أنظمة الطاقة الكهربائية المترابطة القائمة على الطاقة المتجددة

تحليل أنظمة الطاقة الكهربائية المترابطة القائمة على الطاقة المتجددة

مع زيادة نشر الطاقات المتجددة، واجهت أنظمة الطاقة الحديثة العديد من التحديات فيما يتعلق بتصميم النظام وتشغيله والتحكم فيه، كما أصبحت ضرورة اكتشاف وحدات تحكم جديدة ذات قدرات تخميد تذبذبات النظام قضية مهمة، لا سيما مع مستويات الاختراق العالية المستهدفة للطاقات المتجددة، إلى جانب ذلك هناك حاجة إلى اعتبارات خاصة للتصميم والتحكم وإدارة أنظمة الطاقة المستقبلية التي يتم اختراقها بشكل كبير مع مصادر الطاقة المتجددة (RESs).

لذلك لقد أجبرت الميزة المتقطعة للخلايا الكهروضوئية (PV) وطاقات الرياح نظام الطاقة على أن يكون لديه تقنيات واستراتيجيات مختلفة ليكون أكثر مرونة وكفاءة في تعويض اختلافات الحمل أو التوليد، لذلك يتم تضمين أنظمة تخزين الطاقة (ESS) بطبيعتها للتغلب على مشاكل عدم توازن الطاقة وانحراف التردد من أجل الحفاظ على استقرار النظام، ومن ثم تعتبر (ESSs) العنصر الأكثر أهمية في أنظمة الطاقة الحديثة حيث يمكنها العمل على الفور لمعالجة أي اختلال في توازن الطاقة أو اختلافات في الأحمال الكهربائية.

كما تم تجهيز نماذج نظام الطاقة بحلقات تحكم مختلفة، مثل أنظمة التحكم الأولية والثانوية والثالثة، حيث أن كل من حلقات التحكم الأولية والثانوية مسؤولة عن تنظيم واستعادة تردد النظام الكهربائي، كما تُستخدم حلقة التحكم الأولية لإخماد التغييرات الصغيرة في انحرافات التردد في التشغيل العادي، ومع ذلك بالنسبة لانحرافات التردد الكهربائي الأكبر؛ فإنه يتم استخدام حلقة التحكم الثانوية، والتي تُعرف باسم التحكم في تردد التحميل (LFC).

ولتنظيم تردد المنطقة وفقاً للظروف الأصلية والحفاظ على طاقة خط الربط المجدولة في أنظمة الطاقة وفقاً للطاقة احتياطي؛ فإنه في الآونة الأخيرة ومع زيادة استخدام المركبات الكهربائية (EVs)، ظهر مفهوم السيارة للشبكة (V2G)، حيث تُستخدم بطاريات المركبات الكهربائية لفصل أجيال النظام ومتطلبات التحميل.

وعندما لا تولد مصادر الطاقة المتجددة طاقاتها المتوقعة، لذلك من خلال التحكم الصحيح في بطاريات (EV) باستخدام محولات ثنائية الاتجاه متصلة بالشبكة الكهربائية؛ فإنه يُسمح لبطاريات (EV) بالشحن والتفريغ لدعم تغييرات الحمل وضبط تردد الشبكة الكهربائية.

نمذجة عناصر نظام الطاقة الكهربائية

نمذجة (EV): من أجل استكشاف تأثير المركبات الكهربائية على (LFC)؛ فإنه يلزم حساب طراز (EV) لخصائصه الداخلية، وفي النظام المدروس تم اعتبار محطتين للمركبات الكهربائية بمثابة (ESS) للتعاون مع (LFC) للتخفيف من اختلال التوازن بين الطلب على الحمل والتوليد الكهربائي، وفي الشكل التالي (1) تم تطوير نموذج ديناميكي دقيق للمركبة الكهربائية، حيث يتم تقديم الدائرة الكهربائية المكافئة التفصيلية.

كما تم اعتماد نموذج (Thevenin) المكافئ (EV)، وهو يتألف من مصدر جهد دائرة مفتوحة، وهو عبارة عن وظيفة في حالة شحن البطارية الأولية (SOC) ومتصل في سلسلة بمقاومة سلسلة (Rs) وفرع (RC) متوازي (Rt ، Ct)، والذي يصف الزائدة العابرة تأثير الجهد الكهربائي، بحيث يتم الحصول على جهد (EV) الطرفي عن طريق الجمع بين جهد الدائرة المفتوحة وهبوط الجهد عبر مقاومة السلسلة وانخفاض الجهد عبر فرع (RC) كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كما تُستخدم معادلة (Nernst) لتنفيذ العلاقة بين (Voc) و (SOC) من (EV) كما يلي:

حيث تتوافق Voc (SOC) و (Vnom) و (Cnom) مع جهد الدائرة المفتوحة (EV) كدالة للجهد الاسمي (EV) (SOC) والجهد الاسمي (EV) والسعة الاسمية في (Ah) على التوالي، حيث يمثل (S) معلمة الحساسية بين جهد الدائرة المفتوحة و (SOC) لـ (EV)، وذلك بالإضافة إلى ذلك، كما تتوافق (F ، T ، R) مع ثابت فاراداي ودرجة الحرارة وثابت الغاز على التوالي.

