طبقات التحكم الرئيسية في الشبكات الكهربائية الصغيرة

تحتوي الشبكة المصغرة على ثلاث طبقات تحكم، وهي الطبقات الأولية والثانوية والثلاثية، بحيث تعالج طبقة التحكم الأولية مخاوف جودة الطاقة، كما أنه يحافظ على الجهد الكهربائي والتردد للشبكة الصغيرة ضمن حدود محددة مسبقاً في ظل ظروف تحميل غير طبيعية، بحيث تتم باستمرار مراقبة نقاط ضبط التيار والجهد لـ (RES) المتصلة بالشبكة الصغيرة.

وظيفة طبقات التحكم الرئيسية في الشبكات الكهربائية الصغيرة

تستخدم شبكات التيار المتردد الصغيرة محولات مصدر الجهد الكهربائي (VSI)، بينما تستخدم شبكات التيار المتردد الصغيرة محولات طاقة (DC-DC) لتوصيل المكونات المختلفة، بحيث تم توصيل هذه المحولات بالتوازي عبر ناقل التيار المتردد أو التيار المستمر، كذلك يتم تعويض عدم التطابق الفوري بين الصلاحيات المطلوبة والمجدولة على المستوى الأولي باستخدام طريقة شائعة تُعرف باسم التحكم في التدحرج.

وعلى الرغم من أنها تقنية موثوقة ومرنة؛ إلا أنها لا تعمل بشكل جيد في ظل ظروف الحمل غير الخطية مثل التيارات التوافقية، وبالإضافة إلى ذلك؛ يختلف التردد والسعة وفقاً للحمل، أيضاً طبقة التحكم الثانوية مسؤولة عن إدارة الطاقة في الوقت الفعلي، وهذا يعوض التغيرات التي تسببها طبقة التحكم الأولية، وفي النهاية استعادة الجهد والتردد الكهربائي، بحيث تحدد جدولة طبقة التحكم الثلاثية تشغيل طبقة التحكم الثانوية، كما أنها تتحكم طبقة التحكم الثانوية في تبادل الكهرباء بين (RES) والشبكة الخارجية.

كما يوضح الشكل التالي المعاد تكوينه من ثلاث طبقات تحكم هرمية في شبكة صغيرة، بحيث تتلقى طبقة التحكم الأولية بيانات الإدخال من طبقة التحكم الثانوية والشبكة الخارجية، كما أنها تحافظ محولات الطاقة على الجهد والتردد خلال شبكة صغيرة ذات طبقة التحكم الأولية مسؤولة عن التحكم في محولات الطاقة، كذلك تستخدم طبقة التحكم الثلاثية التنبؤ بالأسعار وبيانات التنبؤ بالطاقة وتوفر معلومات تتعلق بالقوة النشطة لطبقة التحكم الثانوية والقدرة التفاعلية وحالة الشحن.

التغير في التردد والجهد الكهربائي وأثرة على طبقات التحكم الرئيسية

يجب تعديل أي تغير في التردد أو الجهد الناجم عن تعطل النظام إلى الصفر، بحيث تمت مراقبة اتساع الجهد والتردد باستمرار بواسطة طبقة التحكم الأولية، كما أنها توفر وحدات التحكم إشارات تصحيح لضمان التوزيع المتساوي للقدرة بين المولدات المتناثرة، بحيث تشرف طبقة التحكم الثلاثية على التحسين الاقتصادي للشبكة المصغرة.

كذلك يتم استخدام التنبؤ والتدهور الاقتصادي والمخاوف البيئية والنفقات التشغيلية لتطوير جداول التوليد والتخزين، بحيث تحصل طبقة التحكم الثانوية على جدول إدارة الطاقة وتنفذ مشاركة الطاقة في الوقت الفعلي، كما يوضح الشكل التالي (2) المعاد إنشاؤه تشبيهات التسلسل الهرمي للتحكم بالشبكة المصغرة مع التحكم ذي المستويات الأربعة في صناعة المعالجة.

بالإضافة الى أنه يتم التعامل مع التخطيط والجدولة على أعلى مستوى، كما ويتم التعامل مع التحسين في الوقت الفعلي والتحكم الإشرافي المعزز على المستويين الداخليين ويتم التعامل مع التحكم التنظيمي في المستوى السفلي، بحيث يتم تمثيل تشبيهات العملية مع طبقات التحكم بالشبكة المصغرة بواسطة الأسهم.

التحكم الأساسي في الشبكات وتحسين جودة الطاقة

تعد جودة الطاقة أحد الاعتبارات المهمة في تصميم الشبكات الصغيرة، كما يجب أن توفر الشبكة المصغرة الجهد والتردد دون أي انحرافات، لذلك قد يؤدي أي تشوه في خصائص طاقة الخرج، مثل الجهد أو التردد أو السعة؛ إلى الاختلاف عن معايير سوق الكهرباء، بحيث ينظم التحكم التنبئي النموذجي محولات الطاقة ذات الشبكات الصغيرة في أوضاع متصلة بالشبكة أو أوضاع الجزر لتحسين جودة الطاقة.

