تحسين أداء الشبكة الكهروضوئية في ظل الوضع المقيد

تظهر زيادة الطلب على الطاقة وتشجيع توليد الطاقة المتجددة أهمية التوليد الموزع (DG)، بحيث تعتبر الخلايا الكهروضوئية (PV) مصدراً للتوليد الموزع، حيث إن دمج وحدة (PV-DG) في الشبكة له تأثير كبير على تقليل خسائر الطاقة الحقيقية وتكاليف التشغيل وتعزيز استقرار الجهد الكهربائي، بحيث تتعامل معظم الأبحاث الحالية مع هذه المشكلة من نقطة تحسين حجم وحدة (PV-DG) وموقعها لتحسين أداء الشبكة.

الغاية من تحسين أداء الشبكة الكهروضوئية في ظل الوضع المقيد

في السنوات الأخيرة، تواجه أنظمة الطاقة الكهربائية تحديات كبيرة، حيث يتزايد الطلب على أنظمة الطاقة بشكل كبير، أيضاً تخلق محطات الطاقة الحرارية مستويات عالية من انبعاث الملوثات التي لها العديد من الآثار السلبية على البيئة وصحة الإنسان، والتي يمكن أن يُنظر فيها إلى زيادة الاستثمارات في مصادر الطاقة المتجددة كحل للطاقة المستدامة.

لذلك ينصب الاهتمام الرئيسي على التوليد الموزع حيث أنها توفر العديد من الفرص لنظام التوزيع الحالي وتصبح أحد المحركات الرئيسية للتعامل مع قضاياها، بحيث يتم تعريف وحدات (DG) على أنها وحدات توليد صغيرة الحجم مثبتة في أنظمة التوزيع بالقرب من مراكز التحميل، كذلك يتم أخذ الخلايا الكهروضوئية (PV) وتوربينات الرياح (WT) وخلية الوقود هنا كمصادر للتوليد الموزع.

كذلك تعد عمليات تقليل فقد الطاقة وتحسين ملف الجهد الكهربائي وزيادة استقرار النظام إلى الحد الأقصى، أيضاً وخفض تكلفة الطاقة أثناء ذروة الحمل من التحديات الرئيسية التي تواجه أنظمة التوزيع الكهربائية، وبالتالي؛ فإن تكامل أنظمة الطاقة المتجددة يمكن أن يكون بديلاً جيداً للتعامل مع هذه التحديات، بحيث يتخذ أصحابها ومستثمروها القرار بشأن التنسيب في (DG) اعتماداً على الموقع وتوافر الوقود الأساسي أو الظروف المناخية.

على الرغم من أن تركيب واستغلال (DGs) لحل مشاكل الشبكة قد تمت مناقشته في شبكات التوزيع؛ فإن الحقيقة هي أنه في معظم الحالات ليس لمشغل نظام التوزيع (DSO) أي سيطرة أو تأثير على موقع (DG) وحجمه أقل من حد معين، ومع ذلك؛ فإن التنسيب (DG) يؤثر بشكل حاسم على تشغيل شبكة التوزيع، كذلك قد يؤدي وضع (DG) غير المناسب إلى زيادة خسائر النظام ورأس مال الشبكة وتكاليف التشغيل.

ملفات تعريف الجهد الكهربائي وأثرها على تحسين أداء الشبكة الكهروضوئية

بشكل عكسي يمكن أن يؤدي وضع (DG) الأمثل إلى تحسين أداء الشبكة من حيث ملف تعريف الجهد وتقليل التدفقات وخسائر النظام وتحسين جودة الطاقة وموثوقية الإمداد، وفي هذا السياق؛ ركزت أنواع عديدة من الأبحاث على تقديم استراتيجيات جديدة في السنوات الأخيرة، بحيث تم عرض الوضع الأمثل لوحدات (DG) القائمة على الرياح والطاقة الشمسية في أنظمة التوزيع باستخدام ميزة فريدة متعددة الأغراض لسرب الجسيمات (PSO).

وفيما بعد اقترحت الدراسات تقنية جديدة تعتمد على خوارزمية تحسين لهب العثة (MFO) لتخصيص وحدات (PV-DG) بالشكل الأمثل في (RDS) وتحديد الحجم الأمثل لكل وحدة في ثلاثة (IEEE RDSs)، كذلك اُقترحت طريقة مؤشر الجهد المعدل لوضع وحدات (DG) وحجمها لزيادة هامش ثبات الجهد، وذلك مع شروط لا تتجاوز جهد الناقلات والبقاء ضمن قيود تيار التغذية.

