تقدم هذه المقالة شبكة صغيرة للتيار المستمر مع تحكم هرمي يتم تنفيذه في جهاز محاكاة ، OPAL RT-Lab. يفصل نمذجة الدوائر واستراتيجيات التحكم الأولية والثانوية والتحقق من الصحة التجريبية. تظهر النتائج أداء تحكم فعالا ، مما يسلط الضوء على أهمية وجود منصة تجريبية قوية للبحث والتطوير في الشبكات الصغيرة.

أكد ظهور مصادر الطاقة المتجددة على أهمية الشبكات الصغيرة ، وخاصة متغيرات التيار المستمر ، والتي تعتبر مناسبة تماما لدمج الألواح الكهروضوئية وأنظمة تخزين البطاريات وحلول تحميل التيار المستمر الأخرى. تقدم هذه الورقة تطوير وتجريب شبكة صغيرة للتيار المستمر مع تحكم هرمي يتم تنفيذه في OPAL RT-Lab ، وهو جهاز محاكاة. تشتمل الشبكة الصغيرة على موارد الطاقة الموزعة (DERs) المترابطة عبر محولات الطاقة وناقل التيار المستمر وأحمال التيار المستمر. يستخدم التحكم الأساسي آلية تحكم في التدلي وتحكم مزدوج الحلقة في التكاملات النسبية (PI) لتنظيم الجهد والتيار ، مما يضمن التشغيل المستقر والمشاركة النسبية للطاقة. يستخدم التحكم الثانوي استراتيجية قائمة على الإجماع لتنسيق DERs لاستعادة جهد الناقل وضمان مشاركة الطاقة بدقة ، مما يعزز موثوقية النظام وكفاءته. يتضمن الإعداد التجريبي المفصل في هذه الورقة نمذجة الدوائر وتنفيذ الأجهزة واستراتيجيات التحكم. يتم تحديد معلمات الدوائر ووحدة التحكم في النظام الأساسي للأجهزة ، ويمكن ملاحظة النتائج من خلال قياسات راسم الذبذبات. يتم إجراء مجموعتين من التجارب التي توضح استجابة التحكم الثانوية مع وبدون تأخير للتحقق من فعالية استراتيجية التحكم. تؤكد النتائج التنفيذ الناجح للتحكم الهرمي في الشبكة الصغيرة. تؤكد هذه الدراسة على أهمية المنصة التجريبية الشاملة لتطوير تكنولوجيا الشبكات الصغيرة ، مما يوفر رؤى قيمة للبحث والتطوير في المستقبل.

مع التطور السريع لمصادر الطاقة المتجددة ، اكتسبت الشبكات الصغيرة اهتماما كبيرا على مستوى^{العالم 1}. إنها تمكن من دمج موارد الطاقة الموزعة (DERs) ، مثل الطاقة الكهروضوئية الشمسية (PV) ، جنبا إلى جنب مع أنظمة تخزين الطاقة (ESSs) ، في الشبكة ، وبالتالي دعم الانتقال إلى الطاقة المستدامة والمتجددة. كعنصر حاسم في تكامل الطاقة المتجددة ، حظيت الشبكات الصغيرة للتيار المستمر باهتمام كبير نظرا لتوافقها مع طبيعة التيار المستمر المتأصلة في الأنظمة الكهروضوئية والبطاريات وأنظمة الطاقة المتجددة الأخرى. تقلل عملية التيار المستمر من الحاجة إلى تحويلات الطاقة المتعددة ، والتي يمكن أن تحسن كفاءة النظام وموثوقيته بشكل عام. وبالتالي ، تقدم الشبكات الصغيرة للتيار المستمر وسيلة واعدة لتحسين تكامل الطاقة^{المتجددة 2}.

من المسلم به على نطاق واسع أن المحاكاة والدراسات التجريبية ضرورية لتطوير تقنية الشبكات الصغيرة. تسمح عمليات المحاكاة للباحثين أو المهندسين بنمذجة وتحليل السيناريوهات المختلفة واستراتيجيات التحكم في بيئة افتراضية فعالة من حيث التكلفة وخالية من المخاطر. ومع ذلك ، فإن التجريب في العالم الحقيقي لا يقل أهمية لأنه يتحقق من صحة هذه النماذج والنظريات ، ويكشف عن التحديات العملية والسلوكيات الديناميكية التي قد لا تلتقطها المحاكاة بالكامل³. على الرغم من الرؤى المكتسبة من عمليات المحاكاة ، فإن التجارب العملية على الشبكات الصغيرة ضرورية لمعالجة المشكلات التي تنشأ عن التطبيقات المادية. تساعد هذه التجارب في فهم الخصائص التشغيلية وديناميكيات التحكم والتفاعلات بين المكونات المختلفة في بيئة العالم الحقيقي⁴. نظرا لحجمها الأصغر وطبيعتها المعيارية ، توفر الشبكات الصغيرة حلا أكثر قابلية للإدارة وقابلية للتطوير لإجراء هذه الدراسات التجريبية الحيوية مقارنة بشبكات الطاقة التقليدية واسعة النطاق ، والتي تكون واسعة ومعقدة للغاية للتجارب العملية. لذلك ، يعد إجراء التجارب الفيزيائية على الشبكات الصغيرة أمرا ضروريا لتعزيز فهمنا وقدراتنا في هذا المجال.

