نهج تقييم الجهد الكهربائي المنخفض ومراعاة محاكاة الدقة

تم زيادة انتشار الخلايا الكهروضوئية (PV) في أنظمة التوزيع الكهربائية في جميع أنحاء العالم، بحيث يمكن أن يتسبب التوليد المتقطع للطاقة الكهروضوئية في حدوث مشكلات تشغيلية متنوعة في الشبكة الكهربائية؛ خاصةً انحرافات وانتهاكات الجهد الكهربائي، ونتيجة لذلك؛ فإن تقييم الجهد في أنظمة التوزيع المترابطة مع الطاقة الكهروضوئية، والتي لديها عبء حسابي ثقيل، كما يتمتع بامتياز لمساعدة مرافق الطاقة في اتخاذ القرار.

أهمية الوصول الى نهج تقييم الجهد الكهربائي المنخفض

تتضمن أنظمة الطاقة الحديثة وحدات لامركزية للمولدات الكهربائية الموزعة صغيرة الحجم (DG) متصلة بأنظمة توزيع الجهد المنخفض أو المتوسط، وذلك لتلبية الجوانب البيئية والاقتصادية، بحيث يتم تركيب وحدات الطاقة الكهروضوئية (PV) وطاقة الرياح (DG) على نطاق واسع لتغذية الأحمال الكهربائية التجارية أو السكنية القريبة بالكهرباء، وبشكل ملحوظ؛ فإنه يمكن تغيير تدفق الطاقة في خطوط التوزيع من أحادي الاتجاه إلى ثنائي الاتجاه بسبب حقن الطاقة المتقطعة لوحدات (DG) المتجددة.

كما يستخدم مخططو ومشغلي أنظمة الطاقة أدوات حسابية لدراسة التأثيرات المحتملة لوحدات (DG)، والتي يمكن أن تحدث في أوقات مختلفة من العام، مثل انتهاكات الجهد وفقدان الطاقة المفرط، ولتحليل تأثير وحدات (DG) على أنظمة التوزيع الحديثة، كما يجب استخدام بيانات عالية الدقة للوقت لتمثيل بدقة خرجها المتقطع بالإضافة إلى الأحمال المتقلبة.

ومع ذلك؛ فإن أدوات اللقطات التقليدية غير كافية لدراسة جميع التأثيرات المحتملة لوحدات (DG) هذه، ولذلك تم اقتراح العديد من طرق تحليل السلاسل الزمنية شبه الساكنة (QSTS) لدراسة الجوانب المعتمدة على الوقت لتدفق الطاقة، مثل التفاعل بين تقلبات الخرج الكهروضوئي والحمل وأجهزة التحكم، بحيث يهدف تحليل (QSTS) إلى توفير تحليل السلاسل الزمنية لأنظمة التوزيع من خلال إجراء خوارزميات تدفق طاقة التوزيع لجميع اللحظات الزمنية خلال الفترة المدروسة.

وبشكل عام؛ فإن طرق تحليل (QSTS) هذه لها عبء حسابي كبير، خاصة بالنسبة لعمليات المحاكاة السنوية أو طويلة المدى مع بيانات الدقة الدقيقة (أي خطوة زمنية من 1 ثانية)، بحيث تمت مناقشة التحديات في تقليل العبء الحسابي لعمليات محاكاة (QSTS)، بما في ذلك عدد تدفقات الطاقة التي سيتم حسابها وتحليل المحاكاة الشامل مع بيانات الدقة الدقيقة والاعتماد على الوقت بين الخطوات الزمنية وحلول تدفق الطاقة المتعددة الصالحة.

التقنيات المقترحة لتقييم مسألة الجهد الكهربائي المنخفض

في الدراسات، تم اقتراح العديد من التقنيات لتقليل العبء الحسابي لتقييم الجهد في أنظمة التوزيع مع التوليد المتجدد، بحيث تعمل هذه التقنيات إما على تقليل عدد تدفقات الطاقة المطلوب حلها أو تقصير الوقت الحسابي لطرق تدفق الطاقة الكهربائية، كما تم تقديم تقنية تحليلية معممة لتقييم تأثيرات (PV) على أنظمة التوزيع الشعاعي.

كما تم اقتراح نهج قائم على الفهرس لتقييم تأثير الكهروضوئية مع التوليد الغني، وذلك مع الأخذ في الاعتبار ظاهرة ارتفاع الجهد الكهربائي وكذلك تدفق الطاقة العكسي، كما تم اقتراح نهج تقييم الجهد لأنظمة التوزيع باستخدام الكهروضوئية، بحيث يتم استخدام نافذة منزلقة متغيرة العرض، وهناك طريقة مقترحة لتقييم الجهد بناءً على تقنيات الانحدار والتصحيح مع التوليد الكهروضوئي المتقطع والأحمال المتقلبة.

