تتجه دول العالم إلى التوسع في استعمال المركبات الكهربائية، في إطار جهود تحقيق الحياد الكربوني وتعزيز الاعتماد على مصادر الطاقة النظيفة، وهو ما يفرض تحديات جديدة على شبكات الكهرباء، ولا سيما مع تزايد الطلب على الشحن وضرورة ضمان استقرار التغذية الكهربائية.
وفي هذا السياق، قدّمت رسالة دكتوراه مصريّة -اطلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة- إطارًا متكاملًا لتطوير شبكة مصغرة للتيار المستمر، تستهدف تحسين جودة القدرة الكهربائية وتوفير بنية تحتية متطورة لشحن السيارات الكهربائية.
وأعدّ الرسالة بكلية الهندسة في جامعة القاهرة الباحث الدكتور يوسف أشرف، تحت إشراف الدكتور أحمد إبراهيم، والدكتور أحمد زوبع، فيما ضمت لجنة المناقشة الدكتور المعتز يوسف عبدالعزيز ممتحنًا خارجيًا، والدكتور عصام الدين أبوالذهب ممتحنًا داخليًا.
وتتناول الرسالة تطوير منظومة متكاملة تجمع بين مُحسِّن جودة القدرة الموحد (Unified Power Quality Conditioner – UPQC) وشبكة مصغرة للتيار المستمر.
وتهدف المنظومة إلى تحسين جودة القدرة الكهربائية ودمج مصادر الطاقة المتجددة وإنتاج الهيدروجين الأخضر، إلى جانب توفير بنية متكاملة لشحن المركبات الكهربائية.
التوسع في المركبات الكهربائية
أوضح الباحث الدكتور يوسف أشرف -في تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- أن أهمية البحث تنطلق من التحديات المتزايدة التي تواجه شبكات توزيع الكهرباء، نتيجة انتشار الأحمال غير الخطية وتذبذب إنتاج مصادر الطاقة المتجددة، وما يترتب على ذلك من اضطرابات في الجهد والتيار، تشمل التوافقيات والارتفاع والانخفاض في الجهد وعدم اتزان الأطوار.
كما تستهدف الدراسة معالجة الفجوات البحثية المرتبطة بغياب إستراتيجيات متكاملة لإدارة تدفق الطاقة والتنسيق بين مصادر التوليد المختلفة والأحمال، خصوصًا في ظل تزايد الاحتياج إلى حلول تدعم التوسع في استعمال المركبات الكهربائية، وتضمن استقرار شبكات الكهرباء.
وتعتمد المنظومة المقترحة على ناقل مشترك للتيار المستمر، يربط مجموعة من مكونات الطاقة، تشمل الألواح الشمسية الكهروضوئية، وخلايا الوقود، ووحدة التحليل الكهربائي للمياه، وخزان تخزين الهيدروجين الأخضر، إلى جانب توربين رياح يشغّل منظومة مستقلة تتكون من مولد تيار مستمر ومحرك ومضخة مياه.
وتؤدي الطاقة الشمسية دورًا رئيسًا في تشغيل وحدة التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر، الذي يُخزّن لاستعماله لاحقًا في تغذية خلايا الوقود وتوليد الكهرباء، ما يوفر مصدرًا إضافيًا للطاقة عند الحاجة.
وفي المقابل، تُستعمل الطاقة الناتجة من توربين الرياح لتشغيل مضخة تعمل على إعادة تدوير المياه المتجمعة من خلايا الوقود إلى خزان وحدة التحليل الكهربائي، بما يدعم استمرار دورة إنتاج الهيدروجين داخل المنظومة.
وتتضمن البنية المقترحة محطات لشحن السيارات الكهربائية بالتيار المستمر، إذ تُستعمل الطاقة الشمسية لتوفير الشحن مرتفع القدرة، في حين تتولى خلايا الوقود إمداد محطات الشحن منخفضة القدرة بالطاقة اللازمة، بما يتيح تنويع مصادر التغذية وفقًا لمتطلبات التشغيل والطاقة المتاحة.
