فشل تشغيل المعدات الإلكترونية والكهربائية بسبب البنية التحتية

مع التكامل العالي لتقنيات الطاقة الإلكترونية في الشبكات الصغيرة؛ أصبح تقييم الموثوقية مع مراعاة الأجهزة الإلكترونية للطاقة موضوعاً مهماً للغاية، ومع ذلك لم يأخذ أي بحث حتى الآن في الاعتبار تأثير احتمال فشل تشغيل المعدات الإلكترونية للطاقة على الموثوقية الإجمالية للشبكة الصغيرة.

تحليل سبب فشل تشغيل المعدات الإلكترونية والكهربائية

ظهرت هندسة الموثوقية أولاً لمعالجة قضايا الموثوقية في التطبيقات العسكرية، كما أن هناك طريقتان تم تبنيهما على نطاق واسع، الأول هو نموذج الموثوقية التجريبي، والذي يعتمد على بيانات التشغيل التاريخية، كما تُستخدم قيم موثوقية المكونات الثابتة لتقييم مؤشرات موثوقية النظام، بحيث تم تطبيق هذه الطريقة على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الكهربائية لتحليل متوسط مؤشرات الموثوقية.

ومع ذلك؛ فإن النهج التجريبي مستقل عن حالة التشغيل مما يعني أنه لا يأخذ في الاعتبار السبب المادي لفشل الإلكترونيات، كما أن النموذج الثاني هو نموذج الموثوقية القائم على الفيزياء والذي تم اقتراحه لأول مرة في عام (1962)م، بحيث تركز هذه الطريقة على تحديد آلية السبب الجذري لفشل المكونات وتستند إلى حالة التشغيل المحددة.

كما قدمت الأبحاث طريقة تقييم كفاية تحليلية لتقييم موثوقية أنظمة التوزيع الكهربائية، وذلك مع الأخذ في الاعتبار المشكلات المتعلقة بالمولدات الموزعة المتجددة مثل نموذج الموثوقية الفردية واستراتيجية الحماية وعملية الجزر، ومع ذلك؛ فإن هذه الطريقة تقوم بتقييم الموثوقية بناءً على الأجزاء بدلاً من المكون الفردي.

كذلك تم اقتراح استراتيجية تقييم للتحقيق في آثار مخططات الحماية على مؤشرات الموثوقية للشبكات الصغيرة في ظروف التشغيل المختلفة، بحيث تم وضع إطاراً احتمالياً لإجراء تحليل الموثوقية وتخطيط أنظمة الطاقة، بما في ذلك الموارد المتجددة ونظام تخزين الطاقة (ESS)، كما تأخذ هذه الطريقة في الاعتبار أوجه عدم اليقين المتعلقة بتوليد توربينات الرياح (WTG) واستراتيجيات توليد الطاقة الكهروضوئية (PV) وتحويل الأحمال لتحقيق المفاضلة المثلى بين متطلبات التكلفة والموثوقية.

بالإضافة الى طريقة تقييم الموثوقية التي تنشر نماذج متعددة الحالات للمكونات المكونة، على سبيل المثال موارد التوليد الموزع (DG) ونظام تخزين طاقة البطارية (BESS)، كما تم اقتراح طريقة مونت كارلو المعجلة (MCM) و تم اختباره، ومع ذلك قد تكلف هذه الطريقة وقتاً حسابياً كبيراً، كما يتم إجراء تقييم الموثوقية لأنظمة التوزيع على أساس (MCM) المتسلسل، والذي يأخذ في الاعتبار آثار الأعطال والتغيرات في طلب الحمل والتوليد.

مدى ارتباط هندسة الموثوقية بالبنية التحتية للشبكات الصغيرة

تعتبر الموثوقية العالية واحدة من المزايا التقنية الرئيسية للشبكات الصغيرة، وقد تم تكريس الجهود البحثية لتحليل موثوقية الشبكات الصغيرة في السنوات الأخيرة، بحيث تستكشف معظم الأعمال الحالية الموثوقية من خلال النظر في الشبكات الصغيرة مع أجيال الطاقة التقليدية، أو جنباً إلى جنب مع مصادر الطاقة المتجددة (RESs).

ومع ذلك، لم يتم النظر في معدلات الفشل والإصلاح المتغيرة لواجهات الطاقة الإلكترونية في الدراسات السابقة، لذلك تم اقتراح نهجاً لتقييم الموثوقية من منظور التشغيل من خلال مطابقة المولدات الكهربائية والأحمال، حيث تعتبر المكونات موثوقة تماماً، كما تركز على النظام المعزول مع خرج طاقة ثابت لوحدات التوليد، والتي لا يمكن تطبيقها على التوليد المتجدد المتقلب.

واستناداً إلى ملفات تعريف الحمل المتغيرة؛ فإنه يقوم بجدولة التبديل الأمثل للمغذي للنظام ويدرس تأثير فشل نظام النقل على انقطاع خدمة العملاء، ولتقييم الموثوقية بشكل أكثر دقة؛ تأخذ في الاعتبار قضايا الحماية لتقييم مؤشرات الموثوقية للشبكات الصغيرة الجزرية باستخدام نموذج انقطاع قصير المدى، وبناءً على هذا العمل، يظهر تأثير الاستجابات غير الصحيحة لنظام الحماية الكهربائية واستخدم نموذج الانقطاع قصير المدى لتقييم مؤشرات الموثوقية غير الواضحة.

