كجزء من مفهوم الشبكة الذكية، تم تطوير استراتيجيات مختلفة متخصصة للتحكم في تدفق الطاقة في شبكات التوزيع الكهربائية، وذلك كأحد الحلول الممكنة لتحسين الاستفادة من القدرات الحالية وزيادة تغلغل التوليد الموزع هو تنفيذ (Soft Open Points).
أهمية التحكم واسع النطاق للشبكات الكهربائية
تتميز شبكات التوزيع التقليدية ذات الجهد المتوسط ذات نطاق الجهد المقنن من (3) كيلو فولت إلى (36) كيلو فولت بشكل أساسي بطوبولوجيا شعاعية، ولتوفير إمداد بديل وعزل الأعطال، عادةً ما يتم دمج النقاط المفتوحة التي تربط المغذيات المجاورة في الشبكة الكهربائية.
وعلى الرغم من مخططات الحماية البسيطة للغاية والعزل السريع للأعطال واستعادة الإمداد؛ فإن هذا النوع من الطوبولوجيا له بعض العيوب المتعلقة بتكامل المولدات الموزعة والأحمال التي يمكن التحكم فيها، بحيث تتجلى هذه العيوب بشكل أساسي في توازن الحمل الذي لا يمكن السيطرة عليه بين المغذيات وتيارات الذروة والخسائر المتزايدة وتقلبات الجهد الكهربائي.
ومن ناحية أخرى؛ فإن ترقية شبكات التوزيع إلى التكوين الحلقي جنباً إلى جنب مع تحسين ملف الجهد وتوازن الحمل والموثوقية المحسنة، بحيث تجلب مخاطر عالية لانتشار الأعطال الكهربائية، كما يتيح إغلاق الحلقات لتيار العطل أن ينتشر على مساحة أوسع.
وبالتالي يتطلب مخططات حماية أكثر تعقيداً وتكلفة، بحيث يمكن تقديم (SOP) كحل وسط بين مفهومين تم وصفهما مسبقاً، كما يتيح استبدال النقاط المفتوحة عادةً بإجراءات التشغيل القياسية الجمع بين مزايا التكوين الشعاعي والمتشابك مع تجنب العيوب المذكورة أعلاه.
كذلك يؤدي دمج موارد الطاقة الموزعة (DERs) في شبكات التوزيع إلى إحداث العديد من التغييرات في استراتيجيات التحكم الشائعة لأنظمة التوزيع التقليدية، مما يؤدي تغلغل (DERs) إلى تدفق عكسي للطاقة في أنظمة التوزيع، وبالتالي؛ فإن الاستخدام الفعال والمناسب لشبكات التوزيع الحديثة ذات (DERs) المتكاملة يتطلب خوارزميات تحكم مناسبة.
بالإضافة إلى خوارزميات التحكم المطورة خصيصاً؛ فإن هناك حاجة إلى موارد الأجهزة لإنشاء التحكم في تدفق الطاقة المطلوب في الشبكة، بحيث يمكن أيضاً اعتبار (SOP) واستخدامه لهذا الغرض، بحيث تم بالفعل تقديم تنفيذ إجراءات التشغيل الموحدة في تشغيل نظام الطاقة وأغراض التحكم في شبكات النقل كنظام تحويل (HVDC) من العاكس الى العاكس.
تقييم المعطيات المتغيرة للتحكم في (SOP)
نظراً لأن تحقيق (SOP) يعتمد على المحولات المتتالية؛ فإن القيم المرجعية لمتغيرات التحكم في (SOP)، وهي مطلوبة للتطبيق المناسب والفعال لإجراءات التشغيل الموحدة، كما تم تطوير العديد من الخوارزميات المختلفة لحساب القيم المرجعية لإجراءات التشغيل الموحدة، بحيث تعتمد معظم هذه الخوارزميات على حسابات التدفق الأمثل للطاقة (OPF).
كما يتكون أساسها من إطار عمل أمثل يتضمن نماذج (SOP) مختلفة، والتي يتم تقديمها بشكل أكبر في حسابات تدفق الطاقة الأمثل، بحيث يعتبر هذا النوع من الخوارزمية نهجاً يتطلب العديد من القياسات داخل الشبكة، بالإضافة الى التحدي الرئيسي لمثل هذه الخوارزميات هو عدم توفر البيانات عندما لا يمكن إجراء حسابات (OPF) لسبب ما.
كما يرجع عدم توفر البيانات بشكل أساسي إلى انقطاعات الاتصال المختلفة، وفي هذه الحالات يجب أن يعتمد التحكم في إجراءات التشغيل القياسية على تقنية بديلة تمكن من التحكم المحلي في الإجراء التشغيلي الموحد، بحيث تم تطوير خوارزميات مختلفة لضمان تشغيل (SOP) في ظل انقطاع الاتصالات، كذلك يتم تقديم خوارزمية التحكم المحلي في (SOP) بناءً على أنماط الجهد والطاقة.