إستراتيجية ذكية لإدارة الطاقة
تعتمد الرسالة على إستراتيجية ذكية لإدارة الطاقة باستعمال الشبكات العصبية الاصطناعية (Artificial Neural Networks)، لتنسيق العمل بين مكونات المنظومة المختلفة، إذ تؤدي هذه الشبكات دور وحدة اتخاذ القرار الرئيسة في النظام.
وتراقب الإستراتيجية حالات التشغيل المختلفة، بما يشمل مدى توافر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وجاهزية خلايا الوقود، وحالة محطات شحن السيارات الكهربائية، لتحديد أوامر تشغيل المصادر والأحمال أو فصلها وفقًا للظروف التشغيلية.
وتتولّى منظومة الإدارة الذكية تنسيق توصيل مصادر الطاقة المتجددة، وتشغيل وحدة التحليل الكهربائي، ومنظومة ضخ المياه، وتفعيل محطات الشحن، بما يساعد على تحقيق الاستعمال الأمثل للطاقة المتاحة والمحافظة على استقرار الجهد على ناقل التيار المستمر.
وعلى صعيد أنظمة التحكم، تعتمد الرسالة على خوارزمية التحكم بالوضع الانزلاقي (Sliding Mode Control) للتحكم في مرشح القدرة الفعال المتصل على التوالي، بهدف تعويض اضطرابات جهد التغذية وتحسين شكل موجة جهد الحمل.
أما مرشح القدرة الفعال المتصل على التوازي، فيعتمد على متحكم تناسبي تكاملي ذي رتبة كسرية، بالاشتراك مع نظرية الإطار المرجعي المتزامن، لتنظيم جهد ناقل التيار المستمر وتعويض التوافقيات في تيار الحمل.
كما توظف الدراسة خوارزميات التحكم بالوضع الانزلاقي لتحقيق تتبع نقطة القدرة القصوى للألواح الشمسية وخلايا الوقود، إلى جانب تنظيم عمليات شحن المركبات الكهربائية وفق أسلوب الشحن ذي التيار الثابت ثم الجهد الثابت.
تحسين أداء المنظومة
أشار الدكتور يوسف أشرف -في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- إلى أنه استعان بخوارزمية “تحسين غزال الجبل” (Mountain Gazelle Optimizer MGO) لرفع كفاءة وحدات التحكم، لافتًا إلى أنها إحدى خوارزميات التحسين المستوحاة من الطبيعة، لتحديد المعاملات المثلى لوحدات التحكم بالاعتماد على دالة هدف متعددة الأهداف.
وتستهدف عملية التحسين تقليل التشوه التوافقي الكلي، وتحسين تنظيم جهد ناقل التيار المستمر، والحد من أخطاء التحكم في مرشحي القدرة الفعالين، بما ينعكس على كفاءة أداء المنظومة واستقرار تشغيلها.
كما تقارن الدراسة أداء الخوارزمية المقترحة بعدد من خوارزميات التحسين المعروفة، وتستعمل “جبهة باريتو” (Pareto Front) لتحديد الحلول غير المهيمن عليها، وإتاحة المفاضلة بين الأهداف المختلفة وفقًا لمتطلبات التشغيل.
وتخلص الرسالة إلى أن دمج مُحسِّن جودة القدرة الموحد مع شبكة مصغرة متكاملة للتيار المستمر، مدعومة بإدارة ذكية للطاقة وخوارزميات تحكم وتحسين متقدمة، يوفر إطارًا متكاملًا لتحسين جودة القدرة الكهربائية وتعزيز الاستفادة من مصادر الطاقة المتجددة، ودعم إنتاج الهيدروجين الأخضر وتوفير الطاقة اللازمة لشحن المركبات الكهربائية.
وتقترح الدراسة، في إطار التطوير المستقبلي، التوسع في استعمال أنظمة التحكم التنبؤية والتكيفية، وإضافة أهداف اقتصادية وبيئية إلى دالة التحسين، فضلًا عن توظيف نماذج للتنبؤ بسرعة الرياح ومعدلات الإشعاع الشمسي والطلب على شحن المركبات الكهربائية.
كما توصي بدراسة الجدوى الاقتصادية للمنظومة المقترحة، إلى جانب تقييم متطلّبات الأمن السيبراني، بما يدعم إمكان تطويرها وتطبيقها في منظومات الطّاقة الحديثة.
موضوعات متعلقة..
اقرأ أيضًا..
