اقرأ في هذا المقال
أهمية التحكم القائم على السلبية لتوليد الطاقة الكهرومائية
تعتبر محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة (SHPs) هي مصادر طاقة متجددة معروفة بإنتاج طاقة متوقع، على الأقل على المدى القصير، وذلك مقارنة بأنواع أخرى من مصادر “الطاقة المتجددة” مثل الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح، بحيث يتكون (SHP) عادة من خزان ونفق ماء “وتوربينات هيدروليكية” وضابط السرعة ومولد كهربائي.
كذلك قد تشتمل الأنظمة الحديثة على محول إلكتروني للطاقة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، والذي يسمح بكفاءة عالية نظراً لإمكانية التشغيل بسرعة متغيرة. يحتوي هذا النظام على اقتران قوي بين الديناميكيات الميكانيكية والهيدروليكية والكهربائية، مما يجعل من الصعب تحليل النظام، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يقدم العديد من نقاط التشغيل المختلفة، والتي تؤدي أيضاً إلى تعقيد التحليل، بحيث تجعل هذه الميزات تصميم هذا النظام والتحكم فيه أمراً صعباً.
ركزت العديد من الأعمال على اقتراح وحدات تحكم لأنظمة المحافظ، ونموذجياً يمكن العثور على نوعين من وحدة تحكم الحاكم في الدراسات، وهما مشتق تكاملي نسبي (PID)، ومراقب ردود فعل الحالة، بحيث يعتمد تصميم وحدات تحكم (PID) على مخرجات النظام ولا تستخدم المعلومات الداخلية لـ (SHP)، لذلك من الصعب ضمان الاستقرار لجميع نقاط التشغيل لأن النماذج الخطية تبالغ في تبسيط ديناميكيات النظام.
وفي حالة أجهزة التحكم في التغذية الراجعة للحالة؛ فإنه تم اقتراح العديد من وحدات التحكم مثل التحكم غير الخطي والتحكم الذكي والتحكم في وضع الانزلاق وحتى التحكم الضبابي والتحكم التوافقي مع الخطأ والتحكم التنبئي والتحكم في الوقت المحدد، ومع ذلك لوحظ أن هذه الضوابط يصعب تنفيذها وتتطلب ضبط العديد من المعطيات وتنفيذ عملية تحسين عبر الإنترنت، كما تحلل معظم هذه التحقيقات جزءاً واحداً فقط من النظام، على سبيل المثال الديناميكيات الهيدروليكية أو الميكانيكية دون مراعاة الجزء الكهربائي.
كما أظهرت التحقيقات الحديثة مزايا تضمين الأجهزة الإلكترونية للطاقة في نظام تحويل الطاقة لتحسين الكفاءة من خلال السماح بسرعة متغيرة، وتمت دراسة نموذج (SHP) متصل بشبكة التيار المتردد باستخدام مولد متزامن مغناطيسي دائم (PMSG)، وهي مقوم جسر الصمام الثنائي ومحول التعزيز ومحول مصدر الجهد (VSC).
كما تم استخدام هذا التكوين أيضاً في تطبيقات طاقة الرياح، بحيث تم تحسين النموذج المقترح، كما وقدم تحليلاً تفصيلياً حيث تم تحقيق كفاءة عالية من خلال تقليل فقد الطاقة الكهربائية، أيضاً تم اقتراح هيكل هرمي متعدد المستويات يعتمد على وحدة تحكم (PI)، ومع ذلك في هذا العمل؛ لم يتم النظر في الديناميكيات الهيدروليكية.
المحطات الصغيرة لتوليد الطاقة الكهرومائية
تتكون الأجزاء الهيدروليكية والميكانيكية من التوربينات المائية ونظام متناسق، بحيث تتمثل الوظيفة الرئيسية للمحافظ في التحكم في السرعة وإخراج الطاقة عن طريق ضبط تدفق المياه في التوربين الهيدروليكي، كما تتكون أنظمة الحاكم النموذجية من ضوابط (PID)، بحيث يتكون الجزء الكهربائي من (PMSG) متصل بالشبكة الكهربائية من خلال محول من ظهر إلى ظهر، بحيث يُظهر كلا الجزأين بنية سلبية تُستخدم لتصميم عنصر التحكم.
التوربينات الهيدروليكية: يعتبر النموذج سائلاً غير قابل للضغط على النحو الموصى به من قبل مجموعة عمل (IEEE)، وذلك بشأن المحركات الأولية ونماذج إمداد الطاقة الكهربائية، كما يأخذ هذا النموذج في الاعتبار ديناميكيات القلم والنفق والتوربين وكذلك خسائر الرأس (حسب الشكل 1)، وذلك على النحو التالي:
حيث أن:
(h): هو الرأس الهيدروليكي .
