تحليل الأنظمة الكهروضوئية باستخدام تقنيات الحوسبة المتطورة

أصبح دمج مصادر الطاقة المتجددة (RESs) في أنظمة الطاقة الكهربائية ملحوظاً للغاية بين الباحثين والمهتمين بإنتاج الطاقة الكهربائية بسبب زيادة الطلب على الطاقة واستنفاد الوقود الأحفوري والآثار البيئية، بحيث يعد توليد الطاقة المتجددة القائم على الكهروضوئية أحد مصادر الطاقة المتجددة الأساسية والتي ظهرت ولعبت دوراً حيوياً في أنظمة الطاقة الكهربائية مؤخراً بسبب مزاياها.

الهدف من تحليل الأنظمة الكهروضوئية باستخدام التقنيات المتطورة

للطاقات المتجددة العديد من المزايا الاقتصادية والبيئية، مما أدى إلى زيادة اهتمام الباحثين بدراسة هذه الأنواع من الطاقات، كما يركز الباحثون في مجال الطاقة المتجددة على اختيار نوع وحجم وموقع كل مصدر من مصادر الطاقة المتجددة المتاحة (RESs) ودراسة إمكانية زيادة قدرات (RESs) والتغلغل في أنظمة الطاقة الكهربائية الكلاسيكية لتقليل كل من إنتاج الكهرباء والتكلفة ومشكلات التلوث وزيادة موثوقية واستقرار النظام.

كما أن هناك العديد من أنواع (RESs) مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية والرياح وخلايا الوقود والكتلة الحيوية، على سبيل المثال لا الحصر، والتي تم استخدامها كثيراً في توليد الطاقة الكهربائية للتطبيقات المتصلة بالشبكة الكهربائية وخارجها.

كذلك هناك بعض التطبيقات الكهروضوئية خارج الشبكة لشحن بطاريات السيارات الكهربائية بالوضع اللاسلكي والسلكي، وهناك قارن الباحثون النتائج مع تلك التي تم الحصول عليها من خلال تصميم النموذج الأولي التجريبي، بحيث أظهرت النتائج تجانس نتائج المحاكاة مع نتائج التجربة، كما تم تقديم تطبيق آخر لتغذية المباني الذكية.

تحليل الموثوقية الكهربائية من ناحية تقنيات الحوسبة المتطورة

يتم تقييم الموثوقية لنظام (microgrids) المستقل خارج الشبكة مع نظام الطاقة الكهروضوئية والرياح والتخزين المائي (PSH) في الهند باستخدام تقنية محاكاة مونت كارلو المعتادة، كذلك قام بتقييم مؤشرات الموثوقية العقدية لنظام الطاقة الهجين (AC-DC) وأداء موثوقية المستهلكين في كل عقدة باستخدام نموذج متعدد الحالات، كما أظهرت النتائج الدور المهم لتقييم الموثوقية لتحديد مخاطر نظام الطاقة الهجين (AC-DC).

كما تعد تقنية تحسين هجينة لتقييم مؤشرات الموثوقية لأنظمة الطاقة عن طريق تثبيت مزارع الرياح واستخدام تقنية تحسين أسد النمل ومحاكاة “مونت كارلو”، كما تم عرض العمل على نظام اختبار الموثوقية (IEEE RTS 79)، بحيث نجح نهج الباحثون في تقييم مؤشرات موثوقية النموذج المعمول بها وتم استخدام محاكاة مونت كارلو لنظام ناقل (IEEE 30) والخوارزمية الجينية لتحسين إستراتيجية الجدولة للنظام مع الأخذ في الاعتبار تأثير توربينات الرياح والنظام الكهروضوئي وتوقعات الحمل.

كذلك أظهرت النتائج أنه مع زيادة هامشية فقط في تكلفة جدول التوليد اليومي، بحيث يتم الحصول على تخفيض جيد لمتوسط ​​تكلفة التعديل في الوقت الفعلي، كما تم تقديم دراسة أخرى حول تقليل فقد الطاقة في (RESs) المتصلة بالشبكة مع مراعاة تحسين الموثوقية مع الجلوس الأمثل لبعض (RESs)، تكلفة توليد مثالية وتقليل خسائر الإرسال لأنظمة ناقل (IEEE 30 و 300) باستخدام تقنية تدفق الطاقة المثلى متعددة الأغراض.

بنية النظام الكهربائي والأساليب التحليلية المرتبطة

تمتص الخلية الكهروضوئية الإشعاع الشمسي وتحوله إلى طاقة كهربائية (DC)، وذلك من حيث الوحدة الكهروضوئية عبارة عن مجموعة من الخلايا الكهروضوئية مركبة في إطار للتثبيت، كذلك كل لوحة لها خصائصها التي تعتمد على درجة الحرارة والإشعاع، بحيث تحتوي كل لوحة على تيار قصير الدائرة (Isc) وجهد الدائرة المفتوحة (Voc) ونقطة طاقة قصوى (MPP).

