اقرأ في هذا المقال
تركز المحاكيات الهجينة الحديثة أو المحاكيات المشتركة لنظام الطاقة الكهربائية على الميزات العلمية والبحثية لاقتراح وتطوير محاكيات جديدة وأكثر دقة، والتي تؤسس نهجاً واحداً للنمذجة الهجينة بحيث يعتمد على التطبيق والجمع بين ثلاثة مناهج للنمذجة معاً، وهي المادية والتناظرية والرقمية.
الهدف من تطوير وتطبيق النموذج الهجين لوصلة HVDC
في الوقت الحالي تم تخصيص العديد من الأعمال لتطوير أجهزة محاكاة هجينة أو أجهزة محاكاة مشتركة لنظام الطاقة الكهربائية (EPS) لضمان الخصائص الرئيسية مثل المحاكاة ثلاثية الطور ونمذجة طيف واحد من العمليات في (EPS)، وذلك دون فصل للمراحل الكهرومغناطيسية والكهروميكانيكية لعابر، بالإضافة الى قابلية التوسع غير المحدودة لنموذج (EPS) وكذلك محاكاة في الوقت الحقيقي لضمان فرصة تبادل البيانات مع الأجهزة الخارجية، على وجه الخصوص اختبار الحلقة المغلقة.
كما تعتمد أجهزة المحاكاة الهجينة هذه بشكل أساسي على مجموعة من أساليب المحاكاة المختلفة، على سبيل المثال اقترح الباحثون كلا من تطبيقات كهرومغناطيسي عابر (EMT) وطرق محاكاة المجال الطوري، وفي مثل هذه الحالات يتم استخدام (EMT) لمحاكاة نموذج رياضي مفصل ثلاثي الطور لـ (EPS)، كما ووجد أن الحساب النموذجي للخطوة الزمنية أقل من (10μs)، ولكن فقط للجزء الصغير والأكثر إثارة للاهتمام من (EPS) بسبب موارد حسابية محدودة للمعالج.
أيضاً يسمح باستخدام المعادلات الجبرية البسيطة ذات المعاملات المعقدة في محاكاة (Phasor-Domain) بدلاً من حل المعادلات التفاضلية في المجال الزمني لعمليات النمذجة في (EPS)، وبالتالي يُفترض أن المرحلة الكهرومغناطيسية للعمليات العابرة، على سبيل المثال من لحظة ظهور الدائرة القصيرة والقضاء عليها، بحيث تتحلل خلال فترة زمنية قصيرة، لذلك يمكن إعادة إنتاج هذه العملية بالتفصيل وأيضاً أن باقي (EPS) ليس له أي تأثير كبير على الجزء الذي تم تحليله من (EPS).
عيوب استخدام نهج تطوير وتطبيق النموذج الهجين
هناك عدة عيوب لاستخدام مثل هذا النهج على النحو التالي:
- يمكن حل جزء صغير من (EPS) بواسطة (EMT) كمسألة عبء حساب المحاكاة الكبير الذي يحد من حجم المحاكاة.
- أيضاً يتم إجراء تبادل البيانات بين أجزاء (EPS)، والتي تم حلها بواسطة (EMT) ومحاكاة (Phasor-Domain).
ومع مراعاة خطوات زمنية كبيرة، وبالتالي منع انتشار الاضطرابات مع ثابت الوقت الصغير بين هذه الأجزاء مما يؤدي إلى تشويه في (EPS) بشكل عام، كما تم تأكيد هذا الاستنتاج من خلال مقارنة نتائج المحاكاة التي تم الحصول عليها بواسطة أجهزة محاكاة مختلفة، وعلى وجه الخصوص يعتبر فقدان المعلومات عند تبادل البيانات بين الأجزاء المحاكاة بالإضافة إلى التأخير عند تبادل المعلومات (بسبب استخدام خطوات زمنية مختلفة) يؤدي إلى خطأ في حالة العبور الكهرومغناطيسي.
كما يتم وضع افتراض لهذا الجزء من (EPS) المحسوب في محاكاة (Phasor-Domain)، حيث لا توجد تقلبات حتى (200) هرتز (عادة ما تكون هذه شبكات منخفضة الجهد الكهربائي بدون خطوط نقل طويلة ومعدات تعويض الطاقة التفاعلية).
ووفقاً لذلك ولمحاكاة (EPS) مع خطوط نقل طويلة ومعدات تعويض القدرة التفاعلية؛ فإن هذا النهج غير قابل للتطبيق، وبالنظر إلى هذه الملاحظة يكون ليس من الممكن ضبط أنظمة التحكم الأوتوماتيكية لأجهزة نظام نقل التيار المتردد المرنة ونظام نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) وما إلى ذلك ومع مراعاة تأثير التذبذبات منخفضة التردد الكهربائي، بحيث يمكن أن يؤدي إلى استجابة غير ملائمة.