في شبكة التيار المستمر الصغيرة النموذجية ، يتم توصيل العديد من DERs بناقل تيار مستمر من خلال محولات الطاقة. يسهل هذا الإعداد التبادل المباشر للطاقة دون الحاجة إلى تحويلات DC-DC أو AC-DC^{متعددة 5}. تنظم محولات الطاقة هذه الجهد والتيار ، مما يضمن نقل الطاقة واستقرارها بكفاءة. يعمل ناقل التيار المستمر كعقدة مركزية ، حيث يوزع الطاقة على الأحمال المختلفة المتصلة بالنظام. توفر خطوط النقل المسارات اللازمة لتدفق الطاقة بين DERs والمحولات والأحمال ، مما يحافظ على مصدر طاقة مستقر وموثوق داخل الشبكة الصغيرة. لإدارة تشغيل الشبكة الصغيرة DC بشكل فعال ، غالبا ما يتم استخدام هيكل تحكم هرمي⁶. ينقسم هذا الهيكل بشكل عام إلى ثلاثة مستويات: التحكم الأولي والثانوي والثالثي ، ولكل منها وظائف ومسؤوليات متميزة.

يركز التحكم الأساسي على التنظيم الفوري للجهد والتيار داخل الشبكة الصغيرة للتيار المستمر ، مما يضمن الاستقرار ومشاركة التيار / الطاقة المناسبة بين DERs. التحكم الأساسي الأكثر شيوعا هو التحكم في التدلي. بالمقارنة مع عناصر التحكم الأساسية الأخرى ، فهي خالية من الاتصالات ولها استجابة سريعة. ومع ذلك ، نظرا لخاصية التدلي ، قد يتسبب التحكم في التدلي في انحراف الجهد وغير قادر على الحفاظ على الجهد عند القيمة الاسمية. في الوقت نفسه ، مع زيادة الحمل وعدد DERs ، تقل دقة تقاسم التيار. لذلك ، هناك حاجة إلى تحكم ثانوي إضافي لاستعادة الجهد وتنظيم التيار. يستعيد التحكم الثانوي نقاط تشغيل النظام بعد الاضطرابات وينسق وحدات التحكم الأساسية لتنظيم الجهد والتيار. يعمل التحكم من الدرجة الثالثة على تحسين التشغيل الاقتصادي والاستراتيجي للشبكة الصغيرة ، وإدارة جدولة الطاقة والتفاعلات مع شبكة الطاقة الرئيسية⁷.

تسلط الأدبيات الحديثة الضوء على التطورات الكبيرة في تطبيق التحكم الهرمي للشبكات الصغيرة للتيار المستمر ، والتقدم من دراسات المحاكاة إلى إعدادات الأجهزة في الحلقة (HIL) ، وفي النهاية إلى التجارب الفيزيائية في العالم الحقيقي. غالبا ما استخدمت الدراسات البحثية الأولية أدوات محاكاة لتطوير واختبار خوارزميات التحكم الهرمية لشبكات التيار المستمر الصغيرة. تركز هذه الدراسات على نمذجة السلوك الديناميكي للشبكات الصغيرة ، وتحسين استراتيجيات التحكم ، وتقييم أداء النظام في ظل ظروف مختلفة. تستخدم بيئات المحاكاة مثل MATLAB / Simulink و PSCAD بشكل شائع نظرا لمرونتها ومجموعات أدواتها الشاملة لتحليل نظام الطاقة⁸. بالانتقال إلى ما هو أبعد من عمليات المحاكاة البحتة ، توفر تجارب HIL بيئة اختبار أكثر واقعية من خلال دمج أجهزة التحكم في الوقت الفعلي مع نماذج microgrid المحاكاة. يسمح هذا النهج للباحثين بالتحقق من صحة خوارزميات التحكم وتقييم أدائها في ظل ظروف شبه حقيقية. تعمل إعدادات HIL على سد الفجوة بين الدراسات النظرية والتطبيقات العملية ، مما يوفر رؤى قيمة حول التفاعل بين أنظمة التحكم ومكونات الشبكة^{الصغيرة 9}. يتم تحقيق التحقق النهائي من استراتيجيات التحكم الهرمي من خلال التجارب المادية على إعدادات الشبكة الصغيرة الفعلية. تتضمن هذه التجارب نشر خوارزميات التحكم على أجهزة الشبكة الصغيرة الحقيقية ، بما في ذلك DERs ومحولات الطاقة الإلكترونية ووحدات التحكم. توفر التجارب المادية التقييم الأكثر دقة لأداء النظام ، وتكشف عن التحديات العملية والمشكلات التشغيلية التي قد لا تكون واضحة في عمليات المحاكاة أو إعدادات HIL.

