تحليل الفشل المتتالي لتدفق القدرة الكهربائية بسبب طاقة الرياح

ضرورة تحليل الفشل المتتالي لتدفق القدرة الكهربائية بسبب طاقة الرياح

تم إثبات أن جميع حالات انقطاع التيار الكهربائي تقريباً ناتجة عن حالات فشل متتالية، والتي يتم تشغيلها في البداية عن طريق اضطرابات فردية أو متعددة في ظروف معينة، مثل الحمل الزائد لفترة طويلة أو مشكلات الاستقرار في نظام الطاقة السائبة، على سبيل المثال حدث انقطاع التيار الكهربائي “8 · 14” في أمريكا الشمالية في عام (2003)م، وذلك عن طريق خمسة خطوط صدع أرضية (AEP-DPL) بجهد (345) كيلو فولت في (MISO).

بعد ذلك، تم تنفيذ الرحلات المتتالية لخط النقل لإجراء انتشار الفشل، وفي النهاية حدث انقطاع للتيار الكهربائي، ومع التطور السريع لطاقة الرياح في جميع أنحاء العالم؛ فإن تغلغلها في شبكة الطاقة ينمو أعلى وأعلى، كما يختلف عن الاستخدام الموزع لطاقة الرياح في أمريكا الشمالية وأوروبا؛ فإن نقل طاقة الرياح على نطاق واسع والمتصل بالشبكة لمسافات طويلة، والمعروف أيضاً باسم قاعدة طاقة الرياح (WPB)، وهو أمر لا مفر منه في الصين بسبب التوزيع غير المتكافئ لموارد الرياح ومراكز التحميل.

كما ستزيد الطاقة المتقطعة والمتقطعة لمزارع الرياح، بالإضافة إلى تعثرها السهل في ظل ظروف غير طبيعية، كما أنها من احتمالية حدوث أعطال متتالية في أنظمة الطاقة، وفي الآونة الأخيرة تم البحث في العديد من الطرق النموذجية حول الفشل المتتالي، بما في ذلك البحث عن الأنماط والتقييم العياني وطرق النظام المعقدة ونظرية الشبكة المعقدة.

وغالباً ما يتم استخدام البحث الإرشادي بواسطة طريقة البحث عن الأنماط، ومع ذلك؛ فمن الصعب استخدامه عملياً نظراً لانخفاض دقة البحث وكفاءته، كما يعتمد موضوع البحث من أسلوب التقييم العياني على بيانات العينة، لذا فإن التقييم ليس دقيقاً بدرجة كافية ويفتقر إلى الشمولية، بحيث يكشف نموذج الأنظمة المعقدة فقط عن آلية الإخفاقات المتتالية نوعياً، والتي يصعب وصف تفاصيل نظام الطاقة الفعلي.

ومن منظور الشبكة الكهربائية، يمكن استخدام (CNT) لتحليل آثار هيكل طوبولوجيا شبكة الطاقة على الفشل المتتالي، مما يوفر منظوراً وطريقة جديدة، كما تم استخدام (CNT) على نطاق واسع في تحليل الفشل المتتالي لنظام الطاقة الكهربائية.

كما أن الشبكة المعقدة هي نظام معقد يحتوي على عدد كبير من الأفراد والتفاعل فيما بينهم، بحيث يمكن التعبير عن الشبكة النموذجية بالعديد من العقد والحواف، حيث تمثل كل عقدة فرداً وكل حافة تمثل العلاقة المتبادلة بين فردين، وبالنسبة لنظام الطاقة؛ فإنه يمكن اعتبار محطات الطاقة والمحطات الفرعية (أو التفرعات) والمستهلكين بمثابة العقد، كما ويتم استخدام خطوط النقل كحواف.

نظرية الشبكات المعقدة مع تكامل طاقة الرياح

مبادئ وطرق الطوبولوجيا: يمكن أن تعكس طريقة (CNT) طوبولوجيا الشبكة وخصائص التشغيل والعناصر الأخرى لشبكة الطاقة من المنظور الثابت والديناميكي، ومن أجل تحليل خصائص الشبكة بدقة؛ فقد تم إنشاء نموذج شبكة مرجح موجه لنظام طاقة الرياح متصل بالشبكة يعتمد على نموذج شبكة غير موجه وغير مرجح وغير مرجح.

• يتم النظر فقط في شبكات النقل ذات الجهد العالي، بينما يتم تجاهل التمديدات الداخلية الرئيسية لمحطات الطاقة والمحطات الفرعية وشبكة التوزيع.

• تعتبر محطات الطاقة والحافلات والعملاء بمثابة عقد توليد وعقد نقل وعقد تحميل على التوالي، كذلك لديهم المعطيات المميزة الخاصة بهم ومستوى الجهد الكهربائي، بحيث تُضاف طاقة الرياح إلى الشبكة التقليدية، وهو ما يعادل عقدة (PQ) لتتميز عن عقدة توليد الطاقة التقليدية.

