نموذج التحكم الاستباقي بالشبكات الكهربائية الصغيرة

في هذه الدراسة، تم اقتراح مخطط التحكم التنبئي لنموذج التحكم اللامركزي المحدود (FCS-MPC) لموارد الطاقة الموزعة (DERs)، وذلك لتحسين جودة إدارة الطاقة لشبكات صغيرة متكاملة للمستهلكين في ظل حالة الأحمال التوافقية وغير المتوازنة.

تحليل النموذج الاستباقي للتحكم بالشبكات الكهربائية الصغيرة

مع تطور الاقتصاد العالمي والمجتمع، تسبب استخدام الطاقة الأحفورية في سلسلة من المشاكل البيئية، مما أدى الطلب المتزايد على الطاقة المتجددة (RES) إلى زيادة تغلغل وحدات التوليد الموزع (DG) في أنظمة الطاقة، مثل الخلايا الشمسية وطاقة الرياح والمد والجزر وخلايا الوقود، وبشكل عام يمكن توصيل أنواع مختلفة من أنظمة (DG) بالشبكة المصغرة لتحسين مرونة وموثوقية نظام شبكة التوزيع.

كما تعتبر الشبكات الصغيرة هي طريقة فعالة لحل معدل الاختراق المرتفع للطاقة المتجددة في الشبكة الذكية المستقبلية، وبشكل عام تسهل شبكة التيار المتردد الدقيقة النشر والتوافق مع المعدات الموجودة، وبالنسبة لهيكل التحكم المركزي؛ فإنه يعتمد التحكم في جميع الوحدات على وحدة تحكم مركزية مخصصة، الأمر الذي يتطلب اتصالاً مكثفاً بين وحدة التحكم المركزية والوحدات التي يتم التحكم فيها.

كما إن الاعتماد الكبير على الحصول على البيانات والرقابة الإشرافية على الاتصالات لا يجعل نشر المديرين العام الجديد مرهقاً فحسب؛ بل يؤدي أيضاً إلى المشكلات الأمنية المتعلقة بفشل الاتصال، ومن ناحية أخرى تلغي بنية التحكم اللامركزية الحاجة إلى شبكة اتصالات معقدة لنقل البيانات داخل الشبكات الصغيرة، وفي هذه الحالة؛ فإن استراتيجيات التحكم في التدلي ومتغيراتها هي الخيارات العالمية.

دور التحكم التنبؤي في إدارة سلوك الشبكات الكهربائية الصغيرة

نموذج التحكم التنبئي (MPC) الذي تم تطبيقه في الأصل للتحكم في “العمليات الصناعية” له العديد من الميزات الجذابة:

• التعامل الحثيث مع مشاكل التحكم متعددة المتغيرات.

• سهولة التعديل.

• النظر صراحة في القيود.

ومع تطور تقنية المعالج الرقمي، يتم تطبيق التحكم التنبئي النموذجي تدريجياً على محولات الطاقة وبرامج التشغيل، مثل المحرك الكهربائي وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) والثابت المعوض، وفي الآونة الأخيرة تم تطبيق (MPC) على الشبكات الصغيرة ، مما يوفر حلاً جديداً للتحكم في المحولات المتصلة بالشبكة الكهربائية.

كما تم تقديم طريقة التحكم التنبئي لنموذج مجموعة التحكم المستمر (CCS-MPC) للمحولات المتصلة بالشبكة، بحيث يتم دمج (MPC) مع طريقة التحكم في التدلي، والتي تستخدم لتقليل عدم توازن الجهد الكهربائي وتحسين الحد الحالي ومنع الحمل الزائد للطاقة النشطة، بحيث تم اقتراح (CCS-MPC) على أساس دالة التكلفة لتعويض عدم توازن الجهد والتوافقيات المختلفة لشبكة الطاقة.

ومع ذلك، عندما يتم تطبيق (CCS-MPC) على المحولات المتصلة بالشبكة؛ فإن التعويض عن التوافقيات وعدم التوازن سيؤدي إلى عبء حساب كبير، وعلاوة على ذلك؛ فإن الخصائص غير المثالية للمحولات ستجلب المزيد من التحديات لعملية النمذجة والتحكم الكهربائي.

النمذجة الديناميكية المنفصلة لوحدات VSC DG

كما هو مبين في الشكل التالي (1)، بحيث تتكون الشبكة الدقيقة المدروسة في هذه المقالة من عدة وحدات (VSC- DG) متوازية، والتي ترتبط بنقطة اقتران مشترك (PCC) من خلال وحدات التغذية المقابلة على التوالي، كما يتكون (DG) من مصدر طاقة متجددة (RES) وعاكس ثلاثي الطور وفلتر (LC)، بحيث لوحظ أن الشبكة الدقيقة المدروسة في الشكل (1) عبارة عن نظام ثلاثي الأطوار ثلاثي الأسلاك الكهربائية، لذلك لا يتم اعتبار تيار التسلسل الصفري.

