مزامنة شبكات التوزيع النشطة منخفضة الجهد الكهربائي

مع الاختراق الواسع النطاق للتوليد الموزع على جانب الطلب (DG)، أصبحت شبكة التوزيع الكهربائية التقليدية ذات الجهد المنخفض معقدة بشكل متزايد من حيث استقرار المزامنة والتحكم، كما يقدم هذا البحث عملية تطور طوبولوجيا نقل الطاقة في النموذج الرياضي.

أهمية مزامنة شبكات التوزيع النشطة منخفضة الجهد الكهربائي

يلعب التوليد الموزع على جانب الطلب دوراً مهماً في الاستفادة الكاملة من الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية، وعلى وجه التحديد يمكن للتوليد الموزع المدمج في شبكة التوزيع ذات الجهد المنخفض أن يقلل بشكل فعال من خسارة الشبكة واستثمار شبكة الطاقة في المناطق النائية، حيث أن هذا هو السبب في أنها أصبحت مكوناً مهماً للشبكة الذكية المستقبلية ووسيلة فعالة لاستخدام موارد الطاقة المتجددة.

لكن ولسوء الحظ، وبسبب كثافة الطاقة المنخفضة والتوزيع البعيد لموارد الطاقة المتجددة؛ فإن هناك قضيتان تحتاجان إلى المعالجة، أولاً ينتج عن كثافة الطاقة المنخفضة قدرة آلة واحدة صغيرة لتوليد الطاقة الموزعة، والتي يجب أن تكون اكتساباً على نطاق واسع لتوليدها بفعالية، كما أن هذا النوع من الاتصال واسع النطاق ليس اتصالاً شبكياً متعدد الآلات بالمعنى العام، ولكنه تكامل لمئات مجموعات المولدات.

ثانياً يؤدي التوزيع عن بُعد لموارد الطاقة المتجددة إلى استقلالية الشبكات الإقليمية، بحيث يتطلب هذا الموقف أن تعمل شبكة التوزيع النشطة بطريقة مستقلة وفعالة وآمنة ومستقرة أثناء العمل في وضع الجُزر، لذلك يبقى من الضروري البحث في مشكلة استقرار الشبكة للمولدات الكهربائية الموزعة على نطاق واسع في حالة وضع تشغيل.

الأبحاث الخاصة بالسيطرة على الشبكات ذات الجهد الكهربائي المنخفض

مع التركيز على استقرار (DG) المرتبط بالشبكة؛ فإن الأبحاث السابقة في هذا المجال تبحث بشكل رئيسي في مخططات التحكم في التزامن لشبكة التوزيع النشطة على النطاق، والتي تتكون من (DGs) مفردة أو متعددة، وعلى وجه التحديد، أشارت الأبحاث إلى أن التحكم الموزع قادر على تعزيز تزامن التردد للشبكات الصغيرة عبر اتصال ذي نطاق ترددي منخفض.

كذلك تم اقتراح وحدة تحكم ثانوية متكاملة موزعة لتثبيت التردد الكهربائي مع شبكة اتصالات موزعة، وفي الوقت نفسه حققت الطاقة المشتركة بشكل متناسب بين عدد قليل من (DGs)، وبالنظر إلى تأثير طوبولوجيا الاتصالات غير المؤكدة على استقرار نظام الشبكة المصغرة؛ فقد قدم العمل مخطط تحكم تعاوني موزع لتنظيم تزامن التردد لعدد قليل من (DGs) في (AC microgrid).

علاوة على ذلك، لمزامنة تردد الشبكة المصغرة؛ فإن هناك مخطط تحكم شبكي موزع لتنظيم الشبكات الصغيرة في ظل ظروف اتصال تأخير الوقت، والتي تفيد متطلبات مفاتيح الخط وأداء التوصيل والتشغيل للشبكات الصغيرة، بحيث تمت معالجة عنصر تحكم شبكي قوي وموزع لمزامنة التردد لتحمل فترات عدم اليقين ضمن تبادل المعلومات عبر شبكة اتصالات متفرقة.

تشكيل نطاق المشكلة الخاصة بالشبكة الكهربائية وتحليلها

في هذا القسم، تمت صياغة عملية تطور نموذج بنية الشبكة من الشبكة الموزعة التقليدية إلى الشبكة الموزعة النشطة، وبعد ذلك يتم تقديم بعض المفاهيم الأساسية لمعرفة الرسم البياني للجبر من نظرية الشبكات المعقدة.

