مخططات التحكم للتشغيل الثنائي للشبكات الكهربائية الصغيرة

تحليل مخططات التحكم للتشغيل الثنائي للشبكات الكهربائية الصغيرة

مع العدد المتزايد باستمرار لحالات انقطاع التيار الكهربائي في أنظمة التوزيع الناشئة عن مجموعة متنوعة من الكوارث الطبيعية والتي من صنع الإنسان؛ فقد أصبح العزل وإعادة الاتصال المتكرر والضروري للأحمال دون انحرافات أو تقلبات في الطاقة قضية مهمة، بحيث تعد شبكة الشبكات الصغيرة (MG) حلاً واعداً نحو تشغيل شبكة طاقة عالية المرونة وفعالة.

ولتسهيل هذا التنفيذ، يعد الانتقال السلس مع شبكة المرافق ميزة أساسية يحتاج التحكم (MG) اليوم إلى امتلاكها، كما تعتبر قدرة الانتقال هذه ذات أهمية كبيرة، خاصة بعد التكيف السريع لمصادر الطاقة المتجددة الموزعة (RES) في (MGs)، كما يجب أن تضمن قدرة (MGs) هذه خدمات الطاقة غير المنقطعة للأحمال الحرجة والبنى التحتية.

وبالتالي؛ فإن تنفيذ استراتيجيات التحكم (MG) لتمكين الانتقال السلس بين أوضاع التشغيل المتصلة بالشبكة (GC) والجزر (IS) أمر إلزامي، لذلك يجب أن يكون مخطط التحكم المنفذ قادراً على تخفيف انحرافات الجهد أو التيار الكهربائي التحريك بسبب اختلال التردد الكهربائي الطور أثناء عملية الانتقال.

لذلك تقدم هذه الدراسة نظرة عامة على أنظمة التحكم (MG) المختلفة التي تتيح الانتقال السلس بين وضعي (GC) و (IS) للتشغيل، حيث أن الغرض الرئيسي من هذه الدراسة هو تقديم نظرة عامة عامة على التحديات والتقنيات الحالية المتاحة في الدراسات للتخفيف من تقلبات الجهد والتردد (V-f) عند نقطة (MG) للاقتران المشترك (PCC) وتلك الخاصة بشبكة المرافق خلال عملية الانتقال، ويهدف إلى تحفيز تطوير مخططات التحكم المتقدمة في هذا المجال من البحوث المتعلقة بـ (MG).

كما يركز هذا الطرح على مناقشة مخططات التحكم التي تتيح الانتقال السلس على مستوى (MG)، بحيث يتم تصنيفها بشكل أساسي إلى ثلاث فئات رئيسية، وهي التحكم اللامركزي والتحكم المركزي و وأنظمة التحكم الموزعة، وطوبولوجيا التوصيل لخطط التحكم هذه موضحة في الشكل التالي ( (a) – (c))، وهي تختلف عادةً في طوبولوجيا تنفيذ وحدة التحكم الخاصة بهم.

مخططات التحكم اللامركزية الخاصة بالشبكات الكهربائية الصغيرة

تعتمد معظم أنظمة التحكم اللامركزية (MG) القادرة على تحقيق انتقال سلس، بحيث يظهر طوبولوجيا شبكتهم في الشكل (4-a)، جنباً إلى جنب مع توفير تقاسم نسبي للقدرة التفاعلية، لذلك لا تتطلب هذه المخططات اتصالاً مخصصاً لعرض النطاق الترددي العالي (BW) (باستثناء أغراض المزامنة) ويمكنها التحكم في (MGs) في أوضاع (GC) و (I)S وأثناء انتقالات الأسلوب؛ فقد تم اقتراح استراتيجية لامركزية قائمة على التدلي للانتقال السلس لاثنين من العاكسين باستخدام اتصال منخفض بالأسلحة البيولوجية.

وهنا يتم تنظيم (V-f) الخاص بـ (MG) في (PCC) عن طريق ضبط مراجع الطاقة النشطة والمتفاعلة للعاكسين، كما تستخدم طريقة التكامل الخطي المقترحة الحد الأدنى من الاتصالات لتبادل نقاط مجموعة مرجع الطاقة بين وحدات التحكم وتحقيق التزامن مع شبكة المرافق، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (2).