• كما يُعرَّف وزن عقدة توليد الطاقة بأنه الإخراج المقدر للمولد الكهربائي، بحيث يعتبر الحد الأقصى للحمل بمثابة وزن عقدة التحميل. ووزن عقدة النقل يعادل قدرتها.

• يشار إلى حواف الشبكة على أنها فروع خطوط النقل والمحولات الكهربائية والوزن كمقاومة للخط واتجاه تدفق الطاقة.

• يتم دمج خطوط النقل المتصلة بنفس العقدتين، كما ويتم إهمال المسار الفرعي للمكثفات المتوازية، وذلك من أجل تبسيط مخطط بنية الشبكة، بحيث يتم التخلص من حواف الحلقة الذاتية والحواف الإضافية في الشبكة.

وكل ذلك من خلال عملية رسم الخرائط المذكورة أعلاه، يمكن نمذجة شبكة الطاقة كرسم بياني مرجح وموجه ومتناثر مع عقد (N) وحواف (K).

الخصائص الأساسية المرتبطة بالشبكات المعقدة

• درجة العقدة وتوزيعها: تعتبر درجة العقدة هي العدد الإجمالي للحواف المرتبطة بها، وعادة ما يتم تمثيلها بواسطة (k)، كما توزيع الدرجة هو نسبة العقد في الشبكة بدرجة (k)، بحيث يمكن أن تقيس درجة العقد أهمية العقد في الشبكة، بينما يعكس توزيع الدرجات توحيد الشبكة.

• معامل التجميع: بافتراض أن العقدة (i) لديها درجة (ki)، وهناك حواف (ti) بين أقرب عقد لها، وبالنسبة لأقرب العقد؛ فإنه يمكن الحصول على حواف [ki (ki − 1) / 2] بشرط رسم بياني كامل، كما يمكن تعريف معامل التجميع للعقدة (i) على أنه:

كما يشير معامل التجميع إلى تجميع وضيق العقد في الشبكة.

• المسافة الكهربائية: تعتبر المسافة الكهربائية هي فرق الجهد الكهربائي الناتج عن وحدة تيار تنتقل من العقدة (i) إلى العقدة (j)، أي أنها مقاومة مكافئة بين عقدتين.

حيث (Zii ، Zjj) هما الممانعتان الذاتية للعقدة (i ، j) على التوالي، كذلك (Zij) هو الممانعة المتبادلة بين العقدة (i ، j)، بحيث يعكس حجم المسافة الكهربائية التوصيل الكهربائي بين العقد المختلفة في شبكة الطاقة الكهربائية.

• البينية الكهربائية: وفقاً لخصائص نقل تدفق الطاقة، يتم تعريف المسافة الكهربائية بين الحافة (m,n) على النحو التالي:

حيث أن:

(G ، L): هما مجموعتي عقد التوليد وعقد التحميل على التوالي.

(wij): هي أوزان الطاقة المنقولة من العقدة (i) إلى (j).

[Imn (i ، j)]: هي التيارات المتولدة في الحواف (m ، n)، عندما تنتقل وحدة التيار من عقدة التوليد (i) إلى عقدة التحميل (j)، كما تُعرف [Imn (i ، j)] أيضاً باسم عوامل توزيع نقل الطاقة (PTDFs) لتعكس حساسية الطاقة المتدفقة في كل خط لحقن أو سحب الطاقة في زوج من العقد.

كما يمكن حساب المسافة الكهربائية للعقدة (k) على النحو التالي:

حيث أن [F (k)] هي مجموعة العقد المتصلة بالعقدة (k)، كما أنه يمكن أن يعكس التباعد الكهربائي تأثير السعة وتوزيع المولدات والحمل الكهربائي، وحتى تحديد مساهمة العقد والحواف في نقل تدفق الطاقة الكهربائية.

فشل تحليل تدفق الطاقة على أساس CNT

وفقاً للتحليل السابق، يتبنى هذا البحث تدفق الطاقة كحمل ليعكس توزيع الجهد والطاقة النشطة والقوة التفاعلية في كل عقدة وخط في الشبكة الكهربائية، بحيث يعتبر الجهد الزائد والجهد المنخفض والتيار الزائد بمثابة شروط حدودية لشبكة الطاقة، وبمجرد حدوث فشل الشبكة؛ فإنه يتم حساب تدفق الطاقة للشبكة مرة أخرى.

ومرة بعد مرة، تتكرر العملية حتى لا يكون هناك فشل، وبالإضافة إلى ذلك يتم استخدام مستوى الاتصال والأداء الفعال العالمي ونسبة فقدان الحمل لتقييم أداء الشبكة قبل وبعد حدوث عطل، وأخيراً تم اقتراح بعض استراتيجيات الدفاع.