كما يوضح الشكل التالي (3) المعاد إنشاؤه من أن هناك ثلاث وظائف رئيسية للتحكم الأولي في الشبكة الصغيرة هي استقرار الجهد واستقرار التردد وتجنب التيارات المتداولة.

كما تراقب طبقة التحكم الأساسية نقاط ضبط التيار والجهد للمولد الموزع داخل الشبكة الدقيقة، بحيث تعوض طبقة التحكم الثانوية في الشبكة المصغرة عن تغيرات الجهد والتردد التي تحدثها طبقة التحكم الأولية، أيضاً تستخدم طبقة التحكم الأولية في كثير من الأحيان نهج التحكم في التدلي، وهذه التقنية تعين تدلياً مميزاً لكل عاكس ميكروغريد، بحيث يمكن لطبقة تحكم ثانوية أن تحل مشكلة اقتران القدرة النشطة أو التفاعلية الخاصة بالتحكم المتدلي لطبقة التحكم الأولية.

أيضاً يعتبر (MPC) هو خيار جذاب للتحكم في محولات الطاقة، بحيث يمكن أن تتضمن دالة التكلفة عدة معايير لتحسين خسائر التبديل ومقدار الاستبدال والتشويه التوافقي الكلي والقضاء على التموج، كذلك يؤثر طول أفق التنبؤ على سلوك المحول الكهربائي، كما أنه يمكن أن يؤدي الفاصل الزمني الأطول إلى تحسين الاستقرار وتقليل التشوهات وزيادة الكفاءة.

كما أنه مطلوب حسابات إضافية لكل فترة أخذ العينات، وبالتالي زيادة تعقيد النظام، بحيث يتم تقليل التعقيد الحسابي لمحولات الطاقة التي يتم التحكم فيها بواسطة (MPC) باستخدام طرق مختلفة، مثل البرمجة التربيعية متعددة المعلمات والبرمجة الخطية. تحول هذه العملية وحدة تحكم (MPC) إلى وحدة تحكم أفيني متعددة المكونات (PWA).

التحكم التنبئي لنموذج مجموعة التحكم المحدودة (Fcs-MPC) للشبكات الصغيرة

يمثل تنسيق أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية ومصادر الطاقة المتجددة تحدياً، حيث أن الحل المثالي لمسألة التحكم هذه هو تشغيل (FCS) متعدد المتغيرات (MPC)، بحيث يبسط (FCS-MPC) إدارة محولات الطاقة الإلكترونية في الشبكات الصغيرة، كما يعتمد مجموعة تنبؤ مخفضة ويقصر متغير القرار على مجموعة محدودة، بحيث يعمل حساب دالة التكلفة لكل قيمة إجراء تحكم واختيار القيمة المثلى على تبسيط محولات الطاقة وطرق القيادة.

لذلك يوضح الشكل التالي (4) المعاد تكوينه من مخطط كتلة لـ (FCS MPC)، حيث تم تحسين دالة التكلفة لتتبع المرجع المرغوب [w (t + 1)]، كما أنه يوفر محول الطاقة تغذية مرتدة للمصنع لضبط اضطرابات النظام، بحيث ينتج عن استخدام (FCS-MPC) في محول الطاقة تسلسل التحويل الأكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.

التحكم المستمر في نموذج مجموعة التحكم التنبئي (Fcs-MPC) للشبكات الصغيرة

تستخدم تقنية التحكم التنبئي لنموذج التحكم المستمر (CCS-MPC) إشارات الوقت المستمر المُعدَّلة ما لم يحدث انفجار اندماجي، بحيث يمكن استخدام آفاق تنبؤ أكبر، لذلك تنتج هذه الطريقة طيفاً متوسطاً مع خطأ تتبع صفري، بحيث يظهر مخطط كتلة (CCS MPC) المعاد تكوينه في الشكل التالي (5)، حيث يتم توصيل المغير ومحول الطاقة مباشرة.

كما ينفذ المغير تعديل عرض النبضة بناءً على إشارة دورة العمل [d (t)]، بحيث يتم استخدام الإشارة المرجعية المرغوبة [w (t + 1)] وإشارات المصنع [x (t + 1) ، y (t + 1)] لحساب عمليات التبديل.، كما يتم تحديد إشارة دورة العمل [d (t)] باستخدام دالة التكلفة (j).

وأخيراً يعد التحكم التنبئي المعمم (GPC) و (MPC) الصريح نوعين مختلفين من (CCS-MPC)، بحيث يحسب الأسلوب الأول قيمة الإدخال المثلى عن طريق حل مشكلة التحسين في الوقت الفعلي، بينما تستخدم الطريقة الثانية جدول بحث. إن تعقيد (GPC) مستقل عن أفق التنبؤ، كما تنشئ وحدات التحكم في (GPC) الحالات والتنبؤات التاريخية المطلوبة لخوارزمية (GPC) باستخدام نموذج متوسط ​​متحرك الانحدار التلقائي (CARIMA).