تحديد الوقت الحقيقي لديناميكيات الحمل الكهربائي لإدارة الجهد

الضرورة من تحديد الوقت الحقيقي لديناميكيات الحمل الكهربائي

مع وجود المزيد من المصادر المتجددة (البديلة الموزعة) والأحمال التي يمكن التحكم فيها وأنظمة تخزين الطاقة، أصبحت إدارة الجهد واحدة من أكثر القضايا أهمية في شبكة التوزيع الذكية وتطبيقات الشبكة الصغيرة، بحيث بسبب التوليد والأحمال الأكثر تقلباً ومتطلبات التحكم الأكثر تعقيداً، وتقليديا يهدف تحليل استقرار الجهد الكهربائي إلى أنظمة التوليد والنقل عبر شبكة منطقة كبيرة في ظل الظروف العادية والطارئة.

كما تم اقتراح العديد من الطرق لمعالجة هذه القضية المهمة مع مناهج تطوير مؤشرات تحمل الحمل في ظل هياكل الشبكة المبسطة وأنواع الأحمال، بحيث تم التركيز على ديناميكيات المولدات وتبسيط الشبكة الكهربائية، ومع ذلك لم يتم النظر في ديناميكيات الحمل، كما تم تقديم إطار عام لاستقرار الجهد الكهربائي القوي للشبكات الصغيرة.

لذلك؛ فإن الديناميكيات التفاعلية بين الحمل والمولدات الكهربائية الموزعة في شبكة التوزيع لها تأثير كبير على تغيرات الجهد، كما يتضح في هذا البحث أن تحليل تدفق الطاقة الساكن التقليدي لا يكفي للتنبؤ بانحراف الجهد بعد اضطراب الطاقة، وذلك لالتقاط سلوك أنواع الحمولة وديناميكياتها، كما تستخدم هذه الدراسة هياكل “نموذج هامرشتاين” لنمذجة مثل هذا السلوك وتجري تحديداً في الوقت الفعلي للحصول على معطيات النموذج.

كما أن هذا مهم بشكل خاص لإدارة جودة الجهد لأن ديناميكيات الحمل تعتمد على طاقة الحمل النشطة والمتفاعلة، وبالتالي تتغير بشكل كبير بسبب اضطرابات طاقة الحمل والمولد وأنواع تحميل النظام الكهربائي الفرعي.

أيضاً يتكون نظام “هامرشتاين” من وظيفة ثابتة غير خطية يتبعها نظام فرعي خطي ديناميكي، بحيث وجد هذا الهيكل الفريد العديد من التطبيقات، مثل أعمدة التقطير ومضخمات الطاقة وخلايا وقود الأكسيد الصلب وهيكل النموذج بسيط ومتعدد الاستخدامات في توصيف الديناميكيات واللاخطية للأنظمة العملية، كما تمت دراسة تحديد أنظمة “هامرشتاين” على نطاق واسع باستخدام العديد من الخوارزميات المفيدة، بحيث تم اقتراح العديد من هياكل الوظائف غير الخطية.

كما يمتد هذا الورق إلى نماذج نوع الحمل النموذجية مثل أنواع (ZIP)، بحيث يتعرف هيكل نموذج (ZIP) على أنواع الأحمال التي هي مجموعات خطية من الطاقة الثابتة والتيار الثابت والمقاومة الثابتة، وذلك باستخدام هيكل نموذج هامرشتاين العام وخاصة نوع الوظيفة الأساسية، كما يمكن أيضاً استيعاب الوظائف غير الخطية الأكثر تعقيداً عندما تكون الأحمال المتعددة متصلة ببعضها البعض في شبكات التوزيع.

إدارة الجهد لشبكات التوزيع مع الشبكات الصغيرة

لتحفيز المشكلات الرئيسية التي تمت دراستها في هذه الدراسة؛ فإنه الشبكة الدقيقة المزودة بنظام تخزين طاقة البطارية المكثف تعتبر لدعم ربطها بالشبكة الرئيسية، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، كما تمثل الشبكة الدقيقة نظاماً موحداً قد يكون مجموعة من العناصر النشطة، كذلك المصادر والأحمال بما في ذلك المولدات الموزعة ومحطات شحن المركبات الكهربائية والأحمال التي يمكن التحكم فيها والأحمال العادية.

ونظراً لتقلبات خرج الطاقة من المولدات المتجددة والأعداد الكبيرة (المتغيرة بمرور الوقت) لعمليات شحن المركبات الكهربائية؛ فإن صافي الحمل النشط (PL-MW)) للشبكة الصغيرة والحمل التفاعلي (QL-MVar) هما متغيرات عشوائية مع ديناميكيتاها الخاصة.

