تعريف أحمال البناء المعتمدة على الوقت والجهد الكهربائي

الهدف من تعريف أحمال البناء المعتمدة على الوقت والجهد الكهربائي

تخضع البيئة المبنية لتغيير كبير في كيفية استخدامها وإدارتها وتفاعلها مع الطاقة الكهربائية، كما ويرجع ذلك إلى التقدم التكنولوجي وجهود كفاءة الطاقة واستجابة الطلب وموارد الطاقة الموزعة (DERs) والمباني ذات الكفاءة التفاعلية الشبكية (GEB) والبنية التحتية المتقدمة للقياس (AMI) التي توفر بيانات مفصلة عن بيانات التحميل.

لذلك لا يمكن التغاضي عن أنواع مكونات أحمال المبنى والكفاءات والاستجابات للجهد والتردد الكهربائي المتغير في نظام الطاقة الكهربائية (EPS) عند التفكير في مجموعة من عمليات المحاكاة والتحليلات لنظام التوزيع، ونظراً لاختلاف جهد النظام وتردده؛ تختلف طاقة الأحمال النشطة والمتفاعلة، بحيث يعتمد هذا الاختلاف على نوع كل مكون تحميل واستهلاكه بالنسبة إلى ملف تعريف أحمال المبنى الإجمالي.

ولالتقاط سلوك الحمل الكهربائي؛ فإنه يمكن تطوير نماذج الحمل لكل مكون تحميل ثم استخدامها لمحاكاة سلوك أحمال المبنى، ومع ذلك؛ فإن كيفية نمذجة الحمل في تحليل معين ومدى تحديث معلماته قد تؤثر على نتائج المحاكاة، خاصة عند النظر في دراسات تقليل جهد الحفظ (CVR).

كما تُعرَّف نماذج الحمل على أنها العلاقة الرياضية التي تمثل التغيير في الطاقة النشطة أو طلب الطاقة التفاعلية كدالة للجهد والتردد في نظام الطاقة، بحيث يتم تصنيف نماذج الأحمال على أنها نماذج تحميل ثابتة وديناميكية ومركبة، كما تعبر نماذج الحمل الثابت عن قوة التحميل كدالة لجهد وتردد النظام الكهربائي في أي لحظة زمنية (غير متغير زمنياً).

أيضاً تستجيب على الفور لتغيرات الجهد والتردد، كما يتم استخدامها في نمذجة الحالة المستقرة مثل تحليل تدفق الطاقة، بحيث تشتمل نماذج الحمل الثابت على القدرة الثابتة والتيار الكهربائي الثابت والمقاومة الثابتة والنموذج الأسي والنموذج متعدد الحدود (نموذج ZIP) والنموذج المعتمد على التردد، كما تعبر نماذج الحمل الديناميكي عن قوة الحمل كدالة لجهد وتردد الأنظمة الكهربائية الحالية والسابقة، أي كدالة للوقت (متغير الوقت).

كما يتم استخدامها في الدراسات الديناميكية حيث يلزم إجراء تحليل عابر، بحيث تتضمن نماذج الحمل الديناميكي ونموذج المحرك التعريفي (IM) ونموذج حمل الاسترداد الأسي (ERL)، كما تشمل نماذج الحمل المركب، والتي تمزج خصائص النماذج الثابتة والديناميكية، إضافةً الى نموذج (ZIP + IM) ونموذج الحمل المعقد (CLOD) ونموذج (CLM) لمجلس تنسيق الكهرباء الغربي (WECC).

وصف نمذجة التحميل الكهربائي الخاصة بالمباني

نظراً لأن تركيز الورقة على نماذج الحمل الثابت، يقدم هذا القسم وصفاً موجزاً ​​لنماذج الحمل الثابت الشائعة الموجودة في الأدبيات والمطبقة بشكل شائع في تحليل نظام التوزيع، حيث أن نماذج الحمل الثابت الأكثر شيوعاً هي نماذج الطاقة الثابتة والتيار الثابت والمقاومة الثابتة، وفي نموذج حمل الطاقة الثابت، يبقى استهلاك طاقة الحمل ثابتًا بغض النظر عن اختلاف جهد الناقل.

ومع زيادة جهد التفرع، ينخفض ​​تيار الحمل والعكس صحيح مع عامل القدرة المخصص، كما يتم تحديد قوة رد فعل ثابتة، كما يشار إلى هذا النموذج أيضاً باسم نموذج (PQ) الثابت في الدراسات ويمثله (P = P0)،  حيث أن (P0) هو استهلاك الطاقة الاسمي أو المقدر أو الأولي النشط للحمل عند جهد النظام الاسمي أو المقنن (V0) و (P) هي الطاقة الفعلية في كل خطوة زمنية معينة (دقة الوقت).

