هندسة التحكم في نظام القدرة لتحسين مرونة الشبكة

أهمية هندسة التحكم في نظام القدرة الموزعة لتحسين المرونة

تعتبر البنى التحتية الكهربائية التي تدعم “المجتمعات الرقمية” الحديثة ضرورية لعملياتها الروتينية، كما ويمكن أن يؤدي الفشل بسبب الأحداث المتطرفة إلى ملايين العملاء بدون كهرباء ومليارات الدولارات من الإنتاجية المفقودة، ومع ذلك وعلى الرغم من أهمية البنية التحتية الكهربائية؛ فإنه ليس من المجدي من حيث التكلفة نشر أصول كافية لتحقيق موثوقية عالية.

ونتيجة لذلك، يواجه عملاء الاستخدام النهائي أحياناً انقطاعات في الخدمة، بحيث يمكن أن تتراوح فترات انقطاع خدمة العملاء من الأحداث الصغيرة التي تؤثر على عميل واحد فقط إلى الأحداث الإقليمية الكبيرة التي يمكن أن تؤثر على ملايين العملاء، كما أن السبب الرئيسي الوحيد لانقطاع التيار الكهربائي هو الأحداث المرتبطة بالطقس.

لذلك؛ فإن الأحداث المتطرفة التي تحدث بشكل طبيعي، مثل “إعصار كاترينا” و”إعصار ساندي” وزلزال توهوكو لها تأثير مضخم لأنها تمتد على مناطق واسعة وتسبب اضطرابات اقتصادية ومجتمعية كبيرة في العقد الماضي في أمريكا الشمالية، كما كان هناك أكثر من (500) من الأحداث الطبيعية المتطرفة التي أثرت على ما لا يقل عن (50000) عميل أو أكثر.

كما أنه من المتوقع أن يزداد معدل هذه الأحداث بسبب تقادم البنية التحتية وتغير المناخ، وعادة تقوم المرافق ببناء وتشغيل أنظمتها لمراعاة الظروف التاريخية العادية، وليس الأحداث المتطرفة لمعالجة تزايد حدوث الأحداث المتطرفة، تتخذ المرافق الإجراءات الأكثر ملاءمة لمناطق الخدمة المحددة الخاصة بها.

كما أصبحت أنظمة الإصلاح الذاتي على مستوى التوزيع خياراً أكثر جاذبية حيث تسعى المرافق إلى حلول أكثر مرونة لمعالجة تحديات الموثوقية والمرونة، وفي حين أن نشر تقنيات الإصلاح الذاتي لديه القدرة على تحسين الموثوقية بشكل كبير، كما تم قياسه بواسطة (IEEE Std. 1366) مقياساً، وغالباً ما يعتمد تشغيلهم على مجموعات من الافتراضات والقيود، والتي يمكن أن تحد من مرونتها.

كما تشمل الافتراضات الشائعة، على سبيل المثال لا الحصر ما يلي:

• الدوائر التي تعمل عادة في تكوين شعاعي.

• التدفقات الطاقة العكسية.

• الوقت الثابت.

• حماية التيار الزائد العكسي.

كما أنها قليلة أو معدومة حقن الطاقة الكهربائية غير المقننة، وذلك في حين أن هذه الافتراضات صالحة للعديد من المجالات، إلا أن هناك العديد من المجالات الأخرى حيث يمكن أن تكون مجموعات إعادة التكوين والاختراقات المتوسطة إلى العالية لموارد الطاقة الموزعة (DERs) ونقاط مجموعة الحماية الثابتة أساساً لمنع نشر تقنيات الإصلاح الذاتي.

ضوابط نظام الطاقة الموزعة الخاصة بنظام تحسين المرونة

تعتبر الضوابط المركزية هي المعيار الحالي لعمليات نظام التوزيع، حيث تتيح مستوى تشغيل أكثر اقناعاً، ومع ذلك يمكن أن تتطلب عناصر التحكم المركزية روابط اتصالات طويلة، وذلك مع تأخيرات مرتبطة بها وقد لا تتسع بشكل جيد عندما يكون هناك عدد كبير من الأجهزة الميدانية؛ بالإضافة إلى ذلك؛ فإن طول روابط الاتصال هذه يمكن أن يجعل نظام التوزيع عرضة للأحداث واسعة النطاق.

التحكم الهرمي مع الوكلاء الموزعين

تتمتع أدوات التحكم الموزعة بالقدرة الكهربائية على دعم مجموعة واسعة من عمليات نظام الطاقة، حيث تم فحص تطبيقها على الشبكات الصغيرة على نطاق واسع في مختلف الدراسات، ونظراً لأن الشبكات الصغيرة مصممة مع القدرة على العمل بشكل مستقل عن نظام الطاقة السائبة في وضع الجزيرة، لذلك؛ فإن لديها القدرة على دعم الأحمال الحرجة أثناء الأحداث الشديدة.