كذلك تسمى هذه الخصائص بخصائص اللوحة أو الخلية الكهروضوئية وتتم صياغتها في منحنيات (I-V ،P-V) الموضحة في الشكل التالي (1)، كما وتتأثر هذه الخصائص بالظروف البيئية مثل درجة الحرارة، حيث أن الشكل (1-a) والإشعاع حسب الشكل (1-b).

كذلك يتم توصيل العديد من الألواح معاً لتشكيل المحطة الكهروضوئية، وفي هذه الدراسة تبلغ الطاقة الإنتاجية القصوى للمحطة الكهروضوئية المستخدمة في هذه الدراسة (1.5) ميجاوات، ومع وجود (100) محطة كهروضوئية متصلة بالتوازي؛ يبلغ إجمالي الطاقة المولدة للنظام الكهروضوئي (150) ميجاوات.

وفي هذا الجزء؛ سيتم تقديم التقنيات التحليلية المستخدمة للتصميم الأمثل لموثوقية نظام توليد الطاقة لـ (IEEE_EPS_24_bus) المتكامل مع نظام واحد أو اثنين أو ثلاثة أو أربعة أنظمة كهروضوئية، بحيث تتمثل الفكرة الرئيسية لهذا العمل في تصميم نظام كهروضوئي واسع النطاق مرتبط بالشبكة على النحو الأمثل، وذلك مع مراعاة بعض جوانب الموثوقية، كما يتم تنفيذ هذا التصميم الأمثل عن طريق تقليل وظيفة متعددة الأهداف باستخدام (MAACPSO).

تقنية الرسم التخطيطي للمصفوفات الكهربائية

تُستخدم تقنية الرسم التخطيطي للكتل لتقليل عدد معدلات مكونات النظام، سواء كانت عطلاً أو إصلاحاً، كذلك المجموعة التي تمثل معدلات الفشل لمكونات النظام في نموذج التمثيل الرسومي، بحيث ينقسم النموذج إلى مجموعات متصلة في سلسلة أو متوازية، كذلك يمكن للمعادلة التالية حساب معدل الفشل الكلي للنموذج.

في حالة التوازي تكون المعادلة على النحو:

في حالة التوالي تكون المعادلة على النحو:

وبعد تقليل رقم مكونات النظام وتقييم موثوقية نظام الجيل بالكامل؛ يتمثل دور (MCT) في تحليل مؤشرات احتمالية النظام وتوافره وعدم توفره وموثوقيته.

تقنية ماركوف المستخدمة للمصفوفات الكهربائية

يحسب (MCT) في جميع حالات احتمالات النظام من خلال تقديم الانتقال بين الحالات، ولحساب احتمالات النظام؛ يبدأ (MCT) بإنشاء مصفوفة انتقالية وتمثيل انتقالات جميع الحالات، كما يتم تمثيل هذه التحولات بين الدول من خلال وضع الفشل أو الإصلاح، ولتوضيح دور (MCT) في مشكلة التحسين المقدمة في هذه الدراسة، كما يتم استخدام نظام بسيط ثلاثي التفرعات، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2).

كذلك يحتوي النظام على ثلاثة مولدات (G1 ،G2 ،G3)، وفي كل مولد لديه معدلات فشل وإصلاح (λ1 ،μ1 ،λ2 ،μ2 ،λ3 ،μ3) على التوالي، وكعملية ماركوف؛ فإن عدد الحالات الاحتمالية يساوي (23) حالة، وفي نظام الطاقة الكهربائية؛ فإنه يتم تمثيل فشل المولد وإصلاحه بالحالة داخل وخارج الحالة على التوالي، بحيث يتم تمثيل (on-state) بواسطة (0)، كما ويتم تمثيل الحالة (off-state) بـ (1).

في النهاية ركزت هذه الدراسة على تحليل الاحتمالات وتقييم الموثوقية لمكونات الأنظمة الكهروضوئية المرتبطة بالشبكة من خلال نظام (IEEE 24) بأربعة نماذج مختلفة؛ لكل منها عدد مختلف من الأنظمة الكهروضوئية، بحيث تم استخدام ثلاث خوارزميات مجمعة في الطريقة المقترحة، وهذه الخوارزميات هي تقنية الرسم التخطيطي للكتل وتقنية عملية ماركوف وخوارزمية تحسين (MAACPSO).

كذلك نجحت تقنية مخطط الكتلة في تقليل عدد كبير من مكونات النظام إلى مكونات قليلة فقط، أيضاً نجحت فعالية عملية ماركوف في تقييم موثوقية نظام التوليد بالكامل ومؤشرات الموثوقية والحد الأقصى والحد الأدنى لتكرار احتمالات الفشل ومتوسط المدة المقابلة للحد الأقصى والحد الأدنى من تكرار احتمالات الفشل واحتمالات الفشل القصوى والدنيا والحد الأقصى والحد الأدنى من توافر التفرعات؛ بينما يتم استخدام (MAACPSO) لتحسين الوظيفة متعددة الأهداف المقترحة في هذه الدراسة.