربائية الموزعة (DERs)، وفي المقام الأول التوليد الموزع بين العاكس (DG) وأنظمة تخزين الطاقة (ESSs) في الزيادة في أنظمة التوزيع، كما تمتلك (DERs) القدرة على السماح لأجزاء من نظام التوزيع بالعمل بشكل مستقل كواحد أو أكثر من الشبكات الجزرية الصغيرة، حيث إن المرونة التي توفرها “الشبكات الصغيرة المستقلة” تفيد تشغيل النظام من خلال تحسين الموثوقية وجودة الطاقة بالإضافة إلى مرونة النظام في مواجهة الظواهر الجوية الشديدة والكوارث الطبيعية.

ولتحقيق الفوائد التشغيلية؛ فإنه يجب على مشغلي نظام التوزيع تحديث الممارسات الهندسية الحالية لتشمل الخصائص التشغيلية لـ (DERs)، وعلى وجه الخصوص يجب أن تساهم (DGs) و (ESSs) التي تعمل في شبكة صغيرة مقسمة إلى جزر في تنظيم الجهد والتردد الكهربائي، بحيث تتبع معظم (DERs) بنية تحكم هرمية مقسمة إلى مستويات أولية وثانوية وثلاثية، وتكون مماثلة لتلك الخاصة بالمولدات المتزامنة.

أيضاً يجب على (DER) وواحد على الأقل تبديل طريقة عمله من متابعة الشبكة إلى تشكيل الشبكة (دعم الشبكة)، خاصةً إذا تجاوز طلب الحمل في شبكة صغيرة معزولة سعة التوليد؛ فيجب على المشغل تنفيذ استراتيجيات فصل الأحمال لضمان استمرار التشغيل الموثوق به، بحيث تحتاج أنظمة الحماية والمراقبة والإدارة والاتصالات والسلامة الحالية إلى مراجعة.

تطور أساليب التحكم في الشبكات الصغيرة بشكل تدريجي

إن عدم نضج الأساليب الحالية للتحكم في الشبكات الصغيرة الجزرية وتشغيلها يجعل تكييف إجراءات تشغيل المرافق تحدياً لمرافق التوزيع الكهربائي، وفي الدراسات؛ فإن هناك عدة طرق لمستوى التحكم الثانوي، وهي كذلك مصنفة على أنها مركزية ولامركزية وموزعة، بحيث تختلف هذه الحلول في الاتصال المتاح داخل شبكة صغيرة معينة، وبالمثل هناك عدة طرق للتحكم الثلاثي وفصل الأحمال.

كذلك تم تنفيذ الطرق المشار إليها أعلاه في برامج محاكاة كهرومغناطيسية عابرة (EMT)، حيث تم نمذجة الآلات الكهربائية ومحولات الطاقة وأدوات التحكم الخاصة بهم بدقة، ومع ذلك؛ فإن نماذج (EMT) معقدة وشاملة ومحددة للغاية، بحيث تتطلب كل محاكاة فريدة ساعات طويلة من المهندسين ذوي المهارات العالية، مما يؤدي إلى تكبد تكاليف عالية للمرافق.

أما بالنسبة لدراسات جودة الطاقة، مثل تحليل تنظيم الجهد الكهربائي؛ فإن نماذج تدفق الطاقة المستقرة لمكونات الشبكة كافية لالتقاط الجهد المطلوب وملامح التحميل، ولسوء الحظ؛ فإن أدوات تدفق الطاقة الحالية ليست كافية لنمذجة الخصائص المتأصلة للشبكات الصغيرة الجزرية، حيث إنها تتطلب ناقل ركود وتفتقر إلى القدرة على نمذجة مساهمة (DGs) و (ESS) في تنظيم الجهد والتردد الكهربائي.

وعلى الرغم من أن الأساليب المنشورة مؤخراً تتصدى للتحديات المرتبطة بالمتطلبات التشغيلية لشبكات (microgrid)؛ إلا أنه لا تزال هناك قيود في تنفيذها، على سبيل المثال الأساليب القائمة على المسح الخلفي أو الأمامي؛ بأنها ليست فعالة للأنظمة ذات الحلقات، والتي تتطلب نقاط توقف، لذلك تتطلب طريقة مكون التسلسل المتماثل المقترحة في التجارب وعوامل إضافية لمكونات التسلسل، مما يزيد العبء الحسابي.

الطريقة المقترحة لصياغة الشبكات الكهربائية ثلاثية الأطوار

ترتبط نماذج عناصر نظام الطاقة، على سبيل المثال الأحمال و(DG) و (ESS) وصيغة تدفق الطاقة الموضحة في هذا القسم مباشرةً بعناصر (OpenDSS)، بحيث تتم صياغة المكونات متعددة الأطوار ومتعددة الأسلاك داخلياً في (OpenDSS)، وهو يمثل المعاوقة الذاتية والمترابطة لنظام متعدد الأسلاك متعدد الأطوار في مصفوفة قبول (Y)، كما أنه يتم تحويل الأحمال والعناصر النشطة إلى مصادر حالية مكافئة.