لتلخيص تقدم أبحاث التحكم الهرمي في شبكات التيار المستمر الصغيرة ، يقدم الجدول 1 نظرة عامة على الدراسات الرئيسية المصنفة حسب نهجها التجريبي. من الأدبيات المذكورة أعلاه ، من الواضح أنه في حين أن بعض الدراسات قد استخدمت بنجاح منصات الشبكة الصغيرة المادية للتجريب ، إلا أن هناك نقصا ملحوظا في التوثيق المنهجي والأوصاف الشاملة لهذه المنصات التجريبية واستخدامها ، لا سيما في سياق التحكم الهرمي. هذه الفجوة كبيرة لأن المعلومات التفصيلية حول الإعدادات والمنهجيات والنتائج التجريبية ضرورية لتكرار الدراسات وتطوير البحث وتسهيل التنفيذ العملي لاستراتيجيات التحكم الهرمية في تقنيات الشبكات الصغيرة. في ضوء هذه الحاجة ، تهدف هذه الورقة إلى تقديم مقدمة مفصلة ومنهجية لتطوير واستخدام منصة تجريبية مادية للشبكات الصغيرة للتيار المستمر ، مع التركيز على التحكم الهرمي ، للمساهمة برؤى قيمة وإرشادات عملية للبحث الجاري في هذا المجال.

باختصار ، المساهمات الرئيسية لهذه الورقة هي كما يلي. أولا ، في إطار استراتيجية التحكم الهرمي ، توضح الورقة بالتفصيل خوارزميات التحكم والتطبيقات اللازمة للتحكم في الشبكة الصغيرة ، بينما تعاملت الأعمال السابقة في الغالب مع التجارب على أنها تحقق من الصحة دون مزيد من التفصيل. ثانيا ، تماشيا مع نشر خوارزميات التحكم ، توفر هذه الورقة أيضا إعداد الأجهزة وطوبولوجيا مكونات الشبكة الصغيرة ، مما يعزز قابلية تكرار تجارب التحكم في الشبكة الصغيرة. ثالثا ، من خلال إنشاء منصة تجريبية قابلة للتطوير ، تضع هذه الورقة الأساس للبحث المستقبلي حول الشبكات الصغيرة ، مما يسمح بمزيد من استكشاف أداء التحكم في ظل ظروف العالم الحقيقي مثل تأخيرات الاتصال واختلافات الحمل ، وبالتالي دعم تطوير استراتيجيات تحكم أكثر قوة وكفاءة.

في هذا القسم ، نوضح الطرق المستخدمة لتطوير وتجربة شبكة DC الصغيرة التي تتضمن التحكم الهرمي الموضح في الشكل 1 ، والذي تم تنفيذه في OPAL RT-Lab (يشار إليه فيما يلي باسم "المحاكاة"). ينقسم البروتوكول إلى ثلاثة أقسام رئيسية: الإعداد المادي ونمذجة الدوائر ، وتنفيذ استراتيجية التحكم ، والإعداد التجريبي للمحاكاة. يلاحظ أن هذا البروتوكول لا يغطي استراتيجية التحكم من الدرجة الثالثة ، والتي تنطوي على تحسين وتفاعل على مستوى أعلى مع شبكة الطاقة الرئيسية ، وهي خارج نطاق إعدادنا التجريبي الحالي ، وتترك للعمل المستقبلي.

