نظام التوزيع المعياري للتحقيق في الشبكات الكهربائية الصغيرة

أهمية نظام التوزيع المعياري للتحقيق في الشبكات الكهربائية الصغيرة

مع استمرار انتشار الأنظمة الكهروضوئية على الأسطح ووحدات تخزين الطاقة المنزلية في الأماكن السكنية، يتغير مشهد أنظمة التوزيع بسرعة، كما يجب أن يكون نظام التوزيع الحديث في حي سكني قادراً على استيعاب العديد من وحدات تخزين الطاقة والتوليد المدمجة، وفي كل من التكوينات أحادية أو ثلاثية الطور.

وفي الواقع، تسمح سعات التوليد والتخزين المحلية هذه بتوصيل مجموعة من هذه الأجهزة معاً لتشكيل شبكة صغيرة أحادية أو ثلاثية الطور لتزويد الأحمال المحلية، بحيث يمكن أن تعمل هذه الأنظمة إما في أوضاع متصلة بالشبكة أو بجزيرة، كما وقد أجبر هذا الاتجاه سريع التطور شركات المرافق المحلية على إجراء تخطيط مكثف والتنبؤ بالحمل لكل من دراسات الحالة المستقرة والسعة الديناميكية وتقييم الموثوقية للبنية التحتية لنظام التوزيع لديها.

على الرغم من أن موضوع أنظمة التوزيع مدروس جيداً، إلا أن معظمهم يركزون على تحليل الحالة الثابتة وإعادة تشكيل الشبكة في بيئة متعددة نقاط التفرع، ونظراً لأن التوليد الموزع ديناميكي بطبيعته وغالباً ما يتأثر بالظروف البيئية، كما يجب على دراسات إدارة الطاقة والتحكم أن تأخذ في الاعتبار السلوكيات العابرة للنظام في الإعدادات السكنية ذات الجهد المنخفض (LV).

وفي كثير من الأحيان، يتم توصيل الأنظمة الكهروضوئية على السطح المملوكة للعائلة ووحدات التخزين القائمة على البطاريات لتشكيل شبكة صغيرة سكنية متصلة بوحدة تغذية أساسية في مرحلة واحدة، وفي هذا الصدد، ليس من المهم فحسب؛ بل من الضروري أيضاً أن يكون لديك تكوين عام لشبكة التوزيع، والذي يمكنه التعامل مع الدراسات المختلفة للشبكات الصغيرة السكنية.

شبكات التوزيع في أمريكا الشمالية كدراسة تجريبية

يوضح الشكل التالي (1-A) نظام توزيع شعاعي بسيط من المحطة الفرعية المحلية للعملاء ذوي الأحمال السكنية، بينما تظهر نفس الشبكة الكهربائية مع وحدات (DG) في الشكل(1-B)، كما يفترض وجود وحدات الطاقة الكهروضوئية والتخزين في منازل العملاء، كذلك يمكن أن تكون هذه الوحدات أيضاً إما مركزية في المرحلة أو وحدة التغذية الأولية أو لشبكة التوزيع، كما يتم تربط المحولات المتتالية المراحل الثلاث لنقل الطاقة المحتمل.

المحطة الفرعية لمحول التوزيع المحلي

على الرغم من أن الهيكل من مصادر الطاقة السائبة إلى شبكة التوزيع يمكن أن يختلف من نظام شعاعي بسيط إلى تكوينات شبكة أكثر تعقيداً؛ فإن المغذيات الأولية لا تزال تخدم منطقة أو منطقة جغرافية بالقرب من المحطة الفرعية المحلية. كما هو مبين في الشكل (1-A)، كما يمكن أن تتفرع وحدة التغذية الأولية إلى عدة دوائر أو جوانب.

كذلك يمكن أن تكون هذه الجوانب في شكل أحادي الطور ويمكن استغلال الجوانب الفرعية لاحقاً، وخاصةً إذا لزم الأمر، بحيث يمكن أن توجد هذه الجوانب في المناطق السكنية أو الريفية، وعادة ما تتكون من موصل أحادي الطور ومحايد، كذلك قد يتم تقديم الأحمال الكبيرة، مثل تلك الموجودة في المدارس والمراكز المجتمعية والمواقع الصناعية المحلية إما عن طريق مغذيات أولية مخصصة تحت الأرض أو علوية، وهم بشكل رئيسي في ثلاث مراحل.

محول التوزيع المحلي للعملاء

تخدم كل مرحلة في وحدة التغذية الأولية مجموعة من الوحدات السكنية، وغالباً ما يتم استخدام محول القطب أحادي الطور المنفصل لتخفيض الجهد إلى أبعد من ذلك لتلبية مستوى الجهد للمستخدمين السكنيين والتجاريين والصناعيين، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، كما تتوفر محولات الطور المنقسمة في كل من (120) فولت و (240) فولت مع محايد مشترك للعملاء، كما يقوم المحول المحلي بتخفيض جهد التغذية من (13.8) كيلو فولت إلى (120) فولت / (240) فولت.