وهناك منهجية لتقييم الجهد الأولي على أنظمة التوزيع المترابطة مع تغلغل (PV)، وبناءً على محاكاة السلاسل الزمنية؛ فإن هناك نهجاً عددياً لمحاكاة التأثيرات الكهروضوئية على أنظمة التوزيع، وذلك باستخدام نماذج التوليد والحمل الكاملة، بالإضافة الى تخزين وإعادة تعيين حلول تدفق الطاقة أثناء محاكاة السلاسل الزمنية في أنظمة التوزيع.

كما تم استخدام تقنية التجميع لتقليل دقة بيانات الحمل وسيناريوهات (DG) وحساب تدفق الطاقة للنقط الوسطى من المجموعات فقط، كما تم استغلال أساليب أخذ العينات السفلي وتكميم المتجهات لتقصير وقت تنفيذ عمليات محاكاة (QSTS)، كما تم اقتراح نهج (QSTS) المتغير الخطوة للتحليل السريع لتأثيرات الطاقة الكهروضوئية على أنظمة التوزيع.

والجدير بالذكر أن معظم الدراسات تختزل عينة أو تجمع أو تكمي البيانات الدقيقة لتقليل عدد تدفقات الطاقة المطلوبة لإكمال عمليات المحاكاة طويلة الأجل (على سبيل المثال، سنة واحدة)، ومع ذلك؛ فإن استخدام البيانات منخفضة الدقة يؤدي إلى عمليات محاكاة غير دقيقة.

النهج المقترح لحل مشكلة اضطراب الجهد ومراعاة محاكاة الدقة

يمكن اعتبار تكامل الوحدات الكهروضوئية ذات الاختراقات العالية في أنظمة التوزيع تحدياً للمرافق، بحيث تتميز هذه المولدات الكهروضوئية الموزعة بخصائص متقطعة بسبب تقلبات الأحوال الجوية، وخاصة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة، على سبيل المثال يوضح الشكل التالي (1) قدرة الخرج النشطة للطاقة الكهروضوئية خلال الأيام الصافية والغيوم والممطرة.

وكما هو موضح؛ فإنه يمكن أن تحتوي ملفات تعريف توليد الطاقة الكهروضوئية على اختلافات كبيرة فيما يتعلق بالأيام المختلفة، وعلاوة على ذلك وبالنسبة لجميع الأيام (باستثناء اليوم الصافي)، يتم ملاحظة تقلبات مفرطة تتطلب محاكاة دقيقة (من حيث الثواني) لتقييم التأثيرات الكهروضوئية على الفولتية، ونتيجة لذلك يتم تنبيه مستويات الجهد في نظام التوزيع المستضاف حسب الشكل التالي (2).

وبشكل كبير، كما أن تقييم الجهد في مرحلة التخطيط وحتى مرحلة تشغيل الطاقة الكهروضوئية أمر ضروري، ولهذا الغرض؛ فإن هناك حاجة إلى حلول تدفق الطاقة المتسلسلة الزمنية المكثفة، والتي تتطلب تكاليف حسابية باهظة من حيث وقت وحدة المعالجة المركزية، وبناءً على هذا القيد؛ فإن هناك نهجاً سريعاً لتقييم الجهد في أنظمة التوزيع باستخدام الطاقة الكهروضوئية.

حل مشكلة اضطراب الجهد

كما يحسب النهج المقترح الفولتية (PCC)، والتي تمثل الفولتية الطرفية للوحدات الكهروضوئية وانحراف الجهد في نظام التوزيع بأكمله بناءً على نموذج يعتمد على البيانات، كما تم تصميم هذا النموذج باستخدام تقنية التعلم الآلي مع مراعاة السيناريوهات المختلفة للوحات الكهروضوئية وملفات تعريف التحميل وذلك على عكس الأساليب الحالية التي يمكن أن تستغرق ساعات لتقديم عمليات محاكاة سنوية لأنظمة التوزيع، بحيث يمكن للنهج المستند إلى البيانات المقترح أن يقدم مثل هذه المحاكاة السنوية.

ولإثبات فعالية النهج المقترح؛ فقد تم اختباره على أنظمة التوزيع المترابطة مع الوحدات الكهروضوئية مع الأخذ في الاعتبار عمليات المحاكاة اليومية والسنوية، كما تؤكد نتائج المحاكاة على الدقة العالية والعبء الحسابي الضئيل للنهج المقترح مقارنة بالطرق القائمة على التكرار مع كل من عمليات المحاكاة الدقيقة والخشنة.

وفي هذا الطرح تم اقتراح نهجاً سريعاً ودقيقاً لتقييم الجهد في التوزيع المترابط مع الكهروضوئية باستخدام محاكاة الدقة الدقيقة، كما ويعتمد النهج المقترح على النماذج المدروسة، والتي تعتمد على البيانات باستخدام تقنيات التعلم الآلي مع الأخذ في الاعتبار السيناريوهات المختلفة لملفات التعريف الكهروضوئية والحمل الكهربائي، وهي الميزة الرئيسية للنهج المقترح هي أنه يمكن حساب الانحراف الكلي للجهد والجهد الطرفي للوحدات الكهروضوئية بدقة في وقت قصير جداً.