1. الإعداد المادي ونمذجة الدوائر

1. الطوبولوجيا الكهربائية للنظام
   ملاحظة: بالنظر إلى بنية دائرة نظام الشبكة الصغيرة DC ، نواصل بناء النظام الأساسي التجريبي للأجهزة من خلال الخطوات التالية.
   1. بناء DER فردي
      1. قم بتوصيل القطب الموجب لتيار التيار المستمر من خلال سلك بالقطب الموجب للإدخال لدائرة باك ، مع توصيل الأقطاب السالبة المقابلة في نفس الوقت ؛ يظهر المحول المحدد في الشكل 2 أ. قم ببناء نموذج رياضي لمحول باك لتسهيل تصميم معلمات التحكم لعمليات المحاكاة والإعدادات التجريبية اللاحقة. بالنسبة لمحول باك نموذجي كما هو موضح في الشكل 3 ، قم ببناء معادلات مساحة الحالة الخاصة به باستخدام طريقة متوسط مساحة الحالة على النحو التالي⁵:
              (1)
         حيث I^L و V^C هي تيار المحرض وجهد الخرج ، على التوالي ؛ R ، L ، C هي معلمات المكونات في دائرة المحول ؛ يمثل V^في جهد الإدخال DC ؛ و d يمثل دورة عمل محول DC-DC. قم بتحويل المعادلة (1) إلى نموذج دالة النقل التالي ، وهو أكثر ملاءمة لتصميم وحدة تحكم PI.
         
              (2)
         حيث يمثل s عامل عامل لابلاس. G_Id(s) هي دالة نقل نسبة الواجب إلى التيار ؛ و G_VI (s) هي وظيفة نقل التيار إلى الجهد.
      2. بناء الشبكة الصغيرة باستخدام DERs متعددة
         1. كرر عملية إنشاء DERs الفردية كما هو موضح أعلاه. مع وجود العديد من DERs في مكانها ، قم بتوصيل أطراف الإخراج الموجبة والسالبة المقابلة لكل دائرة باك.
         2. لمحاكاة مقاومة الخط ، أدخل مقاومات صغيرة في سلسلة بين الأقطاب الموجبة لكل DER.
      3. تكامل التحميل
         1. استخدم المقاومات لمحاكاة الأحمال الشائعة في الشبكات الصغيرة للتيار المستمر. بالنسبة للأحمال العالمية ، قم بتوصيل أطراف المقاوم مباشرة بنقاط التقاء القطبين الموجب والسالب لجميع DERs. عند وجود مقاومة الخط ، قم بتوصيل المقاومات عند إخراج كل دائرة باك لمحاكاة الأحمال المحلية ، كما هو موضح في الشكل 2 د.
            ملاحظة: في هذه التجربة ، يتم تنفيذ توصيلات الدوائر باستخدام موصلات المكونات الإضافية كما هو موضح في الشكل 2C.
2. تصميم وإعداد دوائر الأجهزة
   ملاحظة: يتكون إعداد الأجهزة للمنصة التجريبية للشبكة الصغيرة DC ، المقابلة للطوبولوجيا في الشكل 1 ، بشكل أساسي من الخطوات التالية:
   1. تكوين مصدر طاقة التيار المستمر
      1. قم بتنشيط مصدر الطاقة بالضغط على زر الطاقة.
      2. اضبط الجهد على القيمة المحددة باستخدام المقبض. مصدر الطاقة هذا هو مصدر تيار مستمر بجهد ثابت بنطاق إخراج [0 - 300 فولت] وطاقة قصوى تبلغ 600 واط. ابدأ مصدر الطاقة في بداية التجربة بالضغط على المفتاح. يظهر مصدر الطاقة المستخدم في هذه التجربة في الشكل 2 ب.
   2. إعداد محول باك DC-DC
      1. قم بتوجيه إشارات الإدخال والإخراج للمحول إلى لوحة تحويل الإشارة وتوصيلها بوحدة التحكم في أجهزة المحاكاة عبر كبلات الإشارة.
         ملاحظة: يسمح هذا الإعداد بإخراج إشارات التيار والجهد في شكل تناظري وإرسال إشارات PWM من وحدة التحكم لتشغيل المحول على مستوى الدائرة.
   3. التحقق من توصيلات الناقل والحمل
      1. تأكد من توافق هذه الخطوة مع الخطوة 1.1.3. افحص جميع الاتصالات للتأكد من دقتها وأمانها.