ولتوفير محاكاة في الوقت الفعلي؛ اقترح الباحثون فصل حل النموذج الرياضي لـ (EPS) بين العديد من مراكز الحوسبة، وهي (Simulator_1) و (Simulator_2) حسب الشكل التالي (1)، وفي هذه الحالة يتم استخدام نتائج محاكاة (Simulator_1) في خطوة حساب سابقة كبيانات أولية لـ (Simulator_2).
وصف نهج المحاكاة الهجينة المقترح لـ HVDC
تم ذكر أن نهج المحاكاة الهجين المقترح يجمع بين مستويات المحاكاة الفيزيائية والتناظرية والرقمية من خلال:
- مستوى المحاكاة التناظرية يستخدم للقضاء على الخطأ المنهجي في التكامل.
يتم وصف النطاق الكامل للعمليات الهامة في معدات الطاقة بشكل كامل ودقيق بواسطة أنظمة المعادلات التفاضلية المضمونة نظرياً، كما يتم تنفيذ حل أنظمة المعادلات التفاضلية هذه بطريقة تكامل مستمرة (تماثلية) ضمنية دقيقة منهجية، أي باستخدام طريقة تماثلية في الوقت الفعلي وعلى فترات غير محدودة، لذلك يتم استخدام مكامل يعتمد على مضخم تشغيلي لتحقيق عملية تكامل أنظمة المعادلات التفاضلية حسب الشكل التالي (2).
وبناءً على تحليل المخطط المكافئ لمعدات الطاقة النموذجية؛ تم تطوير مخطط حل (يسمى الهيكل الرقمي المتوازي إلى التناظري للحل المستمر الدقيق منهجياً في الوقت الحقيقي لأنظمة المعادلات التفاضلية) لهذا النموذج الرياضي في الشكل التالي (3)، بحيث يجب أن تخضع المتغيرات الرياضية المستمرة لتيارات الإدخال أو الإخراج لعملية تحويل من خلال محول جهد تيار.
ونتيجة هذا التحويل هي التيارات الفيزيائية للنموذج ذي الصلة؛ فقد ثم يتم إرجاع الجهد المتشكل عند العقدة التي تربط النماذج المادية إلى النموذج الرياضي عبر متابع الجهد (+1).
- مستوى النمذجة المادية لضمان كفاية الطيف الكامل لمحاكاة عمليات التحويل.
نظراً لعدم وجود قاعدة نظرية متسقة لتطوير نماذج رياضية مناسبة، كما وصف بشكل كامل ودقيق نطاق عمليات التبديل؛ فإن مستوى النمذجة المادية هو أفضل حل لمحاكاة عمليات التحويل المختلفة في أشباه موصلات الطاقة والعديد من التبديل لقواطع الدائرة والقصير.
كما أن الدوائر يتم تحويل المتغيرات الرياضية الخاصة بها والمستمرة لتيارات الإدخال أو الإخراج للنماذج الرياضية بواسطة محول الجهد الحالي (u / i)، بحيث يتم تحويل النماذج الرياضية إلى نموذج ذي صلة للتيارات الفيزيائية لربط مستويات النمذجة التناظرية والفيزيائية، وبالتالي توفير اتصال عادي بين المعدات المحاكاة حسب الشكل السابق (3).
- مستوى النمذجة الرقمية.
إن تنفيذ التحويل الرقمي إلى التناظري والتناظري للتحويلات الرقمية ونشر تقنيات تكنولوجيا المعلومات هو لتوفير جميع وظائف المعلومات والتحكم، بالإضافة إلى تحويل وتصور المعلومات التي تم الحصول عليها، بحيث ينتج عن هذه الاعتبارات جهاز محاكاة نظام الطاقة في الوقت الحقيقي الهجين المطور (HRTSim) كما هو موضح في الشكل التالي (4).
- تطوير المعالج الهجين الخاص لـ (B2B HVDC).
وفقاً لتحليل مخطط (B2B HVDC) ومبدأ التشغيل؛ يتكون نموذج (SHP) الخاص بـ (B2B HVDC) حسب الشكل التالي (5) من النماذج الرياضية (لمحاكاة النطاق الكامل للعمليات الهامة في المعدات التي لا تحتوي على عناصر تبديل ومحولات القدرة ومفاعلات الطور الكهربائي والمرشحات، بالإضافة الى عناصر دائرة التيار المباشر (DC))، كذلك النماذج الفيزيائية (لمحاكاة نموذج محولات مصدر الجهد (VSC) و (SSDCS)، والتي يتم تحقيقها عبر المفاتيح التناظرية التي يتم التحكم فيها رقمياً (DCAS).
وأخيراً تقدم هذه الدراسة نهجاً واحداً للنمذجة الهجينة يعتمد على التطبيق والجمع بين ثلاث طرق للنمذجة في وقت واحد المادية والتناظرية والرقمية، بحيث يسمح النهج المقترح بتطوير أدوات المحاكاة التي توفر محاكاة ثلاثية المراحل، وهي نمذجة طيف واحد من العمليات في (EPS) دون فصل للمراحل الكهرومغناطيسية والكهروميكانيكية من العابرين وقابلية التوسع غير المحدودة لنموذج (EPS) والمحاكاة في الوقت الحقيقي.