كذلك افترض أنه تم تركيب مجموعة من أنظمة البطاريات وبنوك المكثفات لدعم تنظيم الجهد في الناقل، والذي يوفر الطاقة النشطة (PB) والطاقة التفاعلية (QB)، ونتيجة لذلك؛ فإن صافي القوى النشطة والمتفاعلة المأخوذة من الشبكة الرئيسية هي (P = PL − PB) و (Q = QL − QB) على التوالي، (PB) و (QB) هي متغيرات القرار، كما تُستخدم الشبكة الرئيسية المسمى بالتفرع (1) في الشكل (1) كنقطة مرجعية بجهدها الثابت (E∠0).

ولتسهيل التحليل التفصيلي، نفترض أنه يتم تحديث إجراءات تبادل المعلومات والتحكم كل ثانية، مما يؤدي إلى عملية أخذ عينات موحدة، وذلك بدءاً من وقت أولي، ولنفترض أن (t = 0)؛ فإننا نشير إلى (tk = kτ)، وبالمقابل، تصبح قيم العينة [PL (k) ، P (k)]، كما افترض أنه خلال فترة زمنية ذات أهمية، لذلك قد تكون عدة دقائق أو ساعة أو حتى (24) ساعة، وذلك اعتماداً على الأنظمة الفعلية [PL (k) ، P (k)]، وهما عمليتان عشوائيتان، بحيث سيتم تحديد خصائصهما الإحصائية لاحقاً، كما يتم تحديث المعلومات الخاصة بتقلبات طاقة الحمل كل ثانية.

وبالنسبة الى ديناميكيات الحمل؛ فقد تم دراسة الحمل على نطاق واسع في أنظمة الطاقة، والأكثر شيوعاً هي أنواع (ZIP) ذات الديناميكيات، كما يدرك هيكل نموذج (ZIP) أنه إذا كان الحمل هو الطاقة الثابتة؛ فهو من النوع (P) والقوى النشطة والمتفاعلة المقابلة مستقلة عن جهد الناقل، وفي المقابل وبالنسبة لنوع التيار المستمر (I)؛ فإن (P ، Q) هي وظائف خطية لـ (V).

أما بالنسبة لنوع المعاوقة الثابتة (Z)؛ فإن (P ، Q) هما من وظائف (V2)، وبالتالي يتم استخدام (P = α1 + α2V + α3V2 و Q = β1 + β2V + β3V2) كمجموعة من أنواع (ZIP)، بحيث يسمح التعديل الإضافي لوظيفة (Vγ)، حيث يمكن أن تكون أي قيمة بين (0 و 2)، وذلك لإدخال ديناميكيات الحمل، كما يتمثل النهج القياسي في استخدام نظام من الدرجة الأولى مع ثابت زمني (T) (أخذ القوة النشطة كمثال)، مما يؤدي إلى (TdPdt + P = α1 + α2V + α3V2).

ونظراً لأن شبكة التوزيع النشطة تتكون من العديد من الأحمال من أنواع وديناميكيات مختلفة؛ فإن هذا البحث هيكل نموذج (Hammerstein) الذي يعمم نماذج الحمل المذكورة أعلاه، كما أنه يتكون نظام (Hammerstein) من دالة ثابتة غير خطية عامة يتبعها نظام ديناميكي خطي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2). نموذج تحميل (ZIP) أعلاه هو حالة خاصة مع (f (v) = α1 + α2V + α3V2 أو f (V) = αVγ و G (s) = 1Ts + 1).

تأثير أنواع الحمولة وديناميكياتها

يمثل المثال السابق السيناريو الذي لا تؤخذ فيه ديناميكيات الحمل في الاعتبار ويكون الحمل من نوع الطاقة الثابتة، وبمعنى آخر لا يؤثر جهد الناقل على قوة التحميل، ومع ذلك إذا لم يكن الحمل من نوع طاقة ثابت؛ فعند حدوث اضطراب في الطاقة، كما ستتفاعل الطاقة والجهد لتحديد جهد ناقل الحالة المستقرة، وبالإضافة إلى ذلك، تنشئ ديناميكيات الحمل نظامًا ديناميكياً يمكن أن يختلف جهده العابر اختلافاً جوهرياً عن قيم الحالة الثابتة.

لفهم كيف سيكون لديناميكيات الحمل تأثير أساسي على الجهد الكهربائي العابر، بحيث افترض أن كلاً من القدرة النشطة للحمل والقدرة التفاعلية على غرار نماذج [Hammerstein  (PL = Gp (s) fP (V) و QL = GQ (s) fQ (V) )، كما يمكن تحقيقها من خلال نماذج متعددة.

ومن ناحية أخرى؛ فإن تحليل تدفق الطاقة لطوبولوجيا شبكة معينة ومعلمات ومولدات وأحمال أخرى يربط جهد الناقل (V) بـ (PL و QL) بواسطة دالة غير خطية [V = g (PL ، QL)]، حيث أن هذا يؤدي إلى نظام ديناميكي غير خطي للغاية.