الفوائد التقنية للخلايا الكهروضوئية لأنظمة التوزيع الكهربائية

يمكن أن يتسبب تكاثر الخلايا الكهروضوئية (PV) في العديد من المشكلات التشغيلية في أنظمة التوزيع الكهربائية، وفي هذا النطاق، تم اقتراح تعبيرات تحليلية شاملة (CAEs) لتقييم الفوائد التقنية لوحدات (PV) متعددة لأنظمة التوزيع مع الأخذ في الاعتبار عدم الثقة من توليد الطاقة الكهروضوئية وملامح الحمل الكهربائي.

التحليل القائم على حصر الفوائد التقنية للخلايا الكهروضوئية

مدفوعة بالتحديات البيئية ونمو الطلب على الطاقة؛ اتبعت المرافق الكهربائية استراتيجيات طموحة لضمان التشغيل الأمثل والآمن لأنظمة الطاقة الكهربائية مع استخدام مصادر الطاقة المتجددة (RES)، وذلك على مستوى نظام التوزيع، بحيث اكتسب تغلغل الخلايا الكهروضوئية (PV)، وهو نوع (RES) واعد ومرن وفعال من حيث التكلفة؛ زخماً ملحوظاً في جميع أنحاء العالم.

وعادةً ما يتم توصيل الوحدات الكهروضوئية بأنظمة التوزيع بحيث تزود الكهرباء بالتوازي مع شبكة المرافق، مما يجعل النظام عرضة لمشاكل فنية متنوعة، بحيث يعتبر التوليد المتقطع والطبيعة غير المؤكدة لهذه الوحدات الكهروضوئية الموزعة تحدياً لتقييم وتعظيم الفوائد التقنية لأنظمة التوزيع، كما يمكن أن يكون للاختراقات الكهروضوئية العالية فوائد ملحوظة أو آثار سلبية شديدة على تشغيل أنظمة التوزيع الكهربائية.

كما تشمل الفوائد المشتركة للطاقة الكهروضوئية تقليل تكاليف التوليد الكهربائي وتحسين موثوقية الشبكة الكهربائية وتخفيف انبعاثات الكربون غير المرغوب فيها وتخفيف قدرة نظام النقل، في المقابل يمكن لملفات التوليد الكهروضوئية المتقطعة أن تقلل من التشغيل القياسي لأنظمة التوزيع عن طريق التسبب في مشاكل فنية متنوعة، وأهمها التقلبات والانحرافات غير المرغوب فيها للجهد الكهربائي.

إضافة الى فقد الطاقة النشطة العالية وخسائر الطاقة التفاعلية المفرطة، إلى جانب ذلك، بحيث يعتبر ازدحام الخط وهوامش استقرار الجهد من القضايا الحيوية التي يجب مراعاتها عند دمج الأنظمة الفولت ضوئية في أنظمة التوزيع، كما يمكن أن تحد مثل هذه المشكلات الفنية الشديدة من قدرة الاستضافة الكهروضوئية مع تقليل قوة وكفاءة أنظمة التوزيع.

وفي هذا الصدد يقدم معيار (IEEE 1547-2018) المنقح وظائف ذكية للعاكس الكهروضوئي البيني، بما في ذلك التحكم في الجهد (var) وإرسال الطاقة النشط الأمثل، كما يمكن أن توفر هذه الوظائف الذكية، لذلك إذا تم استخدامها بشكل صحيح؛ فإن إجراءات تحكم أوسع للعاكس البيني، مما يسمح بتعظيم الفوائد التقنية لأنظمة الطاقة الكهروضوئية لأنظمة التوزيع، وبعد ذلك سيكون من المفيد النظر في هذه القضايا أثناء مرحلة التخطيط للوحدات الكهروضوئية في أنظمة التوزيع.

التعبيرات التحليلية لتقييم الفوائد الفنية باستخدام PVs

في أنظمة التوزيع المنفعل، يتم تغذية الأحمال الكهربائية عادةً بواسطة محطة التوزيع الرئيسية التي تتدفق منها الطاقة النشطة والطاقة التفاعلية عبر خطوط التوزيع لتحميل التفرعات، وفي هذا العمل تم النظر في خمسة مؤشرات في أنظمة التوزيع والتي تمت صياغتها على النحو التالي:

حيث تمثل (PLBs ، QLBs ، VDBs ، CMBs ، SIBs) على التوالي، وهي إجمالي خسائر الطاقة النشطة وخسائر الطاقة التفاعلية وانحرافات الجهد وهامش ازدحام الخط ومؤشر استقرار الجهد عند الحالة الأساسية، ولكل حالة (s) في مجموعة الحالات (Ψ) من نظام التوزيع مع قائمة التفرعات (ΩB. PBs)، (j)، (QBs)، حيث أن (j) هي القدرة النشطة والمتفاعلة الواردة في الحالة الأساسية للتفرع (j) لكل حالة (s) على التوالي.

كما تمثل (Vs ، j) مقدار الجهد الكهربائي للحالة (s) عند العقدة المستقبلة للفرع (j. Rj)، (Xj)، حيث أن (SMj) هي المقاومة والمفاعلة والقوة الاسمية للفرع (j) على التوالي، كما وترد الأوصاف التفصيلية ومشتقات هذه المؤشرات من خلال الاشتقاق الرياضي.

