التحكم في تدفق الطاقة الكهربائية وتحليل حساسية الأجهزة

تحليل الحساسية هو طريقة تقليدية لتحليل شبكة الطاقة الكهربائية، بحيث تم استخدامها على نطاق واسع في تصحيح سلامة الطاقة النشطة لأنظمة الطاقة، بحيث تعتمد هذه الطريقة على خطية معادلة تدفق الطاقة، وذلك بافتراض أن تغيير متغير التحكم سيستمر في العمل على نظام الطاقة الكهربائية.

الغاية من التحكم في تدفق الطاقة الكهربائية وتحليل حساسية الأجهزة

يعد التحكم الفعال في تصحيح سلامة الطاقة في نظام الطاقة جزءاً مهماً من التحكم في السلامة ووسيلة لضمان التشغيل الآمن والعالي الجودة لأنظمة الطاقة، بحيث تتمثل الوظيفة الرئيسية لتصحيح أمان الطاقة النشط في الحفاظ على معدل تحميل الخطوط ضمن النطاقات العادية ومنع طاقة النقل من تجاوز حد الاستقرار الحراري.

كما أن آلية الضبط هي بشكل أساسي لضبط ناتج المولد الكهربائي، كما ويمكن إزالة الحمل إذا لزم الأمر، ومع الزيادة السريعة في الحمل الكهربائي، يصبح معدل تحميل قسم النقل أكبر، كذلك أصبحت مشكلة الاستقرار الحراري لقسم النقل أحد العوامل الرئيسية التي تقيد قدرة نقل الطاقة وتؤثر على التشغيل الآمن والمستقر للنظام.

لذلك إذا لم يتم اتخاذ إجراءات التحكم التصحيحية المناسبة لما بعد الطوارئ في الوقت المناسب لتخفيف الحمل الزائد والحفاظ على العمليات الآمنة؛ فقد تحدث عواقب مثل الفشل المتتالي الذي يؤدي إلى تعتيم النظام الكهربائي.

آلية التصحيح النشط لمعامل تدفق الطاقة الكهربائية

يعتبر تصحيح الطاقة النشط هو موضوع بحث بارز في تحليل نظام الطاقة، وفي السنوات الأخيرة ومع ظهور التقنيات الجديدة مثل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) والطاقة المتجددة؛ يواجه التحكم الفعال في تصحيح الطاقة تحديات جديدة، بحيث اهتم الكثير من العلماء بهذا المجال بشكل تدريجي وحققوا نتائج جوهرية، فيما يتعلق بنقل التيار المستمر، كما نظرت إحدى الدراسات في مخاطر الأحمال الزائدة للخط والفشل المتتالي الناجم عن إما حجب التيار المستمر أو انقطاع الخط.

ولأداء إجراءات (CC) الدقيقة بسرعة؛ فقد تم اقتراح نموذج تحسين (CC) المستند إلى البرمجة المخروطية من الدرجة الثانية لتخفيف الحمل الزائد للخط في أنظمة طاقة التيار المتردد أو التيار المستمر المتشابكة، كما تمت معالجة مشكلة التحكم في تدفق الطاقة من خلال تطبيق محول طاقة بتكوين اتصال مختلف، أي وحدة التحكم في تدفق طاقة التيار المستمر المتوازي التسلسلي (SPDC-PFC).

وفيما يتعلق بالطاقة المتجددة، تم اقتراح استراتيجية مرنة للتحكم في المخاطر باستخدام نظام تخزين الطاقة، كما تم استخدامه للمساعدة في اتخاذ إجراءات تصحيحية بعد الطوارئ لإزالة الحمل الزائد، ومع ذلك غالباً ما تمثل الطاقة المخزنة نسبة صغيرة فقط في النظام، بحيث تم اقتراح جيل جديد من خوارزمية إعادة الجدولة التي قامت بتعديل ناتج التوليد لتخفيف التغيرات في تدفقات الطاقة الفرعية، وبالتالي تقليل احتمالية الحمل الزائد.

كما تساعد الخوارزمية في منع ازدحام الطاقة وتحقيق التوازن بين توليد الطاقة المتجددة والأحمال في أنظمة الطاقة، وذلك من حيث “التدفق الأمثل للطاقة المقيدة” بأمان (SCOPF)، بحيث تمت دراسة صيغة موسعة لمشكلة (SCOPF)، وذلك مع مراعاة صريحة لاحتمال وقوع أحداث طارئة وأعطال محتملة في عمليات (CC) بعد حالة الطوارئ، ومع ذلك لم يتم تضمين تفاصيل استراتيجية المكافحة.

أيضاً تمت دراسة مشكلة التنسيق الأمثل للتحكم الوقائي (PC) و (CC) عن طريق نموذج تحسين تصحيح منع تدفق الطاقة المقيدة بالسلامة التقنية، بحيث كان الهدف هو تقليل مجموع تكاليف (PC) و (CC)، وذلك مع مراعاة احتمالية وقوع الحوادث.

