تحسين استخدام المحولات الكهربائية باستخدام استجابة الطلب

أهمية تحسين استخدام المحولات الكهربائية بناءً على استجابة الطلب

تعد المحولات عموماً أغلى الأصول في نظام التوزيع الكهربائي، كما تعد كفاءة استخدامها العالية أمراً مهماً من أجل الحصول على عائد منطقي على الاستثمارات، ونظراً لانخفاض عامل التحميل ومتطلبات الطوارئ؛ فإن كفاءة استخدام المحولات الكهربائية أمر عادي، وهي تعمل تقليدياً عند تحميل (40٪ – 60٪) أثناء الظروف العادية.

لذلك يتم استخدام ما يقرب من 25٪ من أصول التوزيع فقط لـ (440) ساعة من ذروة الحمل في الولايات المتحدة، وعلاوة على ذلك، ونظراً لنمو الأحمال في ساعات الذروة والبنية التحتية المتقادمة؛ فإنه يلزم تحديث المحولات في المحطات الفرعية، لذلك يعتبر النهج الكلاسيكي للتعزيز مكلف، بحيث تبحث المرافق الكهربائية عن طرق مبتكرة لزيادة استخدام الأصول.

كما أن معدات المراقبة والتحميل المستمرة حتى التصنيف الحراري الديناميكي (DTR) هي طريقة لزيادة استخدام الأصول واستجابة الطلب (DR)، وهي تقنية لتقليل الحمل في الشبكة الذكية وتعتبر طريقة أخرى لتحسين استخدام المعدات من خلال تقليل الطلب في وقت الذروة.

ومع ذلك؛ فإن استخدام (DTR) أو (DR) وحده لا يمكن أن يوفر فائدة كبيرة محتملة تجاه تحسين الاستخدام، وفي حالة (DTR)؛ فإنه لا تزال ساعات تحميل الذروة تحد من تحميل المعدات بينما بالنسبة لـ (DR)، لذلك يكون التصنيف الثابت هو العامل المحدد الذي لا يضمن أفضل استخدام للأصول لأن التصنيفات الثابتة تعتمد على أسوأ الأحوال الجوية وظروف التحميل، حيث يمكن أن يوفر الجمع بين (DR) و (DTR) مكاسب كبيرة في كفاءة استخدام الأصول.

أيضاً تمت دراسة المعدلات الحرارية الديناميكية للمحولات بشكل جيد، بحيث يقترح معيار (IEEE) حداً أقصى لدرجة حرارة النقطة الساخنة (HST)، حيث يبلغ 110 درجة مئوية للتشغيل المستمر و 200 درجة مئوية لمدة قصيرة أثناء حالات الطوارئ، كما يوصى بالعملية فوق (HST) البالغة 140 درجة مئوية فقط بعد التشاور مع الشركة المصنعة لأنها قد تنتج غازات في العزل الصلب والزيت، مما يؤدي إلى ضعف قوة العزل الكهربائي.

الأساسيات الأولية لتحسين استجابة المحولات

لاحقاً تم وصف النموذج الحراري للمحول لحساب (HST) ومعادلات التقادم وأساسيات (DR) في هذا القسم.

محول (HST)

يمكن تقدير لف المحول (HST- θH) بواسطة المعادلة (1)، بحيث يتكون من ثلاثة مكونات:

  • درجة الحرارة المحيطة (θA).
  • ارتفاع الزيت فوق درجة الحرارة المحيطة (ΔθTO).
  • لف ارتفاع النقطة الأكثر سخونة على درجة حرارة الزيت العلوي (ΔθH).

كما يتم إعطاء ارتفاع قمة الزيت وارتفاع (HST) من خلال ما يلي:

حيث أن (ΔθTO و U و TO) هي الارتفاع النهائي والأولي للزيت العلوي فوق درجة الحرارة المحيطة إلى ثابت زمن الزيت، كما أن (ΔθH ،U ،ΔθH ) تمثل الارتفاع النهائي والأولي لأقصى درجة حرارة فوق درجة حرارة الزيت العلوي و (τw) هو وقت اللف ثابت.

لذلك؛ فإنه يمكن حساب الارتفاع النهائي لأعلى النفط والارتفاع الأقصى في النقطة الساخنة بالصيغة التالية:

حيث أن (ΔθTO ،ΔθH ،R) هي ارتفاع الزيت العلوي والأكثر سخونة عند الحمل المقنن، كما أن (KU) هي نسبة الحمل النهائي إلى التصنيف، (R) هي نسبة خسارة الحمل، (m) و (n) هما من العوامل التي تعتمد على نوع تبريد المحول.

انتهاء العمر الافتراضي للمحولات

تصف المعادلة التالية (6) معادلة حساب عامل تسريع التقادم (FAA) للورق الذي تمت ترقيته حرارياً (درجة الحرارة المرجعية 110 درجة مئوية)، حيث أن (FAA) للمحول تعني وظيفة أسية لتصفية HST) (θH)).

