الوقت الفعلي لنظام التحكم الكهربائي المركزي للشبكة

أهمية تحديد الوقت الفعلي لنظام التحكم الكهربائي المركزي للشبكة

في العقد الماضي، جذبت الشبكات الصغيرة اهتماماً واسعاً من قبل الباحثين لقدرتها على توفير إمدادات طاقة مرنة والتكامل الفعال للموارد المتجددة الموزعة (DERs)، وذلك لتسهيل قبول أوسع ونشر إضافي، كما تم توحيد مواصفات الوظيفة الأساسية لنظام التحكم بالشبكة المصغرة (MGCS) أو وحدة تحكم الشبكة الصغيرة والاختبارات المقابلة، ووفقاً لمعيار (IEEE Std 2030.7)؛ فإن “الإرسال” و “الانتقال” هما الوظيفتان الأساسيتان لـ (MGCS2).

كما تشير وظيفة الإرسال إلى تنسيق (DERs) في شبكة مصغرة للحفاظ على توازن الطاقة الكهربائية، وذلك مع تحقيق الأهداف بما في ذلك التخفيف من تذبذب الطاقة وتقليل التكلفة الإجمالية وتقليل انبعاثات الكربون، أو تعظيم موثوقية الإمداد، وذلك لتعزيز أمن الطاقة والتشغيل المستمر، كما أنه من المتوقع أن يتم عبور الشبكات الصغيرة بسلاسة بين الوضع المتصل بالشبكة الكهربائية.

وبمجرد تصميم وحدة تحكم (microgrid)، يلزم وجود مجموعة مرتبطة من منصة الاختبار للتحقق من صحة واختبار الامتثال لوحدة التحكم، وذلك وفقاً لـ (IEEE Std 2030.8)، بحيث يتفوق اختبار أجهزة التحكم في الحلقة (C-HIL) على اختبار المحاكاة البحت واختبار الأجهزة في الحلقة من أجل توازنها في “الدقة” و “التغطية”.

كما أن هناك العديد من تطبيقات الوقت الفعلي لـ (MGCS) الموجودة في الدراسات ومع ذلك  فإن معظم منضدة اختبار التحكم في الشبكة الصغيرة الحالية قد تركز فقط على وظيفة واحدة محددة، كما ويتم إجراء الاختبارات دون الامتثال لمعيار معترف به، بحيث تم اعتماد نهج عقدة الفضاء والحالة ومحرك الحساب القائم على مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة (FPGA) لمحاكاة الوقت الحقيقي للشبكات الصغيرة، ولكن لم يتم اختبار وظيفة الإرسال ولا النقل.

أيضاً تم تطوير منضدة اختبار(C-HIL) تنفذ قدرة ثابتة عند نقطة التوصيل البيني (POI) في الوضع المتصل بالشبكة والتحكم في التردد الكهربائي الثابت في وضع الجزر، ولكن لم يتم اختبار وظيفة النقل والإرسال بشكل كامل.

استراتيجية التحكم الكهربائي الخاصة بـ Microgrid

تكوين شبكة (Microgrid): وفقاً لمثال طوبولوجيا الشبكة المصغرة في المعايير، تم اعتماد شبكة صغيرة بسيطة مع تمثيل كافٍ لتنوع الأصول، والتي تتكون من مولد ديزل واحد متصل مباشرةً ومولد (ESS) واحد واثنان من موارد الطاقة المتجددة (RERs) بما في ذلك النوع (4) مولد توربينات الرياح (WTG) ومولد الطاقة الكهروضوئية وحمل واحد قابل للتخفيض باستمرار وحمل حرج واحد، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (1)، حيث أن النظام متصل بشبكة المرافق مع قاطع في (POI).

استراتيجية السيطرة المحلية: يتم إنشاء مراجع الجهد الكهربائي والتردد بواسطة شبكة المرافق في الوضع المتصل بالشبكة وبواسطة (ESS) المتحكم فيها (Vf) في وضع الجزر، بحيث يستخدم مولد الديزل التحكم في التدلي مع مرجع الطاقة الذي تحدده استراتيجية الإرسال، كما تعتمد المولدات القائمة على (RER) (PV و WTG) تحكماً في تتبع نقطة الطاقة القصوى افتراضياً.

استراتيجية الإرسال المستندة إلى القواعد: علاوة على مستوى التحكم المحلي، تم تصميم إرسال مستند إلى القواعد وفقًا للأهداف الواردة في (IEEE Std 2030.7) و (2030.8)، بحيث تم تلخيص القيود الأساسية للموجودين الخاضعين للسيطرة في الجدول التالي، كما يجب أن تكون (SoC) لـ (ESS)، وذلك ضمن نطاق مقبول (SoCmin و SoCmax) لتجنب الشحن الزائد أو التفريغ الزائد.