كما إن العاكس المربوط بالشبكة المتحكم في التدلي النموذجي هو كما هو مبين في الشكل (2) ويتكون التحكم فيه من حلقات التحكم في الجهد الداخلي والتيار وحلقة التحكم في التدلي الخارجي (الطاقة)، بحيث يتم تحقيق الانتقال السلس هنا من خلال تنظيم نقطة التشغيل “Vi-i” عن طريق ضبط قيم نقطة ضبط القوة النشطة “PO” والقوة التفاعلية “QO” في العلاقات المتدلية الواردة المعادلات التالية:

وهنا تمثل (‘ωO’ ، ‘VO’ ، ‘P’ ، ‘Q’) التردد الاسمي والجهد الاسمي ومتوسط القوى النشطة والمتفاعلة لـ (VSI) القائم على (DER) على التوالي، في حين أن (‘mi’ و ‘ni’) هما (droop co -) المؤثرات، كما يوضح الشكل التالي (3-a) الانحراف في “” حيث تتغير الطاقة النشطة التي تتطلب “Pi”، وبالمثل يوضح الشكل (6-b) الانحراف في جهد الشبكة “V” من “V1” (بدون تحميل) إلى “V2” مع وجود اختلافات في طلب الطاقة التفاعلية “Qi”.

ومع ذلك، ومن أجل استعادة (MG V-f) لتحقيق إعادة الاتصال السلس في غير ظروف الحمل المقدرة؛ فإنه يجب على هذا المخطط أن ينجرف نقطتي التشغيل (P ، Q) من قيمهما الاسمية مما يؤدي إلى عدم تطابق الطاقة أثناء إعادة التوصيل.

لذلك تم تناول المشكلة أعلاه في الإصدارات المعدلة من أنظمة التحكم في التدلي التي تمت مناقشتها أدناه، وفي مخطط التحكم اللامركزي المقترح؛ فإنه يتم اختيار أحد (DERs) كوحدة إرسال ويوفر الطاقة الناقصة أثناء انتقالات الوضع عند الانتقال من (GC) إلى وضع (IS)، وبالتالي التعويض عن تقلبات (V-f) في ظل العمليات العادية في وضع (GC)، بحيث تستمر وحدة الإرسال في العمل في وضع التدلي وتوفر طاقة تتناسب مع الاختلاف في تردد الإزاحة وتردد الشبكة الكهربائية.

ومع ذلك؛ فإن وحدة الإرسال مسؤولة وحدها أيضاً عن تعويض فقد الطاقة أثناء عملية الانتقال، وبالتالي إدخال عيب في موثوقية النظام المنخفضة؛ فإنه تم اقتراح مخطط آخر لامركزي للتحكم في تدلي الحلقة المزدوجة حيث تم تحقيق الانتقال السلس بين الأنماط عن طريق تعديل معاملات تدلي الطاقة المحددة في حلقة الطاقة الخارجية، وبالتالي ضمان تقاسم السلطة بدقة.

كذلك تم اقتراح استراتيجية التحكم في التدلي الهجين، بحيث تسمى التحكم الهجين القطبي المتجه، والتي تجمع بين ميزات التحكم القائم على التدلي والتحكم في الأوضاع المتزامنة ذاتياً لتحقيق انتقال سلس، كما يمكن أن تعمل وحدات التحكم في ظروف تشغيل مختلفة دون الحاجة إلى إعادة التكوين وتوفر أيضاً وظيفة (plug-n-play)، وهنا يتم تحقيق تقاسم الطاقة في وضع (IS) من خلال حلقات الزاوية والتردد بينما في وضع (GC)؛ فإنها توفر التخميد والمزامنة المطلوبة.

مخططات التحكم المركزية الخاصة بالشبكات الكهربائية الصغيرة

عادةً ما ينشر النوع المركزي لخطط التحكم (MG) هياكل تحكم هرمية تم توحيدها للتحكم في (MG)، ونظراً لمزاياها مثل مشاركة الطاقة الدقيقة وركوب الجهد المنخفض من خلال القدرات، وما إلى ذلك كما تمت مناقشته؛ فإنهم يوزعون عنصر التحكم إلى ثلاث طبقات، وهي التحكم الأولي والثانوي والثالث، حيث إن كل طبقة تحكم مسؤولة عن تحقيق هدف (أهداف) محددة وتعمل بمعدلات تنفيذ مختلفة.

كما يتم تنفيذ الطبقة الأولية في (LC)، وذلك كما هو واضح في الشكل السابق (1-b)، وهي مسؤولة عن تقاسم السلطة وتوظف أنظمة تحكم قائمة على التدهور أو ما شابه ذلك، بحيث يقع التحكم الثانوي في موقع مركزي وهو مسؤول عن استعادة انحرافات (V-f) الناتجة عن التحكم الأساسي.

كما يضمن جهداً غير متقطع للأحمال المحلية، وذلك مع تلبية معايير الانتقال السلس، كما تقع وحدة التحكم الثلاثية أيضاً في موقع مركزي، وهي مسؤولة عن مراقبة تفاعل الطاقة بين (MG) والشبكة الكهربائية، كما أنه يراقب حالة الشبكة ويرسل تحديثات التحكم لتنظيم الطاقة التفاعلية النشطة التي يتم تغذيتها بالشبكة، بالإضافة إلى محاذاة (MG V-f) مع شبكة الطاقة لتحولات سلسة.