استراتيجية تدفق الطاقة الكهربائية المثلى على نطاق متعدد الأوقات

تحليل تدفق الطاقة الكهربائية الأمثل على النطاق متعدد الأوقات

على مدى العقد الماضي، تطورت تقنيات توزيع الطاقة الحالية (DC) بسرعة، بحيث يمكن تطبيق المزايا التقنية الرائعة لتقنيات توزيع التيار المستمر لحل المشكلات المرتبطة بشبكات توزيع التيار المتناوب التقليدية (AC)، كما وتشمل هذه المشاكل تسهيل التكامل على نطاق واسع لموارد الطاقة الموزعة (DERs) وتحسين قدرات توزيع الطاقة مع تقليل الحاجة إلى إمدادات طاقة إضافية.

ومع ذلك، يجب أن تعتمد شبكات توزيع طاقة التيار المستمر عادةً أوضاع تشغيل مختلفة لاستيعاب أنواع مختلفة من (DERs) والأحمال الكهربائية، لذلك تتطلب شبكات توزيع الطاقة بالتيار المستمر إدارة طاقة متقدمة، كذلك التدفق الأمثل للطاقة (OPF) هو المكون الأساسي لأنظمة إدارة الطاقة المتقدمة (EMSs) مع الدور المهم لضمان التشغيل الاقتصادي والآمن والموثوق لشبكات توزيع التيار المستمر.

كما تم تحقيق إنجازات ملحوظة في تطوير استراتيجيات (OPF) لشبكات طاقة التيار المستمر في جميع أنحاء العالم، وعلى سبيل المثال تم اقتراح خوارزمية تحسين سرب الجسيمات التكيفية (PSO) بناءً على نظرية التحكم الضبابي لتحسين تدفق الطاقة مع مراعاة كل من فقد الطاقة النشطة وجودة الجهد الكهربائي، كما تم اقتراح طريقة جدولة تنسيق متعددة الأوقات تعتمد على التحكم التنبئي النموذجي (MPC) لمعالجة المشكلات المرتبطة بالاستجابة المفاجئة لتنظيم الوحدة وأخطاء التتبع الكبيرة.

أيضاً هناك طريقة إرسال متعددة المراحل واستراتيجية تنسيق حمل شبكة المصدر تعتمد تكلفة محطة تخزين الطاقة (ESS) وتكلفة التشغيل حيث تم تطوير أهداف التحسين للشبكات الصغيرة ذات الجهد المتوسط ​​والمنخفض، بالإضافة إلى ذلك تمت دراسة مجموعة متنوعة من خوارزميات التحسين بشكل منفصل وأثبتت جدواها لإجراء (OPF) باستخدام فقد طاقة شبكة التوزيع وتكلفة التشغيل كأهداف التحسين.

كما تتضمن هذه الخوارزميات الخوارزمية الجينية (GA) وخوارزمية تحسين الجغرافيا الحيوية والتطور التفاضلي والفرز غير المسيطر (GA II (NSGA-II)) والبرمجة غير الخطية ذات العدد الصحيح المختلط طريقة النقطة الداخلية وخوارزمية “لاغرانج” المضاعفة التقليدية، بحيث تم إجراء تحسين تدفق الطاقة أيضاً لأنظمة (microgrid) المستقلة باستخدام تكلفة تشغيل الشبكة الكهربائية الصغيرة وتكلفة الانبعاثات كأهداف التحسين، وتم التحقيق في آثار استخدام (ESS) على أهداف التحسين.

لذلك أشارت النتائج إلى انخفاض تكاليف التشغيل والانبعاثات عند استخدام المعيار البيئي والاجتماعي (ESS)، بحيث تشير المناقشة السابقة إلى أن البحث السابق ركز بشكل أساسي على النمذجة الرياضية وحل الخوارزمية وجدولة استراتيجية تحسين الخصائص لمختلف أهداف التحسين لأنظمة الشبكة الصغيرة، كما ركزت دراسات قليلة على استراتيجيات الضبط والتحكم لأهداف التحسين المتعددة مع مراعاة قيود محطة طاقة التيار المستمر وأنماط التشغيل المتعددة.

هيكل شبكة الكهرباء الحضرية طراز MVDC

تفترض هذه الدراسة وجود حالة وجود مجموعة توليد طاقة للطاقة المتجددة بالقرب من مركز حضري، لذلك من المفترض أنه يمكن توصيل مجموعة (DER) بشبكة توزيع (MVDC) بطريقتين محتملتين، وهما إما كشبكة طاقة متوسطة الجهد أو كشبكة لامركزية منخفضة الجهد الكهربائي، بحيث تتبنى شبكة توزيع (MVDC ± 10 kV)، وهي بنية الدائرة الكهربائية الحلقية الموضحة في الشكل التالي (1) وتتألف من ثماني عقد يُشار إليها بالرمز (P1-P8).