كما أن حدود طاقة (الشحن / التفريغ) (Pch و max)- موجب) و (Pdis و max – سلبي) مقيدة بمرافق التخزين والشحن، كذلك يتم الاحتفاظ بمولد الديزل لزيادة موثوقية النظام وتقليل تأثير بدء وإيقاف، أيضاً  يجب التحكم في قوتها بين الحد الأدنى (Pds ، min) والحد الأقصى (Pds ، max) للتشغيل الفعال والآمن.

ونظرًا لأن تقليص الطاقة المتجددة أو فصل الأحمال هي في الغالب الملاذ الأخيرة لتوازن الطاقة في وضع الجزر، لم يتم تقديم قيودها، كما تركز هذه المقالة بشكل أساسي على إرسال القوة النشطة نظراً للمبادرة الرئيسية لنشر شبكة صغيرة، كما تشمل الأهداف الرئيسية زيادة الموثوقية والمرونة وتقليل فصل الأحمال وتقليص (RER) وتلبية أوامر (POI).

لذلك قد يؤثر التحكم المحلي ونموذج (DER) المحدد على الأداء العابر، على سبيل المثال يشتمل نموذج الحمل على حمل مقاوم أو حمل إلكتروني للطاقة أو حمل محرك كهربائي أو حمل (ZIP) بشكل عام، والذي قد يؤدي من بينها حمل المحرك التعريفي إلى تذبذب أو حتى عدم استقرار في شبكة ميكروية محددة الجزر.

ومع ذلك، ومن منظور توازن الطاقة الكهربائية سيكون حساب عدم تطابق توليد الحمل الكهربائي هو نفسه بشكل مستقل عن النموذج المحدد، وفي العمل الحالي تم اعتماد حمل طاقة ثابت بناءً على نموذج الحمل الديناميكي في (RT-Lab) للحمل الحرج، بحيث يتبنى الحمل المقلص وضع تحميل واجهة إلكترونية عام للطاقة.

وبالنسبة الى الإرسال في وضع (Islanded)، كذلك للحفاظ على توازن الطاقة؛ فإنه يتم تحديد صافي الطاقة (Pnet) من خلال العلاقة التالية على أنه الفرق بين توليد (RER Prer) وإجمالي استهلاك الحمل الكهربائي.

استراتيجية التحكم لوظيفة الانتقال: يتكون التخطيط للجزر من الخطوات الثلاث التالية:

• اضبط التوليد لتلبية قيود الطاقة للقاطع (من الناحية المثالية صفر) عن طريق ضبط (P ∗ POI = 0).

• افتح القاطع عندما تكون الطاقة من خلال (POI) أقل من عتبة لمدة محددة.

• تبديل استراتيجية التحكم في (ESS) من التحكم في (PQ) إلى التحكم (Vf).

ولإعادة الاتصال، يجب استيفاء معيار المزامنة قبل إغلاق القاطع في (POI)، والذي يتم مراقبته بواسطة مرحل التزامن، بحيث يجب أن يكون الفرق بين التردد وزاوية الطور وسعة الجهد على جانبي القاطع، والذي يمكن قياسه بواسطة حلقة مغلقة الطور (PLL) ضمن نطاق محدد، كما يمكن تحقيق ذلك من خلال التزامن النشط، والذي يحدد مرجع الجهد والتردد لـ (ESS) بالقرب من القيم الموجودة على جانب شبكة القاطع، وبعد إعادة الاتصال؛ سيتم تحويل (ESS) إلى وضع التحكم (PQ).

ولتحقيق الانتقال السلس، يتم استخدام تقنيات توفير الحالة بحيث يتم الاحتفاظ بالمرجع الحالي وزاوية الطور المتولدة داخل (ESS) ثابتة تقريباً أثناء العبور، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، وبالنسبة للتحكم في قدرة (POI) في الوضع المتصل بالشبكة؛ فإن المفاتيح (K1 – K2) مغلقة بينما (K3 – K4) مفتوحة.

كذلك المفتاح (K5) متصل بمخرج التحكم (PQ)، لذلك يتم حفظ إخراج عنصر التحكم (PQ) كمرجع حالي أولي للتحكم (Vf) ،فوي وضع الجزيرة ستتحول حالة المفاتيح إلى الاتجاه المعاكس، وبالمثل يتم أيضاً حفظ زاوية الطور من قبل في عملية الانتقال، كما هو موضح في الشكل التالي (3)، وذلك لزيادة تحسين الأداء الديناميكي، بحيث تم اعتماد عنصر تحكم مقاوم افتراضي عابر.

إرسال الطاقة التفاعلية: بافتراض أن الشبكة الدقيقة المدروسة عند مستوى الجهد المنخفض، يتم موازنة الحمل التفاعلي بواسطة مولد ديزل وأصول ذات واجهة عاكس، بينما لا يتم استخدام أجهزة (SVC) و (FACTS)، كما يتم إرسال القدرة التفاعلية عن طريق الترجيح بناءً على السعة المتبقية المحددة على أساس المعادلة التالية، حيث (Si) هي سعة الطاقة، (ki) هو معامل قدرة التحميل الزائد في الحالة المستقرة و (Pref ، i) هو مرجع الطاقة النشط للأصل (i).