2. تنفيذ استراتيجية التحكم

1. 2.1.تكوين التحكم في التدلي
   1. قم بإنشاء وحدة التحكم في التدلي في وحدة التحكم داخل جهاز المحاكاة عن طريق سحب وإسقاط المكونات مثل المكاسب وكتل الفرق ، كما هو موضح في الشكل 4.
   2. انقر نقرا مزدوجا فوق وحدة "الكسب" واضبط معامل التدلي كما هو مطلوب.
2. إعداد التحكم PI ثنائي الحلقة
   1. قم بإنشاء مخطط كتلة التحكم عن طريق سحب المكونات وإفلاتها في جهاز المحاكاة (انظر الشكل 5).
   2. عند تحديد مكاسب التحكم PI ، استخدم نموذج وظيفة النقل لمحول باك في المعادلة (2) ، باتباع تسلسل تصميم الحلقة الداخلية (الحلقة الحالية) أولا ثم الحلقة الخارجية (حلقة الجهد).
      ملاحظة: هناك مفاضلة بين الاستجابة الديناميكية السريعة ودقة مشاركة الطاقة في مخطط التحكم ثنائي الحلقة ، حيث أن التعديلات السريعة للجهد قد تضر بدقة توزيع الطاقة بين DERs.
3. بناء طوبولوجيا الاتصالات الموزعة
   1. توفير إشارات إدخال مختلفة لوحدات التحكم في كل DER لتنفيذ التحكم الموزع داخل وحدة التحكم المركزية في المحاكاة. على سبيل المثال ، بالنسبة إلى DER 1 ، اسحب الإشارات من DER 2 و DER 4 إلى وحدة التحكم الخاصة بها لتمكين الاتصال الموزع ، كما هو موضح في الجزء الأيسر من الشكل 6 وفي الشكل 7C.
4. تنفيذ استراتيجية المراقبة الثانوية الموزعة
   1. قم بإنشاء مخطط كتلة التحكم الثانوي في جهاز المحاكاة بناء على عنصر التحكم الثانوي القائم على الإجماع ، كما هو موضح في الشكل 6. اضبط استجابة التحكم الثانوية عن طريق تعديل مكاسب التحكم.

3. الإعداد التجريبي لمحاكاة في الوقت الحقيقي

ملاحظة: يتكون التكوين المحدد لتجربة المحاكاة من أربع خطوات ، كما هو موضح في الشكل 8.

1. تهيئة النموذج
   1. انقر فوق تحرير زر لتعديل البرنامج الذي يعمل على جهاز المحاكاة. بعد ذلك ، قم بتنشيط الزر SET لإكمال إعدادات خاصية التطوير.
2. تجميع النماذج
   1. بعد الانتهاء من تحرير النموذج ، انقر فوق الزر "إنشاء" لتجميع النموذج في رمز قابل للتنفيذ.
   2. راقب نافذة تجميع البرامج حتى تظهر الرسالة "تم التجميع بنجاح". في حالة حدوث خطأ ، حدد موقع الخطأ بناء على المطالبة وقم بإجراء التصحيحات اللازمة
3. تكوين التحكم في الوقت الحقيقي للمحاكاة
   1. عند الانتهاء من عملية التحويل البرمجي، قم بتكوين إعدادات التعليمات البرمجية للبرنامج مثل وضع المحاكاة ونوع ارتباط الاتصال في الوقت الفعلي والمعلمات الأخرى ذات الصلة.
4. تنزيل البرنامج وتنفيذه
   1. قم بتنزيل البرنامج القابل للتنفيذ المترجم في جهاز وحدة التحكم وابدأ التجربة.
   2. قم بتوصيل مجسات الجهد الخاصة براسم الذبذبات بالأطراف الموجبة والسالبة لكل مخرج DER ، وقم بتثبيت المجسات الحالية في منافذ الإخراج. استخدم نافذة راسم الذبذبات لمراقبة الإخراج من كل DER في الشبكة الصغيرة.

يوضح الشكل 4 وحدة التحكم في التدلي في وحدة التحكم التي تم إنشاؤها داخل جهاز المحاكاة. يعتمد التصميم التفصيلي على آلية التدلي التالية:

آلية التحكم في التدلي هي استراتيجية أساسية للتحكم الأساسي اللامركزي في الشبكات الصغيرة للتيار المستمر. إنه يحاكي سلوك المولدات المتزامنة في أنظمة التيار المتردد لمشاركة الأحمال بشكل متناسب بين DERs المختلفة. يقوم التحكم في التدلي بضبط جهد الخرج لكل DER بناء على تيار الخرج الخاص به ، باتباع خاصية التدلي المحددة مسبقا:

     (3)