تطور شبكة التوزيع النشطة ذات الجهد المنخفض

كما هو مبين في الشكل التالي (1) [c -a]، فإنه يمكن تمديد شبكات التوزيع الحالية إلى شبكة على شكل شجرة أو شبكة على شكل نجمة أو شبكة دائرية، بحيث تُستخدم هذه الشبكات الثلاث على نطاق واسع في شبكة الطاقة الفعلية، ولكل شبكة نطاق تطبيق مختلف

وعلى وجه التحديد تعتبر الشبكة على شكل شجرة مناسبة لمواقع البناء الصغيرة وورش المعالجة الميكانيكية وورش الآلات الكهربائية أو ورش الأدوات التي يتم توزيع حمولتها بشكل موحد واستهلاك الكهرباء أقل من (200) كيلو فولت أمبير، ومع ذلك في موقع البناء المهم مع معدات ذات سعة كبيرة ومتطلبات جودة بناء عالية؛ فإن الشبكة على شكل نجمة هي الخيار الأول.

كما أنها قابلة للتطبيق في الأماكن التي يتركز فيها الحمل نسبياً والرطوبة والتآكل وما إلى ذلك، والتي لها متطلبات خاصة لإمدادات الطاقة، وفي الوقت نفسه تتمتع الشبكة ذات الشكل الدائري بأفضل موثوقية في إمداد الطاقة بين هذه الشبكات الثلاث، وهي مناسبة للمستهلكين الذين لديهم طلب أعلى على موثوقية إمدادات الطاقة الكهربائية.

ووفقاً لشبكة التوزيع الحالية؛ فإنه يمكن دمج (DGs) واسعة النطاق في أنظمة توزيع الجهد المنخفض دون الحاجة إلى تحويل إضافي، وبالتالي منخفضة التكلفة، وفي هذا القسم الفرعي يتم الأخذ في الاعتبار حالة (DGs) واسعة النطاق المدمجة في أنظمة التوزيع الحالية ذات الجهد المنخفض، مما يؤدي إلى انخفاض تكلفة الاستثمار بسبب عدم الحاجة إلى تحويل إضافي.

كما يتضح من مخطط الأسلاك لشبكة التوزيع ذات الجهد المنخفض (الشكل 1)، بحيث تمثل الأسهم السوداء الطرف الخارج من النواقل في عملية التطور، بحيث يتم توجيه المحول والمحطة الصادرة إلى (DGs) مرتبطة بالشبكة الكهربائية، وبمعنى آخر يتم دمج (DGs) واسعة النطاق في أنظمة توزيع الجهد المنخفض في طوبولوجيا على شكل نجمة أو على شكل دائرة أو على شكل شجرة، وذلك كما هو موضح في الشكل (2).

ومن أجل تبسيط النموذج وتسهيل الحساب، تظهر الحاجة الى بناء طوبولوجيا لشبكات التوزيع ذات الجهد المنخفض الثلاث التي تحتوي على مخططات توزيع واسعة النطاق مرتبطة بالشبكة الكهربائية.

نظرية الرسم البياني

يمكن النظر إلى الشبكة المعقدة على أنها رسم بياني (G) مع مجموعة من العقد (N V = {θ1 ، θ2 ، ⋯ θN}) ومجموعة من الحواف (E∈V × V)، حيث تتوافق كل حافة في مجموعة الحافة (E) مع نقطتين في النقطة مجموعة (V)، خاصةً إذا تم توصيل مجموعات مختلفة من نفس النقطة (i ، θj) و (j ، θi) على نفس الحافة، كما يصبح الرسم البياني غير موجه، وهناك مصفوفة التقارب (A = [aij]) تمثل وزن كل حافة في الرسم البياني، وهما (aii = 0) و (aij> 0).

كذلك يتم تعريف الرسم البياني غير الموزون على أنه (aij = 1)، وعند إعطاء أوزان مختلفة؛ فإنه يسمى الرسم البياني الرسم البياني الموزون، كما يتم تعريف عدد العقد الأخرى المتصلة بالعقدة (θi) على أنها درجة (ki)، بالإضافة الى مصفوفة لابلاس (L)، وهي مصفوفة متماثلة محصلتها صفر من الرسوم البيانية غير الموجهة، حيث (lii = ∑i ≠ jaij ، lij = −aij).

كذلك يمكن وصف قدرة التزامن لشبكة ما من خلال ثاني أكبر قيمة ذاتية (λ2) أو نسبة القيمة الذاتية (N / 2) لمصفوفة الجوار (A)، كما تحتوي طوبولوجيا الرسم البياني الكلاسيكية غير الموجهة على شبكات مقترنة بالكامل وشبكات العالم الصغير (NW) وشبكات خالية من المقاييس.

أيضاً تم تصميم هذه الدراسة لتحديد تأثير استقرار التزامن لشبكات التوزيع النشطة ذات الجهد المنخفض مع (DGs) على نطاق واسع في طوبولوجيا مختلفة، كما تم وصف ثلاثة نماذج بالتفصيل بما في ذلك شبكة على شكل نجمة وشبكة على شكل شجرة وشبكة على شكل دائرة تطورت من الشبكات التقليدية الموزعة الحالية.