وفيما بعد تم وصف الخوارزمية المصممة لتحقيق التحكم المحلي في تدفق الطاقة من خلال (SOP)، كما يضمن هذا النهج والذي تم اختباره أيضاً في شبكة (6) كيلو فولت حقيقي، أيضاً التحكم في الجهد في عقد التوصيل الخاصة بـ (SOP)، ولكنه لا يحلل تأثيره على بقية الشبكة، بحيث تم تطوير نهج مماثل يتيح التحكم المحلي في (Volt / Var).
تحليل النموذج الخاص بـ Soft Open Point
تكون المكونات الرئيسية لنقطة الفتح الناعمة هي محولات الطاقة الإلكترونية، أي التكوينات القائمة على محولات مصدر الجهد (VSCs)، بحيث يوضح الشكل (1-a) الإجراء التشغيلي الموحد الذي يربط عدداً عشوائياً (k) من مغذيات التوزيع المجاورة، كما يوضح الشكل (1-b) طوبولوجيا (SOP) المكونة من (k VSCs).
بالإضافة الى العناصر الرئيسية لهذه الدائرة هي [(1) VSCs] على أساس الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة (IGBTs)، والتي تكون مسؤولة عن توليد أشكال موجة الجهد المطلوبة و (2) مكثف تيار مستمر، والذي يضمن طاقة عازلة كافية ويقلل تموج جهد التيار المستمر.
كما أنه يتم توصيل محطات (VSC) أيضاً بالفلتر الذي تم إدخاله لتصفية التوافقيات العالية والحد من تيار الدائرة القصيرة، بحيث يمكن تطبيق المفهوم (طوبولوجيا SOP) المعروض في الشكل التالي (1) عملياً كمعدات إضافية للمحطات الفرعية الحالية حيث تكون مغذيات التوزيع قريبة من بعضها البعض، على سبيل المثال إضافة إلى وحدات الحلقة الرئيسية.
نموذج (SOP) في معادلات تدفق الطاقة
بالنظر إلى حلقات التحكم الموصوفة سابقاً؛ فقد تم اعتماد مخطط كتلة مبسط لـ (SOP) متعدد الأطراف، والذي يربط عدداً عشوائياً (k) من عقد التيار المتردد الواردة في الشكل التالي (2)، ووفقاً للاعتبارات الواردة في المراجع وباستخدام الترميز الوارد في الشكل؛ فإنه يتم وصف تدفق الطاقة النشط عبر (SOP)، والذي يربط العقد (k) في الشبكة الكهربائية باستخدام:
حيث يشير (PSOPh) إلى حقن الطاقة النشط من (SOP) إلى الشبكة (في العقدة h = 1،2 ، … k)، كما ويشير (Phloss) إلى فقد الطاقة النشط في الأجهزة الإلكترونية المتصلة بالطاقة في العقدة (h)، وبسبب حلقات التحكم الداخلية المستقلة للطاقة التفاعلية والتحكم في جهد التيار المستمر وطوبولوجيا (SOP)؛ فإن حقن الطاقة التفاعلية في العقد h = 1،2 ، … k] (QSOPh)] مستقلة.
كذلك يتم تحديد العلاقة بين حقن الطاقة النشطة والمتفاعلة من (SOP) إلى الشبكة من خلال القيود الحرارية للأجهزة الإلكترونية للطاقة (المحولات):
حيث تشير (Srh) إلى القدرة الظاهرة لـ (VSC) المتصلة بالعقد (h = 1،2 ، … ، k) تصف المعادلتين السابقتين نموذج التشغيل المعياري متعدد الأطراف المستخدم في حسابات تدفق الطاقة، بحيث تُستخدم هذه المعادلات أيضاً لتشمل تأثير (SOP) على متغيرات الشبكة، كما وتجدر الإشارة إلى أن فقد الطاقة النشطة في المحولات مدرج في هذا النموذج.
تقدير خسائر النقاط المفتوحة
يمكن تنفيذ تقدير فقد الطاقة النشطة في كل محول من (SOP) باستخدام النموذج الموضح في المعادلة التالية:
حيث تشير (I) إلى التيار من خلال ساق المحول (IGBT) والصمام الثنائي، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (1-b) و (a ، b ، c) هي معطيات لمكونات التبديل التي يتم توفيرها بشكل شائع من قبل الشركات المصنعة، وذلك باستثناء هذا النموذج، وغالباً ما يستخدم النموذج الخطي كتقريب دقيق بدرجة كافية.
بالنهاية يقدم إدخال (SOPs) في شبكة توزيع تقليدية للجهد المتوسط فوائد كبيرة تتعلق بزيادة الكفاءة ومرونة التشغيل للشبكة المدروسة؛ هذه الفوائد هي الأكثر وضوحاً في الشبكات ذات الاختراق العالي لموارد الطاقة المتجددة (المولدات الموزعة)، حيث تلعب إجراءات التشغيل الموحدة دوراً مهماً في التحكم في تدفق الطاقة والاستخدام الفعال للقدرات المتاحة في الشبكة الكهربائية.