نموذج (VSC-DG)

كما هو مبين في الشكل التالي (2)، بحيث يتم توصيل العاكس بالشبكة الدقيقة عبر مرشح (LC)، وهو متجه جهد الخرج للعاكس ثلاثي الطور في الإطار المرجعي المتعامد الثابت (αβ)، وهو موضح في الجدول التالي (1)، حيث (Sa ، Sb ، Sc) هي تكوينات التبديل للمراحل (A ، B ، C) على التوالي، كذلك مرشح (LC) يكون متصل بمخرج العاكس وهو ثلاثي الطور متماثل، كما يمكن وصف الخصائص الديناميكية لمحاثة المرشح (Lf) في إطار (αβ) المعقد على النحو التالي:

حيث أن:

(il): هو تيار محاثة المرشح.

(rf): هي مقاومة محاثة المرشح.

(vi): هو جهد الخرج للعاكس.

(vo): هو جهد مكثف المرشح (Cf).

تقدير نموذج (DG) الديناميكي

يعد تقدير معادلة فضاء الحالة المستمرة ضرورياً لوحدة التحكم الرقمية في التطبيقات العملية، وفي هذه الدراسة، ونظراً لميزة التقريب الدقيق بين الأنظمة المستمرة والمنفصلة، كما تم اعتماد طريقة تقدير الاحتفاظ بالترتيب الصفري (ZOH) لتقدير نموذج (DG) الديناميكي، بحيث تُستخدم معادلة التقدير للتنبؤ بإخراج العاكس، ومن ثم يمكن تقدير ذلك من خلال المعادلة التالية:

حيث أن:

[x (k + 1)]: هي التيار المتوقع لمحاثة المرشح إذا (k + 1) والجهد لمكثف المرشح [vf (k + 1)] في وقت [(k + 1) T] على التوالي.

[x (k)]: هي تيار محاثة المرشح إذا (k) والجهد لمكثف المرشح [vf (k)] في وقت (kT).

[y (k)]: هي جهد خرج العاكس وتيار الخرج لمرشح (LC) في وقت (kT)، كما يمكن حساب (Ad ، Bd) من خلال:

استراتيجية تحكم FCS-MPC اللامركزية لشبكات Microgrids

كما هو مبين في الشكل التالي (3)، بحيث تتكون استراتيجية التحكم المقترحة من جزأين، وهما التعويض التوافقي وتعويض عدم التوازن المستند إلى (FCS-MPC)، بحيث يتم تحقيق وظيفة التعويض التوافقي من خلال ملحق تصحيح التغذية الراجعة في دالة التكلفة (FCS-MPC).

كما يتم تنفيذ تعويض عدم الاتزان بواسطة الحلقة المساعدة، والتي تستخدم القوة التفاعلية للتسلسل السلبي الأساسي لتغيير الجهد المرجعي للخرج، كما يتم أخذ عينات من إشارات الجهد والتيار الكهربائي الخاصة بـ (VSC DG) وتغذية استراتيجية (FCS-MPC)، بحيث ثم توفير إشارات التحويل إلى العاكس.

حساب قوة التتابع الموجب والسالب

يتم فصل التسلسل الموجب الأساسي وتيار التسلسل السلبي الأساسي لوحدة (DG) باستخدام وحدة التكامل المعمم من الدرجة الثانية، والتي تم تفصيلها في القسم (III-F)، وبعد ذلك يمكن التعبير عن القوة النشطة (P +) والقدرة التفاعلية (Q +) وقوة عدم الاتزان (Q−) لوحدة (DG).

مسارات التحكم

يتم استخدام طريقة التحكم في تدلي الطاقة والجهد الكهربائي التفاعلي بالتسلسل الإيجابي وتسلسل إيجابي لتقاسم الطاقة بين وحدات (DG)، مع تجنب استخدام سلك الاتصال.

تعديل مخطط التحكم التنبئي لنموذج مجموعة التحكم المحدود

من أجل تقليل العبء الحسابي بشكل أكبر وتبسيط التحليل، تتناول هذه الدراسة التنبؤ بخطوة واحدة في استراتيجية (FCS-MPC)، وفي بداية كل دورة تحكم؛ تقوم وحدة التحكم الكهربائي في وقت واحد بأخذ عينات متغيرات حالة النظام وتبديل النظام التحكم الكهربائي.

تصحيح التغذية الراجعة

يمكن تحقيق تدابير تقليل خطأ التتبع ليس فقط من خلال القيود المفروضة على وظيفة التكلفة، ولكن أيضاً عن طريق تقليل خطأ التنبؤ. كما هو مبين في الشكل التالي (4)، وفي تعويض التأخير، قد تؤدي نتيجة التنبؤ الاستباقي مع اختلافات صغيرة إلى اختيار مختلف لحالة التبديل المثلى، مثل [Vpre1 (k + 1)] ، [Vpre2 (k + 1)].

وأخيراً تقترح هذه الدراسة استراتيجية تحكم تنبؤيه نموذجية لمجموعة تحكم محدودة لامركزية معدلة لشبكات صغيرة متكاملة لمستخدميها من أجل إدارة الطاقة غير المتوازنة والمتناسقة، بحيث تم تطوير الاستراتيجية المقترحة لتحسين جودة الجهد الكهربائي للشبكات الصغيرة مع تقليل التشوه التوافقي الكلي وظروف عدم توازن الحمل.