كما تتضمن أمثلة الأحمال التي تظهر سلوك طاقة ثابتاً إلكترونيات القدرة مثل مزودات طاقة وضع التبديل (SMPS) وتركيبات إضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، وفي نموذج التيار الثابت، يتم تمثيل تيار الحمل على أنه ثابت بغض النظر عن تغير جهد الناقل، ونظراً لاختلاف جهد الحافلة، يختلف استهلاك الطاقة خطياً عبر [P = P0 (VV0)ٍ]، حيث (V) هو الجهد الفعلي عند الحمل في وقت معين.

كما تتضمن أمثلة الأحمال التي تتوافق مع نموذج التيار الثابت أحمال المحرك وتركيبات الإضاءة الفلورية المدمجة (CFL)، وفي نموذج المعاوقة الثابتة، تبقى مقاومة الحمل ثابتة بغض النظر عن اختلاف جهد الناقل، ونظراً لتغير جهد الناقل، يختلف استهلاك الطاقة كدالة لمربع جهد النظام عبر [P = P0 (VV0) 2]، بحيث تتضمن أمثلة الأحمال التي تظهر نموذج مقاومة ثابتة أحمال مقاومة مثل المحمصات والأفران.

وبناءً على النماذج الثابتة الموضحة أعلاه، في نموذج الحمل الأسي؛ يتم استخدام معادلة أسية لتمثيل العلاقة بين جهد النظام والتردد واستهلاك الطاقة للحمل، كما تظهر هذه العلاقة في المعادلة التالية (1) للقدرة الحقيقية والمعادلة (2) للقدرة التفاعلية.

حيث أن:

(Q0): هو الاستهلاك الاسمي أو الأولي للطاقة التفاعلية للحمل الكهربائي عند (V0).

(f0): هو التردد الاسمي للنظام.

(f): هو التردد الفعلي.

(Kpv ، Kpf ، Kpf و Kqf): هي متطلبات النموذج، والمعروفة أيضاً باسم عوامل الحساسية أو المعاملات، لذلك إذا تم إهمال جزء التردد، ونظراً لأن التغييرات في التردد تكون عادةً صغيرة جدًا ويتم التحكم فيها؛ تصبح العلاقة كما هو موضح في المعادلتين التاليتين.

كما يمكن ملاحظة أنه إذا كانت المعلمة (Kpv = 2)، بحيث يصبح النموذج نموذج المعاوقة الثابتة، لذلك إذا كان (Kpv = 1)؛ يصبح النموذج هو النموذج الحالي الثابت، وإذا كان (Kpv = 0) يصبح النموذج هو نموذج الطاقة الثابت، كما وينطبق الشيء نفسه على المعلمة (Kqv).

وفي نموذج متعدد الحدود (نموذج ZIP)؛ فإنه يتم دمج نموذج المعاوقة الثابتة (Z) ونموذج التيار الثابت (I) ونموذج القوة الثابتة (P) في معادلة متعددة الحدود لتمثيل نموذج (ZIP)، وهي معادلة تستخدم لتمثيل العلاقة بين جهد النظام والتردد واستهلاك الطاقة للحمل، بحيث يظهر نموذج (ZIP) في المعادلة التالية للقدرة الحقيقية والمعادلة التي تليها للقدرة التفاعلية.

حيث تمثل (zp و iP و pP و zq و iq و pq) النسب المئوية لكل نوع معلمة نموذج للقوة الحقيقية والمتفاعلة، كذلك كل منها يضيف إلى واحد أو (100٪) ويمثل [(1 + KpfΔf) و (1 + KqfΔf)]، هو مكون التردد الكهربائي، حيث أن إزالة مكون التردد  تصبح نماذج (ZIP) كما هو موضح في المعادلتين التاليتين:

وأخيراً يتم تقديم إطار لتحليل حساسية نموذج أحمال المبنى للتغيرات في الجهد، كما تم اقتراح اختلاف في النهج القائم على المكونات من أسفل إلى أعلى لدمج البيانات الموثقة حول حساسية الجهد لأنواع مختلفة من مكونات الحمل، وذلك من خلال تجميع المكونات في فئات الاستخدام النهائي ونمذجة السلوكيات المتطرفة داخل كل فئة، بحيث يتم الحصول على حدود ذات مغزى لسلوك البناء الكامل، حتى في حالة عدم وجود معلومات مفصلة حول تكوين أحمال المبنى.

كما يسمح إطار العمل الناتج بالتقاط العلاقة التي تعتمد على الوقت بين الجهد والطاقة في كل خطوة زمنية، مما يسمح باستهلاك طاقة المبنى ليصبح أكثر أو أقل حساسية للتغيرات في الجهد حيث يختلف استهلاك فئة تحميل الاستخدام النهائي مع مرور الوقت.

ونظراً لأن هذا الإطار يفترض نموذج حمل ثابتاً؛ فإن الاعتماد الزمني لعلاقة الجهد أو الطاقة لا يرجع إلى السلوك العابر للنظام، كما إن النمذجة الدقيقة للتأثيرات العابرة للحمل المفاجئ وتغيرات الجهد تتطلب إطاراً مشابهاً باستخدام نموذج ديناميكي خاص.