كما تستوعب الشبكة اتصال كل من محطة الطاقة الكهروضوئية كبيرة السعة (P6) ومزرعة الرياح (P3) وقد تشمل محطة محول التيار المستمر (P1) ومحطة محول التيار المتردد (P8) التي يمكن استخدامها لتصدير طاقة الطاقة المتجددة أو استيراد الطاقة من شبكات المرافق الأخرى، بحيث يتم توزيع محولات الجهد المنخفض كأجهزة صغيرة متصلة بشبكة الطاقة في شبكة ميكروية منخفضة الجهد (DC-LVDC) بقدرة كهربائية مقدارها (750) فولت.

أيضاً تستوعب شبكة توزيع (MVDC) نوعين من الأحمال، وهما حمل تدفق طاقة أحادي الاتجاه وحمل تدفق طاقة ثنائي الاتجاه، كما أن جميع الأحمال متصلة بشبكة توزيع التيار المباشر بواسطة محطات محول عكسي تشمل الأحمال محطة طاقة مترو أنفاق (P2) ومحطة (ESS -P5) ومحطة طاقة (LVDC) الصناعية (P7) ومحطة كهرباء منطقة سكنية (P4).

وفيما بعد يتم عرض ظروف الطاقة والحمل في السيناريو المفترض في الجدول (AI) وهي مشتقة من شبكة توزيع (IEEE) القياسية المكونة من (13) عقدة بعد التعديل، وفي هذا السيناريو عندما يعمل (MVDC) في وضع متصل بشبكة المرافق؛ فإن امتصاص وتسليم توليد طاقة (DER) هما أهداف التحكم الرئيسية، وعندما يعمل (MVDC) في وضع التشغيل خارج الشبكة؛ فإن سلامة إمداد الأحمال هي هدف التحكم الرئيسي.

إدارة هدف التحسين المرتبط بتدفق الطاقة الكهربائية الأمثل

نموذج تحسين اليوم المستقبلي: في الوضع المتصل بشبكة المرافق، يتم أخذ الحد الأقصى لاستخدام (DER) والحد الأدنى من فقدان طاقة الشبكة كأهداف للتحسين، وفي وضع التشغيل خارج الشبكة أو الجزيرة؛ فإنه يكون الهدف الأساسي هو تقليل فقد الحمل والهدف الثانوي هو تقليل تقليص (DER) وفقدان طاقة الشبكة.

نموذج التحسين خلال اليوم: كما تمت مناقشته سابقاُ؛ فإنه يتمثل الهدف الأساسي لتحسين الإرسال خلال اليوم في تقليل الانحرافات بين قيم (SOC) الفعلية والمتوقعة لبطاريات (NES) في (ESS) وتقليل الانحرافات بين القيم الفعلية والمتوقعة لـ (Dloss ،Ploss)، بحيث يتم التحسين النتائج تقترب من هدف التحسين الشامل اليومي.

شروط التقييد: تنقسم شروط التقييد الى خمسة قيود.

• قيود معادلة تدفق الطاقة.

• قيود حدود السلطة.

• قيود جودة الطاقة.

• قيود (SOC) لـ (ESS).

• قيود هامش تنظيم محطة توليد الكهرباء.

وأخيراً أصبحت شبكات الطاقة (DC) القائمة على تقنية (DC) المرنة ذات الجهد الكهربائي العالي وسيلة شائعة لتسهيل التكامل على نطاق واسع لـ (DERs) وإنشاء شبكات طاقة حضرية متقدمة، وفي هذه الدراسة، تم تحليل طوبولوجيا نموذجية لشبكة توزيع (MVDC) حضرية متقدمة مع (DERs)، بما في ذلك عناصر تخزين طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية والطاقة الكهربائية واستراتيجية (OPF) متعددة الأوقات لشبكة (MVDC) في المرفق المتصل بالشبكة وأنماط التشغيل خارج الشبكة الكهربائية.

وفي وضع التشغيل المتصل بشبكة المرافق؛ فإنه يقلل تحسين اليوم المسبق كلاً من (Dloss) و (Ploss)، ومع ذلك في وضع التشغيل خارج الشبكة؛ فإن تحسين هدف اليوم السابق يعطي الأولوية لتقليل (Lloss) وثانياً يقلل (Dloss) و (Ploss)، بحيث يتم استخدام طريقة الترجيح الديناميكي لتحويل مشكلة التحسين متعددة الأهداف إلى مشكلة (QCQP)، كما يمكن حلها عبر الطرق القياسية.

وأثناء الجدولة خلال اليوم؛ فإنه يعطي تحسين الهدف الأولوية لضمان الحد الأدنى من الانحراف بين القيمة الفعلية والقيمة المتوقعة لـ (SOC) لـ (ESS)، وثانياً يسعى لتقليل (Dloss) و (Ploss)، بحيث نعتمد (MPC) لتصحيح الانحرافات وفقاً لنتائج التنبؤ بالحمل على المدى القصير للغاية.

كما تم تطوير خوارزمية (PSO) المحسّنة لأداء التحسين العالمي اليومي، مما قلل من وقت الحساب للحصول على حلول وتجنب الوقوع في المحاصرة المحلية، وفي النهاية تشير نتائج محاكاة (MATLAB) التي تم اختبارها إلى أن استراتيجية التحسين المقترحة فعالة وكفاءة.