وعند نهاية نقطة العميل (المشترك)؛ فإنه يمكن أن تكون الفولتية لمصدر الطاقة في موقع العميل إما (120) فولت أو (240) فولت من المنافذ الموجهة من محول الطور المحلي المنفصل، كما يتم الحصول على مخرجات الجهد المزدوج هذه بسهولة بين المرحلة والأرض (120 فولت) أو بين مرحلتين (240 فولت، بحيث يتم تمييز مخطط خطي واحد يوضح مثل هذه التخطيطات في الشكل التالي (2).

التوصيلات الكهروضوئية في الوحدات السكنية

في المواقع السكنية، يمكن للعملاء إنشاء وحداتهم الكهروضوئية الخاصة لتعويض استهلاكهم المنزلي أو التصدير إلى الشبكة، وكما يوضح الشكل السابق (2) مخططاً أحادي الخط لوصلة (PV) نموذجية في موقع سكني، وبعد مرحلة المحول يمكن توصيل خرج العاكس الكهروضوئي بلوحة اللوحة الأولية من خلال مفتاح فصل التيار المتردد، كما يتم توصيل لوحة اللوحة الأولية بمقياس منفعة ثنائي الاتجاه، والذي يقيس صافي استخدام الطاقة للأغراض المحاسبية.

القيود في نماذج شبكات التوزيع لدراسات الشبكات الصغيرة السكنية

النماذج الحالية لشبكة التوزيع غير مخصصة للتعامل مع (DGs)، والمقدمة حديثاً لدراسات الشبكة الصغيرة، بحيث يتطلب تركيب عدد كبير من وحدات (DG)، وذلك كما هو موضح في الشكل (1-B) من تحسينات لنماذج شبكة التوزيع الحالية، وفي الأساس تم تحديد القيود التالية لنماذج شبكة التوزيع الحالية:

• تميل معظم دراسات الشبكة المصغرة في الدراسات (كما نوقش في القسم الأول) إلى التركيز على أنظمة ثلاثية الطور، وذلك مع انتشار الأنظمة الكهروضوئية أحادية الطور ووحدات تخزين البطاريات والأحمال الكبيرة قصيرة الأجل (مثل السيارات الكهربائية) على المستويات السكنية.

• مع تركيب وحدات التوليد والتخزين على مراحل، يمكن تشكيل شبكات صغيرة أحادية الطور على مراحل فردية، كما أنها لا تدعم نماذج شبكة التوزيع الحالية سيناريوهات التكوين أحادية الطور هذه للتحكم في التنسيق وإدارة الطاقة داخل كل مرحلة وبين مرحلتين مختلفتين، ويرجع ذلك أساساً إلى عدم التوازن الناتج عن الاختلاف في التوليد والطلب على الحمل.

• تشكل المشكلة التي يتم تناولها هنا تحدياً فريداً لأنظمة التوزيع الحالية، حيث لا توجد نماذج لنظام التوزيع في الدراسات، والتي يمكن أن تستوعب المواقف الواقعية للتوليد والتخزين على مراحل مع التنسيق في وقت واحد يتم تركيب وحدات الطور (DG) في طور (مراحل) مختلفة ثم توصيلها بوحدة تغذية أولية ثلاثية الطور.

• يجب أن يضمن نموذج الشبكة مع استراتيجية التحكم في التنسيق الخاصة به الحفاظ على الجهد والتردد في كل مرحلة من خلال موازنة التوليد والاستهلاك في ظل ظروف مختلفة في تلك المرحلة المعينة، وذلك مع محاولة قدر الإمكان لتحقيق التوازن بين المراحل الثلاث. هذه الميزة غير مدعومة في نماذج نظام التوزيع الحالية.

• تعد مشاركة الطاقة القائمة على المجتمع باستخدام الأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة القابلة للتحكم فكرة جديدة للشبكات الصغيرة أحادية الطور، كما أنه لا يوجد نموذج نظام توزيع قياسي يمكنه توفير إطار عمل موحد للتحقيق في تقاسم الطاقة والحمل بين الشبكات الصغيرة المختلفة في مراحل منفصلة.

• في الوقت الحالي، يمكن للنظام الذي تستخدمه مرافق التوزيع أن يمنح المشغلين تصوراً في الوقت الفعلي للحالة الحالية للشبكة أو مناطق الأعطال أو المناطق الخاضعة للصيانة وما إلى ذلك.

• يمكن الاستفادة من شبكة التوزيع المعيارية المقترحة مع معلمات التكوين المختلفة الخاصة بها وتقييمات المحولات المتتالية وعدم توازن النظام المحتمل مع مصادر |(DG)، كما المتعددة ويمكن تحديد معطيات التحكم.