طرق التصحيح الخاصة بعملية التدفق الكهربائي

تتضمن طرق تصحيح الأمان الحالية بشكل أساسي فئتين، وهما طرق التحسين وطرق الحساسية وطرق التحسين، كما تنشئ نموذج التحسين من خلال تحديد مبدأ ضبط نقطة التشغيل، بحيث تتضمن الطريقة وظيفة موضوعية محسّنة وقيود سلامة تشغيلية يجب الوفاء بها بعد التعديل، كما يمكن الحصول على تدابير التعديل المقابلة من خلال الطرق الرياضية.

ومثال على هذه الأساليب وتؤخذ بعين الاعتبار القيود المختلفة في النظام، وعادة ما تكون مع سلامة واقتصاد أفضل، ومع ذلك قد يؤدي ذلك إلى مشاركة الكثير من المعدات في الضبط، كما وقد يكون لبعض المولدات الحد الأدنى من التعديل، والأهم من ذلك يتطلب نموذج التحسين عادةً وقت حساب طويل، وهو أمر غير عملي في التحكم في حالات الطوارئ في الشبكة الكهربائية.

لذلك تقوم طريقة الحساسية أولاً بفرز المولدات الكهربائية، وذلك وفقاً لحساسية التخلص من الحمل الزائد، ثم تقوم بمطابقة وضبط خرج المولد وفقاً لهذا الترتيب حتى تقع جميع فروع الحمل الزائد ضمن الحد المسموح به، وفي المقابل لا تتطلب طريقة الحساسية التكرارات.

ومن ثم؛ فإن الخوارزمية بسيطة وسرعة الحساب أسرع، علاوة على ذلك من السهل تحقيق الهدف المتمثل في الحد الأدنى من أجهزة الضبط أو الحد الأدنى من مبالغ الضبط، وهو أمر مناسب للتشغيل العملي، ونظراً للمزايا المذكورة أعلاه لطريقة تحليل الحساسية في تصحيح الأمان؛ فقد استخدم عدد قليل من العلماء طريقة تحليل الحساسية في العديد من المجالات.

استراتيجية التحكم في سلامة الطاقة النشطة

تعتبر حساسية الأجهزة المتعددة لضبط أزواج العقد، كما يتم ضبط طريقة التحكم في سلامة الطاقة النشطة التقليدية فقط في فروع الحمل الزائد، مما يؤدي إلى تعطيل النظر في قيود السلامة للفروع الأخرى، وأثناء عملية التصحيح، قد تكون الفروع التي لم يتم تحميلها فوق طاقتها في البداية، ولكنها ذات هامش أمان أقل مثقلة بشكل زائد.

وغالباً ما يكون من الصعب التعامل مع مشكلة الحمل الزائد متعدد الفروع، مما يؤدي إلى أساليب تحكم غير فعالة نسبياً، وذلك استناداً إلى مبدأ تعديل الكمية المتساوية والمعاكسة، كما تقدم هذه الدراسة قيود الطاقة للفروع العادية لضمان التخلص من الأحمال الزائدة دون التسبب في تفرعات جديدة.

وهذا يعني مبدأ ضبط الكمية المتساوية والمعاكسة أن المولد ذو الخرج المنخفض يتم إقرانه بمولد ذو خرج متزايد والعكس صحيح، كما أن الناتج المنخفض والمتزايد لكل مولدات اقتران متساوية، وهم زوج من عقد الضبط، بحيث يمكن أن يضمن هذا المبدأ أن إخراج آلة التوازن لا يتغير كثيراً.

ومع ذلك، قد يؤدي ذلك إلى حدوث مشكلات تعديل متكررة باستخدام هذه الاستراتيجية للتعامل مع الأحمال الزائدة متعددة الفروع، ولحل المشكلة، تم اقتراح مفهوم حساسية الأجهزة المتعددة لضبط أزواج العقد، وبعد ذلك يتم تقديم استراتيجية التحكم المحسّنة، والتي تستخدم لحل مشكلة الحمل الزائد متعدد الفروع، بحيث يجب تعديل الفروع وفقاً لترتيب الحمل الزائد بشكل منتظم، وأثناء العملية لن يتم ضبط العقد المعدلة في الاتجاه العكسي لتجنب الضبط المتكرر.

وأخيراً لا تزال هناك بعض القيود في اشتقاق النموذج وتحليل السيناريو، كما أن هناك حاجة إلى مزيد من دراسات الحالة العملية للتحقق من النموذج وتحسينه، بحيث تعتبر طريقة التضمين “هولومورفيك” مقدمة في العمل المستقبلي، إلى جانب ذلك؛ فإن طرق استكشاف علاقة معاملات الحساسية بين نقاط التشغيل الثابتة المختلفة هي أيضاً اتجاه البحث المستقبلي.