أما عند دمج الوحدات الكهروضوئية في نظام التوزيع؛ فإنه سيتم تقليل الطاقة المولدة المطلوبة من المحطة الفرعية الرئيسية بسبب مساهمة الكهروضوئية، ونظراً لأن تدفق الطاقة عبر خطوط نظام التوزيع يتأثر بـ (PV)، بحيث سيتم تغيير المؤشرات الخمسة مع (PV)، والمشار إليها بواسطة (PLRs)، (QLRs)، (VDRs)، (CMRs)، (SIRs) بشكل كبير مقارنة بتلك الموجودة في الحالة الأساسية، بحيث:

حيث أن:

(PPV،i ،QPVi): هي الطاقة النشطة المتولدة والقوة التفاعلية للوحدة الكهروضوئية في الناقل (i) للحالة (s) على التوالي.

(Ni،Zi): تمثل عدد الوحدات الكهروضوئية والسعة الاسمية للعاكس البيني للـ (PV) في الناقل (i) على التوالي.

(ζ): هي قائمة الحافلات الصالحة لتثبيت (PPV ، i ، QPVi).

 (Ls ، i): العلاقة بين توليد الطاقة النشطة والمتفاعلة وفقاً لعامل القدرة الكهروضوئية (PFs ، i).

حيث تمثل العلاقة [Ls ، i = 1 / PF2s ، i 1 √] استخدام أنظمة تخزين الطاقة، بحيث يمكن أن يقلل من إجمالي كمية تقليص الطاقة الكهروضوئية، كما سيتم تحقيق هذه الميزة من خلال المرونة الإضافية التي توفرها أنظمة تخزين الطاقة هذه لشحن فائض الطاقة الكهروضوئية في مناسبات التوليد الكهروضوئي العالي، وعلاوة على ذلك يحتوي مغير الضغط عند التحميل على نموذج رياضي غير خطي مما يجعل تنفيذه على التعبيرات التحليلية المقترحة أمراً صعباً.

تطبيق على التخصيص الأمثل للشبكة الكهروضوئية

في هذا القسم، يتم وصف تطبيق الرؤساء التنفيذيين للتدقيق المقترحين لتخطيط الأنظمة الكهروضوئية في أنظمة التوزيع على وجه التحديد، بحيث تتضمن مشكلة التخطيط الكهروضوئية هذه تحديد المواقع والأحجام والأعداد المثلى للوحدات الكهروضوئية، كما يوضح الشكل التالي المخطط الانسيابي لنموذج التخطيط الكهروضوئي المقترح، بحيث يمكن وصف عملية حل مشكلة التخطيط هذه من خلال التعبيرات التحليلية المقترحة على النحو التالي:

• قراءة البيانات الكاملة لنظام التوزيع قيد الدراسة، بما في ذلك معلمات الفروع والملامح التاريخية للأحمال، وذلك فيما يتعلق بالوحدات الكهروضوئية، كما تتم قراءة بياناتها أيضاً، بما في ذلك المعلمات الكهروضوئية ومجموعة البيانات التاريخية للظروف البيئية.

• القيام بتنفيذ هيكل البيانات لنظام التوزيع وبناء نموذج احتمالي مشترك لتوليد الطاقة الكهروضوئية والأحمال، وكذلك تشغيل تدفق الطاقة عند مستويات تحميل منفصلة وحفظ نتائج تدفق الطاقة المقابلة بما في ذلك الفولتية للحافلات وتدفق الطاقة التفاعلية عبر الفروع.

• القيام ببناء المصفوفة (χ) مع الأخذ في الاعتبار جميع التوليفات الممكنة للمواقع الكهروضوئية التي يتم الإشارة إلى رقمها بواسطة (NCom).

• حساب الأحجام المثلى للعديد من (PVs) لجميع المجموعات الممكنة من المواقع، وذلك مع الأخذ في الاعتبار مصفوفات (A ، B ، C ، D) المحسوبة وحفظ الهدف المقابل (f)، وبعد ذلك تجديد أفضل مجموعة من مواقع وأحجام الوحدات الكهروضوئية التي تكون فيها القيمة الهدف المحسوبة هي الأعلى.

• طباعة المواقع والأحجام المثلى للوحدات الكهروضوئية، وذلك إلى جانب قيم المؤشرات.

في هذه الدراسة تم الوصول الى التدقيق الداخلي والمعتمد لتقييم الفوائد الفنية للوحدات الكهروضوئية لأنظمة التوزيع، بحيث يمكن للتدقيق المقترح تحديد المواقع والأحجام المثلى للوحدات الكهروضوئية المتعددة بشكل مباشر دون الحاجة إلى عمليات تكرارية، كما تمت صياغة نموذج التخطيط الكهروضوئي القائم على أهداف متعددة والذي يشتمل على خمسة مؤشرات حيوية مع الأخذ في الاعتبار عدم الثقة من ملفات التعريف الكهروضوئية والحمل الكهربائي.