حيث يمثل V_i^ref الجهد المرجعي ل ith DER. يمثل V_iⁿ نقطة ضبط الجهد التي يقدمها عنصر التحكم الثانوي ، والذي يتم تعيينه افتراضيا على القيمة الاسمية V_nom ؛ k_i هو معامل التدلي. و I_i هو تيار خرج DER. من المعادلة (3) ، يمكن ملاحظة أن التحكم في التدلي يضبط الجهد المرجعي لكل DER وفقا لمعاملات التدلي المختلفة k_i لتحقيق المشاركة الحالية. من المعادلة (3) ، يتضح أن التحكم في التدلي لا يعتمد على معلومات من DERs الأخرى وهو معادلة جبرية تسمح باستجابة سريعة. ومع ذلك ، فإنه يتسبب حتما في انحراف الجهد عن القيمة الاسمية V_iⁿ.

يوضح الشكل 5 مخطط كتلة التحكم الذي تم إنشاؤه عن طريق سحب المكونات وإفلاتها في جهاز المحاكاة. يتم إعطاء المدخلات والمخرجات المحددة من خلال المعادلات التالية.

تنظم حلقة التحكم في الجهد الخارجي جهد الخرج لمتابعة الجهد المرجعي للتحكم في التدلي. يضبط التيار المرجعي I_i^ref للحلقة الداخلية على النحو التالي.

(4)

حيث k_i^{p و v} و k_i^{i ، v}هي المكاسب النسبية والمتكاملة لحلقة الجهد ، على التوالي.

تضمن حلقة التحكم في التيار الداخلي أن التيار يتبع القيمة المرجعية التي تحددها حلقة الجهد الخارجي. تتمتع حلقة التحكم الحالية بوقت استجابة أسرع لمواجهة الاضطرابات بسرعة. ويرد قانون المراقبة المحدد على النحو التالي.

(5)

حيث d_i [0،1] هي دورة العمل لتوليد PWM ، و k_i^{p و i} و k_i^{i ، i} هي المكاسب النسبية والمتكاملة ، على التوالي ، للحلقة الحالية.

تم إنشاء مخطط كتلة التحكم الثانوي في جهاز المحاكاة بناء على التحكم الثانوي القائم على الإجماع ، كما هو موضح في الشكل 6. تهدف استراتيجية التحكم الثانوي الموزع إلى تحقيق تنظيم الجهد وتقاسم الطاقة بين DERs بطريقة لامركزية. يتم تحقيق ذلك من خلال خوارزمية إجماع ، حيث يقوم الوكلاء بضبط نقاط ضبط الجهد الخاصة بهم بشكل متكرر بناء على القياسات المحلية والمعلومات الواردة من الوكلاء المجاورين.

يظهر بروتوكول التحكم الثانوي النموذجي القائم على الإجماع أدناه ، وكذلك في الشكل 7 ب.

     (6)

حيث c_i هو كسب اقتران للتحكم في المشاركة الحالية. لقد^{قمت بتصنيفها} هو التيار المقنن ل i^th DER. لقد ثبت أن قانون التحكم (6) يمكن أن يضمن استعادة الجهد ومشاركة التيار بدقة. من الواضح أن وحدة التحكم الثانوية (4) موزعة بالكامل ، مما يعني أن أدائها لن يتأثر بحجم الشبكة الصغيرة وعدد DERs. توفر قابلية التوسع هذه أساسا لتطبيقها في الشبكات الصغيرة على نطاق واسع. علاوة على ذلك ، يسمح الهيكل الهرمي بالتوسع المرن ، حيث يمكن ضبط عناصر التحكم الأساسية والثانوية محليا وعالميا ، مما يضمن التشغيل المستقر حتى مع زيادة تعقيد النظام. بشكل عام ، يظهر إطار التحكم الهرمي للشبكات الصغيرة DC في الشكل 7.

للتحقق من فعالية التحكم الهرمي على النظام الأساسي لأجهزة microgrid المصممة ، يتم إجراء تجارب على إعداد الأجهزة الموضح في الشكل 9. يتم تفصيل دوائر الأجهزة ومعلمات وحدة التحكم المستخدمة في التجارب في الجدول 2. لوحظت النتائج التجريبية باستخدام راسم الذبذبات.

تم إجراء ثلاث مجموعات من التجارب: واحدة مع استجابة تحكم ثانوية دون تأخير في الاتصال (الشكل 10) ، وواحدة مع تأخير (الشكل 11) ، وواحدة في ظل ظروف تباين الحمل (الشكل 12). هنا ، اخترنا وحدة تأخير النقل في جهاز المحاكاة لتقديم تأخير ثابت ، وهو تبسيط للتأخير في شبكات اتصالات الطاقة في العالم الحقيقي. يتم تقديم مناقشة لأداء الرقابة في قسم المناقشة.