(kf): يحدد خسائر الاحتكاك على القناة.
(q): هو التدفق الطبيعي على القلم.
(Tw): هو وقت بدء الماء على القلم، والذي يتم تعريفه على أنه:
حيث أن (qbase) هو معدل التدفق عندما تكون البوابات مفتوحة بالكامل، كما يتم تعريف (hbase) على أنه الرأس الثابت لعمود الماء فوق التوربين، كذلك؛ فإن (L ، A) هما طول ومساحة القلم و (g)، بحيث تشير إلى تسارع الجاذبية الأرضية، كما يتم إعطاء الرأس الهيدروليكي والقوة الميكانيكية للتوربين بقيم كل وحدة بواسطة:
حيث يمثل (y) موضع البوابة و (At) هو ثابت نسبي و (qnl) هو معدل تدفق عدم التحميل للتوربينات المائية، وذلك حسب الشكل التالي (2) يوضح نموذج التوربين اللاخطي الموصوف من خلال العلاقات الرياضية، كما يمكن وصف نموذج المؤازرة الهيدروليكية بواسطة:
حيث أن:
(Ty): هو ثابت الوقت للمحرك المؤازر.
(ug): يشير إلى التحكم في الإدخال، والذي يتم بناؤه بشكل عام باستخدام عناصر تحكم (PID).
مولد متزامن مغناطيسي دائم: يوضح الشكل التالي (1)، حيث أن (PMSG) متصل بشبكة الطاقة بمحول من ظهر إلى ظهر، كما يتم إعطاء المعادلات الكهربائية والميكانيكية التي تصف سلوك الديناميكيات في القيم لكل وحدة من (PMSG) بواسطة:
حيث أن:
(v، vq، idg ، iqg): هي الفولتية والتيارات الخاصة بـ (PMSG) في الإطار المرجعي (dq) على التوالي.
(Rg ، Lg): هما مقاومة لف الجزء الثابت ومحاثة على التوالي.
(ωm): هي سرعة الدوار (ωm = ωeg في الوحدة).
(ψ): تشير إلى التدفق المغناطيسي الدائم الناتج عن المغناطيس الدوار، وهو ثابت ويعتمد على المادة المستخدمة في بنائه
(Hg): هو ثابت وقت القصور الذاتي للتوربينات المائية.
(ωo): هو السرعة الزاوية القائمة على المولد الكهربائي.
(Tm ، Te): هما عزم الدوران الميكانيكي والكهربائي، بحيث يتم الحصول على عزم الدوران الميكانيكي (Tm) بسهولة من خلال:
تقنيات التحكم القائم على السلبية
تعتبر نظرية (PBC) هي تقنية راسخة أثبتت أنها مفيدة جداً وقوية في تصميم وحدات تحكم قوية عند تطبيقها على الأنظمة الديناميكية ذات بنية الأس الهيدروجيني، بحيث يحافظ (PBC) على بنية الأس الهيدروجيني ويضمن الاستقرار في الحلقة المغلقة بمعنى (Lyapunov)، كما تم استخدام تقنيات (PBC) القياسية (S-PBC) و (IDA-PBC) و (PI) السلبي على نطاق واسع في عدد من التطبيقات، بما في ذلك الأنظمة الميكانيكية والكهرو ميكانيكية وأنظمة الطاقة الإلكترونية.
وأخيراً؛ فقد تم وصف نهج جديد للسيطرة على (SHP) على أساس نظرية السلبية في هذا الطرح، بحيث يتكون (SHP) من (PMSG) متصل بشبكة ثلاثية الطور من خلال محول من ظهر إلى ظهر، كما تم وصف نهج (S-PBC) و (PI-PBC) لـ (SHP) المتصل بنظام تغذية الاختبار.
كما تضمن أدوات التحكم هذه الاستقرار المقارب من خلال “نظرية ليابونوف”، بحيث تم تقييم عناصر التحكم ومقارنتها بوحدة تحكم (PI) الكلاسيكية مع الأخذ في الاعتبار سلوكيات الحالة والعبور في (SHPs)، كما لوحظ أن وحدات التحكم القائمة على (PBC)، حيث أظهرت أداءً أفضل في جميع الحالات التي تم النظر فيها مقارنةً بوحدات التحكم (PI)، كما تم تأكيد ذلك من خلال المقارنة مع تكامل الخطأ المطلق المرجح زمنياً ووقت التسوية.