لذلك يمكن حساب عامل التقادم المكافئ (FEQA) للفترة الزمنية الإجمالية بواسطة المعادلة (7)، حيث أن (r) هو مؤشر الفاصل الزمني (Δt ،N) هو إجمالي عدد الفترات الزمنية و (FAA ،r) هو عامل تسريع العمر الافتراضي لـ (Δtr)، بحيث ينتج عن تشغيل المحول المستمر لمدة 24 ساعة مع (HST 110) درجة مئوية عامل تقادم مكافئ للوحدة.

كذلك يمكن حساب النسبة المئوية لفقدان الحياة (LOL) للمحول لمدة (t) ساعة من التشغيل بواسطة المعادلة التالية (8)، والتي تمثل عمر العزل الطبيعي للمحول والبالغ (180000) ساعة (20.55 سنة) مع التشغيل المستمر في (HST) من (110) درجة مئوية.

استجابة الطلب حسب الحاجة للمحولات

يشير (DR) إلى “التغييرات في استخدام الكهرباء من قبل عملاء الاستخدام النهائي من نمط استهلاكهم العادي استجابة للتغيرات في سعر الكهرباء بمرور الوقت أو عندما تتعرض موثوقية النظام للخطر”، كما أن هناك ثلاث استراتيجيات رئيسية لاستراتيجية (DR) هي:

  • التغيير (تغيير وقت استخدام الحمل).
  • تقليل الحمل دون تكوين الحمل لاحقاً.
  • التوليد في الموقع.

كما يمكن تصنيف الأجهزة المنزلية إلى فئات مختلفة، وهي التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والأجهزة الباردة (الثلاجة والفريزر) والأجهزة الرطبة (الغسالة ومجفف الملابس وغسالات الأطباق)، والإضاءة وأحمال الطبخ والأجهزة الخاصة بالوسائط ( أجهزة الفيديو والصوت) والأجهزة المتنوعة.

ومن ناحية (DR)؛ فإنه يمكن تقسيم أجهزة الاستخدام النهائي المنزلية إلى مجموعتين، الأولى تسمى مرنة والثانية تدعى حرجة، بحيث يمكن إزاحة الأجهزة المرنة في الوقت المناسب بينما لا توفر الأجهزة الحساسة مثل هذه المرونة في التشغيل. لقد اعتبرنا التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والأجهزة الباردة والأجهزة الرطبة أحمالاً مرنة.

أيضاً يمكن أن توفر الأجهزة المبللة (DR) عن طريق تأخير عملية الغسيل والتجفيف أو تعديل وقت الدورة أو باستخدام الماء البارد بدلاً من الماء الساخن، كما توفر الأجهزة الباردة المرونة من خلال تأخير عملية إزالة الجليد وصنع الثلج وتعديل وقت التشغيل وتقليل تشغيل الميزة وتغيير درجة الحرارة.

حيث تعمل مكيفات الهواء والسخانات على تمكين ميزة (DR) عن طريق تأخير التشغيل لفترة معينة وعن طريق التغيير الطفيف لدرجة الحرارة المحددة للمدة المطلوبة، بحيث توفر سخانات التخزين مرونة أعلى مقارنة بالسخانات المباشرة.

الخوارزمية المقترحة لضمان اختبار الطلب المناسب للمحولات

يوضح المخطط التدفق للخوارزمية لحساب الزيادة المطلوبة في استخدام المحولات مع الأحمال التي تدعم (DR) يحتوي هذا الرسم البياني على الوحدات الثمانية التالية.

الوحدة الأولى: يتم الحصول على البيانات المتعلقة بالنظام في هذه الكتلة، وقد تتضمن البيانات معلمات إدخال المحولات للحسابات الحرارية وملف تعريف الحمل السنوي وقدرة (DR) على الحمل ودرجة الحرارة المحيطة وحد (HST).

الوحدة الثانية: مُضاعِف التحميل مُهيأ هنا، بحيث يشير مضاعف الحمل إلى قياس ملف تعريف الحمل الأساسي، كم يتم زيادة ذلك خطوة بخطوة لإيجاد حدود التحميل.

الوحدة الثالثة: هنا يتم الحصول على ملف تعريف الحمل الجديد عن طريق مضاعفة مضاعف الحمل وبيانات التحميل الأولية، ثم يتم حساب القيم الحرارية وقيم التقادم لملف تعريف الحمل السنوي.

الوحدة الرابعة: تتم مقارنة (HST) للمحول من الوحدة الثالثة بالقيمة القصوى المسموح بها، وخاصةً إذا كان أقل من حد معين؛ فسيتم زيادة مضاعف الحمل. تتكرر هذه العملية حتى يتم الوصول إلى حد (HST)، حيث توفر هذه الوحدة قيمة الحد الأقصى للتحميل لتشغيل المحول ضمن حد (HST) بدون (DR).

الوحدة الخامسة: تجاوز (HST) للمحول الحد المسموح به لقيم التحميل الأخيرة في الوحدة الرابعة، لذلك؛ فإنه يلزم تقليل الحمل لتشغيل المحول ضمن حدود درجة الحرارة، كما يتم تقليل الحمل على المحول عن طريق تنشيط (DR).

شاهد أيضاً

النمذجة التحليلية للمحول الكهربائي تحت عطل التيار المستمر

أصبح المحول المعياري “متعدد المستويات” (MMC) من أبرز طوبولوجيا المحولات لتطبيقات التيار المباشر عالي الجهد …