التدفق الاحتمالي للطاقة الكهربائية وتزامن مولدات التوزيع

إن الترابط العميق بين نظام الكهرباء والغاز الطبيعي له تأثير كبير على أمن أنظمة الطاقة متعددة الناقلات (MCE)، حيث إن الوصول على نطاق واسع إلى توزيع توليد الطاقة النظيفة (DG)، بحيث يجعل من الضروري التحقيق في آثار أوجه عدم الثقة على التشغيل الآمن والمستقر لأنظمة (MCE).

أهمية مراقبة التدفق الاحتمالي للطاقة الكهربائية بشكل شامل

مع الاستخدام المتزايد لمحطات التوليد المشترك وتوليد الطاقة بالغاز الطبيعي وتكنولوجيا الطاقة إلى الغاز (P2G)؛ فقد أصبحت درجة الاقتران بين نظام الطاقة ونظام الغاز الطبيعي أقوى وأقوى، مما يجعل أنظمة الطاقة متعددة الناقلات (MCE) أصبحت اتجاه التنمية والحامل الرئيسي لنظام الطاقة في المستقبل.

وفي أنظمة (MCE)؛ فإنه يتم تشغيل وتخطيط نظام الطاقة الجديد مع الشبكة الكهربائية الموزعة ونظام الغاز الطبيعي والنظام الحراري معاً، وبالمقارنة مع مفهوم اتصال الطاقة؛ فإن أنظمة (MCE) تعتبر أكثر تحديداً وتولي مزيداً من الاهتمام للتواصل والتفاعل بين أشكال مختلفة من أنظمة الطاقة، كما يؤدي الوصول على نطاق واسع إلى توليد التوزيع (DG) وتغير الأحمال إلى عدم اليقين في أنظمة (MCE) وقد اجتذب تأثير هذه العوامل اهتماماً كبيراً.

إلى جانب ذلك، ومع زيادة تغلغل الطاقة المتجددة؛ فإنه ينبغي النظر في الارتباط بين ناتج الطاقة المتجددة المتقطع في تحليل أنظمة (MCE)، لذلك؛ فإن التقنيات التي يمكن أن تستجيب لحالات عدم اليقين مطلوبة للتحكم في المخاطر المتعلقة بالتصميم والتشغيل وتقليلها، وبهذه الطريقة تكون طرق الاحتمال أكثر ملاءمة لهذا الغرض، ومن ثم يعتبر تحليل تدفق الطاقة الاحتمالي لأنظمة (MCE) حجر الزاوية لمزيد من الدراسات.

الدراسات المرتبطة بتحليل تدفق الطاقة الكهربائية

في السنوات الأخيرة، تمت دراسة خصائص تدفق الطاقة الاحتمالية في بعض الأبحاث، كما تم وصف طريقة عامة تعتمد على صياغة “نيوتن رافسون” للغاز أحادي المصدر وتحليل تدفق الطاقة في إطار موحد، كذلك تم اقتراح إطار عمل لأنظمة غاز كهربائية متكاملة ومتعددة المصادر، حيث يتم النظر في الارتباط بين متطلبات الطاقة المتغيرة وطاقة الرياح.

واستناداً إلى نموذج أنظمة (MCE)؛ فإنه يتم تمديد تدفق الطاقة الاحتمالي في نظام الطاقة إلى نظام الغاز الطبيعي، كما ويتم تحقيق حساب تدفق الطاقة لنظام (MCE) بشكل مبدئي، ولتعكس حالات عدم اليقين بمزيد من التفصيل؛ فإن الطريقة الاحتمالية المقترحة في دراسات أنظمة التوزيع السلبي التقليدية يتم توسيعها بشكل مناسب لتشمل أنظمة التوزيع النشطة بوحدات توليد الرياح والطاقة الكهروضوئية.

كذلك تم اقتراح طريقة شبه “مونت كارلو” الممتدة القائمة على تحويل (ناتاف) وتطبيقها على تدفق الطاقة الاحتمالي، بحيث تم تحليل تأثير ارتباطات سرعة الرياح على تدفق الطاقة الاحتمالي، وبالنسبة لأنظمة (MCE) يتم تقديم خوارزمية تدفق الطاقة الاحتمالية لأنظمة (MCE) بناءً على طريقة تقدير النقاط، والتي تأخذ في الاعتبار عشوائية أنظمة الطاقة وأنظمة الغاز الطبيعي وشبكات الحرارة.

وعلى الرغم من أن الدراسات المذكورة قد ناقشت حساب تدفق الطاقة الاحتمالي لأنظمة (MCE) مع مصادر الطاقة المتجددة؛ فإن تأثير ارتباط المتغيرات العشوائية في نادرا ما تشارك أنظمة (MCE)، بحيث تركز هذه الدراسة تحديداً بشكل أساسي على تحليل آثار عدم اليقين والارتباطات الخاصة بالحكم الفعال على أنظمة (MCE)، إلى جانب ذلك؛ فإنه يتم النظر في التفاعل بين النظام الكهربائي ونظام الغاز.