الشكل 1: الهيكل الكهربائي والتحكم لشبكة صغيرة نموذجية للتيار المستمر. الوصف: يوفر التحكم من الدرجة الثالثة الجهد الاسمي V_nom لكل DER ، بينما على مستوى التحكم الثانوي ، تتعاون DERs مع بعضها البعض من خلال شبكة اتصالات موزعة ، وبالتالي توفير نقطة ضبط الجهد للتحكم الأساسي القائم على التدلي. في التحكم في المحولات ذات المستوى الأدنى ، يتم توصيل مصادر الطاقة ، عادة التوليد الموزع أو ESS ، بالشبكة عبر المحولات ، والتي تنظم الإخراج من خلال تحكم PI مزدوج الحلقة. المختصرات: DER = مورد الطاقة الموزعة؛ ESS = نظام تخزين الطاقة ؛ PWM = تعديل عرض النبضة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: الأجهزة في تجربة الشبكة الصغيرة للتيار المستمر. (أ) محول باك DC-DC. (ب) مصدر طاقة التيار المستمر. (ج) موصلات المكونات الإضافية. (د) خطوط التوصيل والحمل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: هيكل محول باك نموذجي. الرموز: Vⁱⁿ = جهد الإدخال ؛ (د ) = دورة العمل؛ I^L = تيار المحرض ؛ V^C = جهد الخرج ؛ L = المحرض ؛ C = المكثف ؛ R = مقاومة الحمل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: نموذج محاكي للتحكم في التدلي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 5: نموذج Simulink للتحكم في PI ثنائي الحلقة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 6: نموذج التحكم الثانوي الموزع في جهاز المحاكاة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 7: إطار التحكم الهرمي للشبكات الصغيرة للتيار المستمر. (أ) التحكم الأساسي. (ب) المراقبة الثانوية. (ج) طوبولوجيا الاتصالات المستخدمة في هذه الورقة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8: التكوين المحدد للمحاكاة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 9: المنصة التجريبية للشبكة الصغيرة DC. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 10: التحكم في أداء مخطط التحكم الهرمي في الشبكة الصغيرة للتيار المستمر. (أ) الفولتية الناتجة ، (ب) تيارات الإخراج. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 11: الردود الحالية في ظل التأخير. (أ) التأخر τ = 30 مللي ثانية، (ب) التأخر τ = 40 مللي ثانية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 12: التحكم في الأداء تحت تغيرات الحمل. (أ) جهد الخرج ، (ب) تيارات الإخراج. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1: نظرة عامة على أبحاث التحكم الهرمي في الشبكات الصغيرة.

الجدول 2: معلمات الشبكة الصغيرة للاختبار DC.

يوضح الشكل 10 استجابات التيار والجهد لنظام الشبكة الصغيرة تحت التحكم الثانوي دون تأخير في الاتصال. قبل الوقت t₁ ، يتم تنظيم النظام فقط عن طريق التحكم الأولي القائم على التدلي ، حيث يتضح أن الجهد لا يمكن أن يستقر عند القيمة الاسمية البالغة 48 فولت ، وأن التوزيع الحالي غير دقيق نسبيا. عند تنشيط التحكم الثانوي في الوقت t₁ ، يتعافى الجهد بسرعة إلى حوالي 48 فولت عند t₂ ، ويحقق التيار توزيعا دقيقا بنسبة 3: 1: 3: 1. هذا يدل على أن التحكم الثانوي يلبي بشكل فعال أهداف التحكم الخاصة به.

في شبكات اتصالات الطاقة المعقدة العملية ، غالبا ما يواجه التحكم الثانوي ، الذي يعتمد على الاتصال ، تحدي تأخيرات الشبكة. يمكن أن تؤدي هذه التأخيرات إلى تدهور أداء النظام ، مما يؤدي إلى أوقات استجابة أبطأ ، وانخفاض الاستقرار ، وحتى عدم الدقة المحتملة في مشاركة الطاقة. لمحاكاة هذا السيناريو ، نقوم بإدخال تأخيرات الاتصال في إشارات نظام التحكم الموزع لمراقبة استجابة النظام. ويعرض الشكل 11 الأشكال الموجية الحالية للنظام في ظل تأخير الاتصال البالغ 30 مللي ثانية و40 مللي ثانية. يمكن ملاحظة أنه بعد تنشيط التحكم الثانوي المتأثر بالتأخير ، يظهر النظام تذبذبات كبيرة. مثل هذا السلوك التذبذبي غير مقبول في شبكات الطاقة في العالم الحقيقي ، مما يسلط الضوء على أهمية إجراء مزيد من البحث باستخدام هذه المنصة التجريبية لمعالجة الآثار السلبية لتأخير الاتصال على التحكم الثانوي.