أيضاً استخدمت خوارزمية سرب سالب الفوضوية متعددة الأغراض المقترحة لتحديد الحجم المثالي وموقع الخلايا الكهروضوئية في نظام توزيع شعاعي لتقليل فقد الطاقة الإجمالية وتغير الجهد الكلي وتحسين مؤشر استقرار الجهد الكهربائي، كما كانت خوارزمية تحسين الـ (PSOGSA) هجينة قوية وفعالة لاكتشاف الوضع المثالي لوحدات (DG) ذات الحجم العملي لتقليل فقد طاقة النظام وتكاليف التشغيل مع تعزيز استقرار الجهد أيضاً.

آلية التوليد الموزع الخاص بالنظام الكهروضوئي

بشكل عام جميع أنواع التوليد الموزع (DG) لها تأثير كبير على تقليل فقد الطاقة الحقيقي، وتكاليف التشغيل وتعزيز استقرار الجهد الكهربائي، وفيما يتعلق بـ (PV-DG)؛ فإن هناك الكثير من معايير التصميم المتعلقة بالحجم والموقع وقطعة الأرض المتاحة للتركيب، وفي هذا الطرح تم دمج وحدة (PV-DG) في شبكة اختبار نظام ناقل (IEEE-15) مع تحديد حجم وموقع محددين لدراسة أداء الشبكة الكهربائية وكيفية تحسينها.

كذلك تم تحديد حجم وحدة (PV-DG /400 kW) ليكون في نطاق (25٪) من حمل النظام وهو ما يمثل قيمة كبيرة في المائة للنظام بموجب هذه الدراسة، أيضاً تم تحديد موقع وحدة (PV-DG) ليكون بجوار (bus1) كموضع مقيد يكون فيه أفضل سطوع للشمس وأقل عوامل الطقس.

أيضاً تتكون وحدة (PV-DG) من أربعة مصفوفات كهروضوئية تقدم كل منها (100) كيلو وات بحد أقصى مقداره (1000 واط / م²) من إشعاع الشمس، بحيث تتكون كتلة صفيف (PV) واحدة من (64) سلسلة متوازية حيث تحتوي كل سلسلة على (5) وحدات (Sun Power SPR-315E) المتصلة في سلسلة.

كما أن كل صفيف (PV) متصل بمحول (DC / DC) (نموذج متوسط)، بحيث يتم توصيل مخرجات محولات التعزيز بناقل (DC) مشتركة بقدرة (500) فولت، بحيث يتم التحكم في كل دفعة بواسطة أجهزة التعقب القصوى لنقاط الطاقة (MPPT)، كما تستخدم (MPPTs) تقنية “Perturb and Observe” لتغيير الجهد عبر أطراف المصفوفة الكهروضوئية للحصول على أقصى طاقة ممكنة.

كما أنه يقوم محول مصدر الجهد ثلاثي الأطوار (VSC) بتحويل (500) فولت تيار مستمر إلى (260) فولت تيار متردد ويحافظ على عامل طاقة الوحدة.، بحيث يتم استخدام محول اقتران ثلاثي الأطوار بقدرة (400) كيلو فولت أمبير (260) فولت لكل (11) كيلو فولت لتوصيل المحول بالشبكة الكهربائية كما في الشكل التالي.

الناقل الأمثل ليتم توصيله بوحدة (PV-DG) من خلال خط النقل

في هذه الحالة، يتم توصيل وحدة (PV-DG) بجانب (Bus1) بكل ناقل، وذلك مع مراعاة سعة النقل المتاحة (ATC) لشبكة شبكة الاختبار الحالية لكيفية تحمل خطوط النقل فوائض (PV-DG) أم لا، ومن ثم لا يمكن توصيل سوى أرقام الناقلات المتاحة في النقاط (1، 2، 3، 4، 6، 11) بوحدة (PV-DG) بخطوط نقل كما هو موضح في الشكل التالي، أيضاً هناك بيانات خط النقل لهذه الاتصالات بين الناقلات المتاحة و يتم عرض وحدة (PV-DG) في الجدول التالي.

وأخيراً في هذه الدراسة تم تحديد حجم وموضع وحدة (PV-DG) في أنظمة التوزيع الشعاعية مسبقاً وتنفيذها كقيود يتم توصيله عادةً بأقرب ناقل عادي، كما أن الغرض الرئيسي من هذه الدراسة هو التحقيق في كيفية تحسين أداء الشبكة في ظل هذه القيود. تم إجراء هذا التحقيق باستخدام نظام ناقل (IEEE 15) في بيئة (MATLAB).

كما ناقشت العملية أداء الشبكة عند توصيل وحدة (PV-DG) بكل ناقل عبر خط نقل لتحديد أفضل ناقل متصل مع مراعاة سعة النقل المتاحة لخطوط الشبكة (ATC)، بحيث وضعت خطوط الشبكة (ATC) قيوداً على أعداد محددة من الحافلات المتصلة المتاحة لوحدة (PV-DG)، وفي إطار هذه الدراسة تشير نتائج المحاكاة إلى أن توصيل وحدة (PV-DG) كانت حسب التقديرات الهندسية.