نمذجة وحدات التوليد: في هذا الطرح يشتمل نظام الاختبار المقترح على منطقتين، حيث توجد محطات طاقة حرارية ومائية و شمسية وطاقة الرياح مع (EV) كنظام تخزين وأنواع متغيرة من اضطراب الأحمال، كما يوضح الشكل التالي (2) المخطط العام للمناطق المترابطة لنظام الطاقة الكهربائية المختبَر باستخدام خط الربط لتبادل الطاقة بين المنطقتين.

لذلك يوضح الشكل التالي (3) مخطط الكتلة لنظام القدرة المترابط ثنائي المنطقة المختبر مع نموذج المركبات الكهربائية، كما وترد المعطيات الرئيسية لنظام القدرة المختبَر في الجدول التالي (1) بناءً على النظام الكهربائي المعتمد.

لذلك تظهر وظيفة التحويل لمحطة التوليد الحراري في الشكل التالي (4)، كما ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:

حيث أن:

[Gg (s) و Gt (s)]: هما حاكم محطة توليد الطاقة الحرارية والتوربينات.

(Tg و Tt): هما ثابتان زمنيان للمحافظة على التوربينات على التوالي.

أيضاً تظهر وظيفة النقل لمحطة التوليد الهيدروليكية في الشكل التالي (5)، كما ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:

حيث إن (T1 ، TR ، T2): هي الثوابت الزمنية للمحافظة، التدلي العابر، ووقت إعادة ضبط الحاكم الهيدروليكي على التوالي، في حين أن (Tw) هو وقت بدء أقلام الماء.

نظام التحكم الكهربائي والمراقبة المقترح

هناك العديد من وحدات التحكم بالترتيب المتكامل والترتيب الجزئي في الدراسات، بحيث يمكن نمذجة وظائف النقل لوحدات التحكم شائعة الاستخدام على النحو التالي:

حيث إن:

(Kp): هو الكسب النسبي.

(Ki): هو الكسب المتكامل.

(Kd): هو الكسب التفاضلي.

(λ): هو مشغل تكامل.

(FO ، μ): هو مشغل التمايز.

(FO ، n): هو مشغل إمالة (FO).

كذلك تم تطوير وحدة التحكم المعدلة المقترحة من خلال الجمع بين عناصر تحكم (FOPID و TID)، بحيث يمكن التعبير عن وحدة التحكم المعدلة المقترحة على النحو التالي:

كما تستفيد وحدة التحكم المقترحة كلاً من ميزات أنظمة التحكم (FOPID ، TID)، بحيث يضيف توظيف (FOPID) مزيداً من المرونة والتعامل مع الاضطرابات في نطاقات واسعة، كما يمكن لـ (FOPID) التعامل مع أهداف متعددة في نفس الوقت لنطاقات ديناميكية تشغيل أوسع مقارنة بنوع (PID) ذو الترتيب المتكامل، وعلاوة على ذلك، يوفر دمج الجزء المائل إمكانات محسّنة لرفض الاضطراب، ووهذا بدوره يوفر متانة معززة للنظام تجاه عوامل عدم اليقين.

في عنصر التحكم المقترح، يتم اختيار وحدة التحكم للتحكم في (LFC) بالإضافة إلى المركبات الكهربائية في كل منطقة، كما تتم إدارة جهازي التحكم بطريقة تعاونية تؤدي إلى التخلص من تقلبات تردد المنطقة الفردية واضطرابات طاقة خط الربط. علاوة على ذلك، لذلك يمكن تحقيق التعزيز المناسب والفعال لاستجابة النظام من خلال التحديد الأمثل لكل معلمات تحكم.

وكما هو موضح أعلاه، تمثل وحدة التحكم المقترحة الجديدة مجموعة من وحدات تحكم (FOPID و TID) الفعالة من الدراسات، كما تؤدي تعديلات وحدة التحكم (TID) عن طريق إضافة مكونات (FOPID) إلى متانة واستقرار نظام الطاقة المترابط، بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يقلل من الوقت العابر في حالة حدوث اضطرابات مختلفة.

وعلاوة على ذلك، تُظهر وحدة التحكم المقترحة الجديدة مزيداً من الحرية والمرونة من التحكم (TID) التقليدي، كما يتم عرض وحدات التحكم المقترحة ذات العناصر المختلفة في الرسم التخطيطي المبسط في الشكل التالي (6).