نمذجة أنظمة التشغيل الكهربائي الآمن والمستقر MCE

يلخص هذا القسم بشكل أساسي نموذج أنظمة (MCE)، بما في ذلك النظام الكهربائي ونظام الغاز الطبيعي ووحدات التوصيل وأنماط التشغيل.

نمذجة الشبكة الانتخابية

كما تشمل بالبداية نموذج نظام (AC / DC) والذي يستخدم نموذج حساب تدفق الطاقة (AC / DC) كنموذج الشبكة الكهربائية، وفي نظام التيار المتردد؛ فإنه يمكن التعبير عن القوة النشطة والمتفاعلة على النحو التالي:

حيث أن:

(k): تمثل الثلاث مراحل.

(Pki و Qki): هي القدرة النشطة ثلاثية الطور والقدرة التفاعلية للعقدة (i).

(Uki): هو الجهد ثلاثي الطور للعقدة (i).

(δkmij): هو فرق الطور ثلاثي المراحل للعقدة (i) إلى (j).

(Gkmij ،Bkmij): هو التوصيل ثلاثي الطور وحساسية الفرع (ij، n) هو رقم العقدة.

وفي نظام التيار المستمر، يتم التعبير عن صيغ حساب تدفق الطاقة على النحو التالي، حيث أن (θij) هي زاوية الفرع في الاتجاه الموجب والناقص على التوالي يقابلان المعدل والعاكس.

أما بالنسبة الى نموذج محول مصدر الجهد الكهربائي؛ فإنه يظهر هيكل محول مصدر الجهد (VSC) في الشكل التالي (1) والنموذج الثابت لـ (VSC) كما يلي:

لذلك عندما يكون جهد التيار المتردد ثلاثي الأطوار غير متماثل، يجب حساب جهد التسلسل الإيجابي من جهد الطور باستخدام المعادلات التالية:

حيث أن (U˙012) هي متجهات عمود جهد الطور لجانب ناقل التيار المتردد العاكس (U˙vsc a ، U˙vsc b ، U˙vsc c)، وهي متجه عمود جهد الطور على جانب ناقل التيار المتردد من المحول.

نمذجة شبكة الغاز

يتكون نظام الغاز بشكل أساسي من خط الأنابيب ومصدر الغاز والحمل والضاغط، وهنا يتم تحليل معادلة خط الأنابيب، كما يتجاهل تغير درجة الحرارة وانحراف الزاوية لخط أنابيب نقل الغاز، بحيث يمكن وصف المعادلة الثابتة لخط أنابيب نقل الغاز على النحو التالي:

حيث أن:

(p): تمثل خط الأنابيب.

(fp ، ij): هو تدفق الغاز لخط الأنابيب.

(i ، i ، j): هي ضغط العقدة (i ، j) على التوالي.

(kij): هي معلومات خاصة بالأنابيب.

(sp ، ij): هو اتجاه تدفق خط الأنابيب.

وحدات التوصيل بين الشبكات الكهربائية والغازية

تم النظر في جانبين من جوانب الربط بين شبكات الكهرباء والغاز في هذا العمل، وهما (P2G) ومحاور الطاقة المتكاملة مع المحولات الدقيقة و (CHP) والتوربينات الغازية والمراجل الغازية، بحيث تكون على مرحلتين:

• الأولى: تتكون تقنية (P2G) بشكل أساسي من تفاعلين كيميائيين، الأول هو عملية التحليل الكهربائي (2H2O → 2H2 + O2)، والتي تقوم بتحليل الماء بالكهرباء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين.

• الثانية: يمكن اعتبار نموذج مكثف الطاقة كوصلة متعددة المدخلات والمخرجات لنظام الطاقة المتكامل، كما وتتمثل مهمتها الرئيسية في إكمال تخصيص وتحويل وتنظيم وتكميل وتخزين مصادر الطاقة المختلفة وتتكون المدخلات من إمدادات الكهرباء بي وإمدادات الغاز (Pg).

كما تم اقتراح وضع اقتران شامل جديد لمحور الطاقة، والذي يجمع بين (P2G) والمحول و (CHP) والتوربينات الغازية الدقيقة وحتى المرجل الغازي، ومن خلال وحدة التوصيل هذه؛ فإنه يتم تجميع كل من الطاقة الكهربائية والغاز الطبيعي والطاقة المتجددة والطاقة الحرارية، بحيث يظهر الهيكل في الشكل التالي (2).

في هذا البحث، تم تصميم الطريقة الاحتمالية القائمة على تحويل (LHS ، Nataf)، وذلك خصيصاً لمعالجة تأثير حالات عدم اليقين الخاصة بـ (DG) على أنظمة (MCE)، بحيث يتم أيضاً تحليل تأثيرات الارتباطات في (DG) على نظام الكهرباء والغاز الطبيعي بشكل منفصل، وعلاوة على ذلك تعتبر وحدة الاقتران المتكاملة بما في ذلك (P2G) ومحور الطاقة لوصف الترابط الحاصل بين نظام الكهرباء والغاز الطبيعي.