وكل ذلك للعمل بنجاح في وضع النظام، بحيث يجب ألا تعتمد الشبكة الكهربائية الصغيرة على بنية تحتية للاتصالات واسعة النطاق للحفاظ على العمليات الأساسية، مثل تنظيم الجهد والتردد، كما يفحص هذا القسم التحكم في التردد لشبكة صغيرة كحالة استخدام لتنفيذ عناصر التحكم الموزعة.

وفي نظام الطاقة المركزي التقليدي، وعندما يكون هناك تغيير كبير في الحمل أو تغيير كبير في إرسال التوليد، تعمل أدوات التحكم في التردد على ثلاثة مستويات، بحيث يمكن أيضاً وضع نظام ثلاثي المستويات في الاعتبار عند تشغيل شبكة صغيرة في وضع الجزر على مستوى التوزيع باستخدام عناصر تحكم موزعة.

كما تُظهر المخططات في الشكل التالي التشغيل المثالي للتحكم في التردد الكهربائي الأولي والثانوي والثالث لشبكة صغيرة أثناء فقدان وحدة توليد، بحيث تستند المعلومات الواردة في الشكل التالي (1) إلى عمل (Eto) وتطبيقها على الشبكات الصغيرة تحديداً، كما وتجدر الإشارة إلى أن أوقات الاستجابة التي تظهر في الشبكات المصغرة تكون في حدود الثواني، في حين أن الأنظمة المجمعة عادةً ما تكون في حدود الدقائق.

كما يمكن تنفيذ التحكم المثالي في التردد الموزع الموضح في الشكل السابق، وذلك باستخدام نظام موزع متعدد العوامل (MAS)، بحيث يستخدم (MAS) الموضح في الشكل التالي (2) ثلاث طبقات  وهي مماثلة للتحكم المركزي في نظام الطاقة السائبة، ولكنها موزعة لعمليات الشبكة الصغيرة.

وفي طبقة التحكم الأولية، يكون الوكلاء المحليون مسؤولين عن تقاسم الطاقة بين المولدات الكهربائية والتحكم في الجهد الكهربائي وتنظيم التردد، كما أنه من المفترض أن هناك عوامل تحكم لكل جهاز نشط، والتي يمكن أن تشمل الكهروضوئية وأنظمة تخزين طاقة البطارية (BESSs) والأحمال، بحيث يتم تحقيق ذلك غالباً باستخدام وحدات تحكم من النوع المتدلي، والتي تعمل بشكل مستقل على كل وحدة منفصلة.

وفي الحالات القصوى، يمكن أن يشارك فصل الأحمال في التحكم الأساسي في التردد، بحيث يمكن أن تشمل وحدات التوليد آلات دوارة ومحولات تشكيل الشبكة إن وجدت، لذلك  لا تدعم المحولات الت تتبع الشبكة التحكم في التردد الأساسي، كما يعمل التحكم الأساسي في التردد على إيقاف الانخفاض الأولي في التردد واستعادة التردد جزئياً، ولكنه لا يعيده إلى الاسمي.

وهناك طبقة التحكم الثانوية مسؤولة عن إرسال الأصول لاستعادة التردد والجهد الكهربائي إلى القيم الاسمية بعد حدوث التحكم الأساسي، وفي الشكل (2) يظهر هذا كعامل التنسيق المركزي (CCA)، بحيث يمكن أن يحدث التحكم في التردد الثانوي باستخدام وحدة تحكم ثانوية غير مرتبطة بمولد واحد، مثل وحدة تحكم (Woodward easYgen-3000) أو وحدة تحكم (microgrid) مخصصة.

لذلك تعيد طبقة التحكم في التردد الثالث إرسال الوحدات وربما تغير التزام الوحدة، وذلك لاستعادة الاحتياطيات التي تم إنفاقها أثناء تشغيل التحكم في التردد الأولي والثانوي لتحقيق الإرسال الأمثل، بحيث يحدث التحكم في التردد الثلاثي عادةً في وحدة مثل وحدة التحكم المركزية microgrid) (MGCC)).

وفي هذا النوع من النظام ثلاثي الطبقات، بحيث يتم توزيع التحكم على عوامل متعددة في جميع أنحاء النظام، وبشكل عام؛ فإنه لن يؤدي فشل وكيل واحد أو فقدان الاتصال بين الوكلاء، مما يؤدي إلى انهيار النظام بشكل كامل أو جزئي على سبيل المثال، لذلك قد يؤدي فقدان الاتصالات إلى جهد أو تردد خارج الاسمي بسبب إجراءات التحكم في التدلي ونقص التحكم في التردد الثانوي، ولكن التردد والجهد سيكونان مستقرين على الأغلب.