معدل الفشل التشغيلي لنظام الطاقة الإلكتروني

في هذا القسم، يتم توضيح نموذج شامل لمعدل الفشل المتعلق بإلكترونيات القدرة، بحيث يتكون النموذج من عدة إجراءات تقيم أداء موثوقية أنظمة الطاقة الإلكترونية بناءً على حالة التشغيل المحددة، كما أن النموذج المقترح موضح في الشكل التالي (1) يعتمد تاريخ حالة التشغيل على بيئة التشغيل المحددة والتطبيقات المحددة، كما يحدد نموذج المحول الضغوط الكهربائية للمكونات، أيضاً يعتمد نموذج الخسارة على معلمات الهيكل والتحكم والتشكيل والمكونات.

لذلك يحدد النموذج الحراري ارتفاع درجة الحرارة والعوامل الحرارية للمكونات، بحيث يحتوي نموذج موثوقية المكونات على نماذج تجريبية ومادية ويحدد معدل فشل تشغيل الأجهزة، كما يحتوي نموذج موثوقية النظام على تقييم الموثوقية على مستوى النظام، بحيث يحدد الإدخال إلى النموذج العام شروط تشغيل أنظمة الطاقة الإلكترونية، كذلك يمكن الحصول على مقاييس الموثوقية المختلفة بما في ذلك معدل الفشل والموثوقية والتوافر من النموذج.

تقييم الموثوقية الكهربائية وتحسينها من خلال نماذج المتعددة

نموذج الانقطاع على المدى القصير

بعد الحصول على معدلات فشل إلكترونيات القدرة من التحليل أعلاه؛ فإنه يمكن تقييم مؤشرات موثوقية التشغيل مع الأخذ في الاعتبار معدلات الفشل المتغيرة بمرور الوقت لإلكترونيات القدرة في الشبكات الصغيرة الجزرية، كما يمكن تقييم تأثير الطاقة المتجددة، والتي تساهم في التباين المتقلب لدرجة حرارة الأجهزة الإلكترونية للطاقة، وذلك على إمداد الشبكات الصغيرة الجزرية من خلال نموذج الانقطاع قصير المدى في هذه الدراسة.

تحسين الموثوقية على مستوى النظام الفرعي

في الشبكة المصغرة ذات الاختراق العالي لأنظمة التوليد المتجددة، يتضمن تذبذب الطاقة لوحدات التخزين تبايناً عالي التردد، وذلك بسبب عدم اليقين من عوامل الأرصاد الجوية ومتطلبات الحمل وكذلك تغير التردد الكهربائي المنخفض.

وبشكل عام، يتطلب التباين عالي التردد أن تستجيب وحدات تخزين الطاقة بسرعة، مما يعني أن لديه كثافة طاقة عالية، بينما يتطلب تباين التردد المنخفض كثافة طاقة عالية لوحدات التخزين نهجاً لتقاسم الطاقة على أساس الحمل السكني، ويقوم بإجراء تقييم احتياطي مثالي للشبكات الصغيرة في كل من التشغيل الموثوق به والجوانب الاقتصادية من خلال مخطط تدلي التردد غير الخطي.

وفي النهاية يؤثر التطبيق الواسع النطاق للأجهزة الإلكترونية القوية بشكل كبير على موثوقية الشبكات الصغيرة، بحيث يتم تقييم مؤشرات موثوقية التشغيل لنظام قياس مرجعي، وذلك بمعدل قدرة (0.4) كيلوفولت ويتم التحقق من نموذج التشغيل المقترح في هذه الدراسة، ولتحسين موثوقية النظام؛ فإنه تم استبدال (BESS) التقليدي بـ (HESS)، بحيث تظهر النتائج أن موثوقية النظام مع (HESS) لديها أداء أفضل من النظام مع (BESS).

وبشكل نهائي؛ فإنه يتم إجراء تحليل الحساسية لدراسة تأثير العديد من العوامل ذات الصلة على موثوقية النظام من خلال:

• النظر في المزيد من الظروف الجوية مثل الظروف الجوية القاسية في نموذج فشل المكونات ودراسة تأثيرها على موثوقية النظام.

• تكامل تكنولوجيا التنبؤ للعوامل النيزكية المنطقية للتنبؤ بمعدل فشل النظام.

• حساب عدم توفر كل نظام فرعي وتحليل مساهمة كل مكون في موثوقية النظام.

• إجراء التحليل الاقتصادي. إيجاد المفاضلة المثلى بين الموثوقية والتكلفة مع مراعاة الاستثمار والصيانة لاختيار الهيكل الأمثل لـ (HESS).

• حساب موثوقية النظام لأنظمة متعددة ذات طوبولوجيا مختلفة، وذلك مع مراعاة الاتصال بشبكة التوزيع وحساب المزيد من مؤشرات الموثوقية مع الحمل.

• تحليل المزيد من المعلمات لنظام التوليد الكهربائي و (ESS) لجزء الحساسية.