أيضاً يتم الحصول على كميات الحالة الثابتة من الفولتية عن طريق حل نظام من المعادلات الخطية (YV = I)، حيث أن (V ،I) هما متجهان لجهد الحالة المستقرة والطور الحالي، بحيث تم تطوير الخطوات الإضافية المضافة إلى طريقة حل تدفق الطاقة (OpenDSS) باستخدام (Python) عبر واجهة (C-API).

كما يمكن تصنيف نماذج العنصر الى:

• الأحمال: تتأثر القوى الحقيقية والتفاعلية للحمل بحجم الجهد الكهربائي وتردد النظام.

• نموذج المولد العام: يمكن لعنصر “المولد” في (OpenDSS) نمذجة (DGs) الشائعة في الشبكات الصغيرة، وهي تشمل الآلات المتزامنة (مثل مولدات الديزل) وآلات الحث على سبيل المثال، المولدات الحثية ذات التغذية المزدوجة المستخدمة في توربينات الرياح ومحولات الطاقة المتصلة بالشبكة على سبيل المثال، توربينات الرياح ذات المحولات الكاملة.

• المولدات الكهروضوئية: بحيث يتم تصميم المولدات الكهروضوئية باستخدام عنصر فريد يسمى “PVSystem” في (OpenDSS)، بحيث تم تصميم هذا العنصر بشكل مشابه لمحول تغذية الشبكة، أي بدون تحكم في التدلي.

• أنظمة تخزين الطاقة: تم تصميم أنظمة تخزين الطاقة في (OpenDSS) كجهاز تخزين طاقة عام يسمى “التخزين”، بحيث تتضمن أوضاع التشغيل لهذا العنصر التباطؤ والشحن والتفريغ.

صيغة تدفق الطاقة شبه الثابتة من السلسلة الزمنية

هناك ثلاثة اختلافات رئيسية بين طرق تدفق الطاقة التقليدية وطرق تدفق طاقة الشبكة الصغيرة الجزرية، وفي الشبكات الصغيرة الجزرية:

• لم يعد تردد النظام وحجم الجهد لتفرع (V) ثابتين، أي أنها تختلف باختلاف عدم تطابق الطاقة النشطة والمتفاعلة في النظام.

• تتمتع (DGs) و (ESSs) بسعة اسمية أقل من المولدات السائبة، بحيث لا يمكن تجميع خسائر النظام فقط في ناقل (V) (المعروف باسم ناقل الركود).

• يتم أخذ العديد من (DGs) و (ESSs) في الاعتبار للتحكم في التردد والجهد وتصنيفها على أنها ناقلات (VF) أو (Vθ)، بحيث يتم تحديث حقن الطاقة النشطة والمتفاعلة (DGs) و (ESSs) لكل تكرار وفقاً لتغير تردد النظام والجهد.

أيضاً يتم استخدام شبكة صغيرة مقسمة إلى جزر تحتوي على ثلاث ناقلات و (ESS) واحد ومولد (PV) وكذلك تحميل كل منها، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وذلك لإثبات التنفيذ التدريجي للطريقة المقترحة، بحيث تحدد اصطلاح علامة القوة المعتمدة هنا أن الطاقة المحقونة في العقدة موجبة، بينما الطاقة المستهلكة سالبة.

وأخيراً اقترح هذا العمل تدفق طاقة متسلسل زمني شبه ثابت لأنظمة شبكات الجزر الصغيرة، بحيث تستخدم الصيغة المقترحة آلية الحل من (OpenDSS)، أي صياغة مصفوفة القبول (Y)، مما يجعلها مناسبة لحل الأنظمة متعددة الأطوار ومتعددة الأسلاك وغير المتوازنة، بحيث تتمثل الميزة الرئيسية للطريقة المقترحة في بساطتها في تكييف تدفق الطاقة التقليدي من (OpenDSS) إلى صيغة مناسبة لحل تدفق الطاقة لشبكة جزرية صغيرة

كما أنه تم التحقق من صحة الطريقة المقترحة من خلال محاكاة المجال الزمني باستخدام (PSCAD / EMTDC.)، وهي الدقة التي تم الحصول عليها من هذه المحاكاة تعادل الأساليب الحالية المعروضة في الدراسات، وفي التحليل الكمي كان الحد الأقصى للخطأ الذي تم الحصول عليه لمقدار الجهد وزاوية (أي متغيرات حالة تدفق الطاقة) (0.0027-pu) وكذلك (0.2) درجة على التوالي.