في الشبكات الصغيرة الفعلية ، تكون اختلافات الحمل شائعة جدا ومتكررة. للتحقق بشكل كامل من فعالية الطريقة المقترحة على منصة الشبكة الصغيرة التي تم إنشاؤها ، أجرينا تجربة تباين الحمل. كما هو موضح في الشكل 12 ، أضفنا تحميل R_add = 16 Ω في الوقت t₁ وأزلناه في الوقت t₂. في الشكل 12 أ ، يمكن للمرء أن يرى أن الجهد يتعرض لتذبذب قصير عندما يتغير الحمل ولكنه يتعافى بسرعة إلى القيمة الاسمية. وفي الوقت نفسه ، في الشكل 12 ب ، تحافظ تيارات DERs الأربعة على تخصيص دقيق أثناء توصيل الحمل وفصله.

من النتائج التجريبية ، يمكن تقسيم النقاط الرئيسية لهذا البروتوكول إلى مكونات الأجهزة والبرامج. بالنسبة لجزء الأجهزة ، من الأهمية بمكان ضمان الأسلاك الصحيحة لجميع عناصر الدائرة ، وخاصة الأطراف الموجبة والسالبة. وبالنسبة لجزء البرمجيات، ينبغي أن يتبع نشر نظام التحكم استراتيجية التحكم الهرمية الموضحة في قسم البروتوكول.

عادة ما تكون الأخطاء الشائعة في النظام هي عدم تجاوز الإخراج أو الإخراج الحدود. يتمثل النهج القياسي في التأكد من صحة توصيلات أجهزة النظام (أي عدم وجود دوائر قصيرة أو دوائر مفتوحة) ثم التحقق مما إذا كانت مخرجات وحدة التحكم تتصرف بشكل غير طبيعي. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لقيود جهاز المحاكاة في هذه التجربة ، تعذر تنفيذ التحكم الموزع الحقيقي ، حيث يتم إصدار أوامر التحكم مركزيا بواسطة جهاز المحاكاة بدلا من وحدات التحكم المنفصلة. هذا يختلف عن أنظمة الشبكة الصغيرة في العالم الحقيقي.

في الختام ، تقدم هذه الورقة تطوير وتنفيذ استراتيجية تحكم هرمية لشبكة التيار المستمر الصغيرة ، مما يدل على فعالية كل من التحكم في التدلي للتنظيم الأولي والتحكم الثانوي القائم على الإجماع لتحقيق استعادة الجهد ومشاركة الطاقة بدقة بين DERs. من خلال النمذجة التفصيلية للدوائر ، وتنفيذ الأجهزة ، وتكامل استراتيجيات التحكم باستخدام جهاز المحاكاة ، مختبر OPAL-RT ، يتم التحقق من صحة أداء النظام في ظل سيناريوهات مختلفة ، بما في ذلك التجارب مع تأخير الاتصال واختلافات الحمل. تؤكد النتائج أن نظام التحكم المقترح قادر على الحفاظ على جهد ثابت وضمان مشاركة الطاقة النسبية حتى في ظل الظروف الديناميكية. علاوة على ذلك ، فإن الوصف التفصيلي للمنصة التجريبية ، بما في ذلك إعداد الأجهزة ومعلمات التحكم ، يعزز قابلية تكرار الدراسة ويوفر رؤى قيمة للبحث المستقبلي والنشر العملي للشبكات الصغيرة. سيركز العمل المستقبلي على استكشاف استراتيجيات التحكم المتقدمة وتعزيز متانة النظام لاستيعاب حالات الطوارئ في العالم الحقيقي بشكل أفضل.

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.

تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين بموجب 62103308 المنح ومنحة 62073247 ، وجزئيا من خلال صناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية بموجب المنحة 2042023kf0095 ، جزئيا من قبل مؤسسة العلوم الطبيعية لمقاطعة هوبي الصينية بموجب المنحة 2024AFB719 و JCZRQN202500524 ، جزئيا من خلال تمويل مشروع تكنولوجيا التجارب بجامعة ووهان بموجب المنحة WHU-2022-SYJS-10 ، وجزئيا من خلال برنامج زمالة ما بعد الدكتوراه التابع ل CPSF بموجب المنحة رقم GZC20241269.