دراسة مصرية عن الشبكات المصغرة ودورها بمحطات الطاقة النووية

تؤدّي الشبكات المصغرة دورًا مهمًا في تعزيز استمرارية التغذية الكهربائية واستقرارها، بما يضمن التشغيل الآمن والموثوق لمحطات الطاقة النووية، التي تعتمد أنظمتها الحيوية وأنظمة الأمان والحماية والتحكم فيها على توافر مصدر كهربائي مستقر.

وتزداد أهمية هذا الأمر في حالات الطوارئ، مثل فقدان التغذية الكهربائية من الشبكة الرئيسة، وهو ما يستلزم توافر مصادر بديلة قادرة على الاستجابة السريعة والمحافظة على استمرارية تغذية الأحمال الحيوية، ومن هنا تبرز أهمية تطوير حلول هندسية حديثة تضمن موثوقية التغذية الكهربائية في مختلف ظروف التشغيل.

وفي هذا الإطار، تناولت رسالة الدكتوراه المقدمة من الباحث المصري محمد السيد موسى تطوير إستراتيجيات تحكم ذكية ومتقدمة للشبكات المصغرة، بهدف تحسين استقرار التردد وتعزيز موثوقية التغذية الكهربائية للأحمال الحيوية بمحطات الطاقة النووية.

وركّزت الدراسة على تصميم شبكة مصغرة تتكون من مولد ديزل، ومصدر للطاقة المتجددة، ونظام لتخزين الطاقة باستعمال البطاريات، بحيث تعمل هذه المكونات بصورة متكاملة لتحقيق التوازن المستمر بين الطاقة المنتجة والطاقة المستهلكة.

وأُنجِزت رسالة الدكتوراه -التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- تحت إشراف رئيس قسم الهندسة الكهربائية في كلية الهندسة بشبرا التابعة لجامعة بنها الدكتور محمد أحمد إبراهيم، والدكتور حسام السيد.

وتكوّنت لجنة الحكم والمناقشة من الأستاذ في قسم هندسة القوى والآلات الكهربية في جامعة عين شمس الدكتور المعتز يوسف عبدالعزيز، وأستاذ هندسة تحكم القوى الكهربية ووكيل كلية الهندسة بشبرا التابعة لجامعة بنها الدكتور محمود سليمان.

أهمية الشبكات المصغرة

في ظل التطور المتسارع في تكنولوجيا الطاقة وتطبيقات الذكاء الاصطناعي، أصبحت الشبكات المصغرة (Microgrids) من الحلول الواعدة لتوفير مصادر تغذية كهربائية مستقلة ومرنة.

وتتمثّل إحدى أهم مميزاتها في إمكان تشغيلها بصورة مستقلة عن الشبكة الكهربائية الرئيسة، فيما يُعرف بوضع التشغيل المعزول، بما يسمح باستمرار تغذية الأحمال حتى في حال انقطاع مصدر التغذية الخارجي.

ويقدم هذا البحث إضافة علمية وتطبيقية في مجال التحكم في الشبكات المصغرة، من خلال الجمع بين النمذجة الهندسية المتقدمة وتقنيات الذكاء الاصطناعي والتحقق العملي باستعمال أنظمة الاختبار في الزمن الحقيقي، بما يدعم التوجه نحو تطوير حلول هندسية مبتكرة لتعزيز موثوقية منظومات التغذية الكهربائية واستقرارها بمحطات الطاقة النووية.

وأوضح الدكتور محمد موسى -خلال تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة المتخصصة- أن استقرار التردد يُعد أحد أهم التحديات التي تواجه تشغيل الشبكات المصغرة في الوضع المعزول، إذ يؤدي أي اختلال بين القدرة المنتجة والقدرة المستهلكة إلى انحراف التردد عن قيمته الاسمية البالغة 50 هرتز.

وقد ينتج هذا الاختلال عن التغير المفاجئ في الأحمال، أو التغير في القدرة المنتجة من مصادر الطاقة المتجددة، أو خروج أحد مصادر التوليد من الخدمة، أو حدوث أعطال كهربائية، لافتًا إلى أن هذه الحالات تمثّل تحديًا حقيقيًا أمام أنظمة التحكم التقليدية، لا سيما مع الطبيعة غير الخطية والمتغيرة للشبكات المصغرة.

إجراء مقارنة علمية

قدّمت الرسالة متحكمًا ذكيًا قائمًا على تقنية المنطق الضبابي التكيفي متغير البنية (Variable Structure Adaptive Fuzzy– VSAF)، يجمع بين مرونة المنطق الضبابي والقدرة على التكيف مع التغيرات الديناميكية للنظام، من خلال تعديل بنيته وفقًا لظروف التشغيل.

ويتيح هذا التصميم للمتحكم تغيير استجابته بما يتناسب مع حجم الاضطراب وطبيعته، ويعزّز كفاءة التحكم ومرونته مقارنة بأساليب التحكم التقليدية.

ولرفع كفاءة المتحكم والوصول إلى أفضل أداء ممكن، استعملت الدراسة أسلوب تحسين هجينًا، إذ يهدف هذا الدمج إلى الاستفادة من مميزات الخوارزميتَيْن في البحث عن القيم المثلى لمعاملات التحكم، وتحقيق التوازن بين استكشاف نطاقات الحلول المختلفة والوصول إلى أفضل الحلول الممكنة.

وشملت الدراسة إجراء مقارنة علمية بين المتحكم المقترح وعدد من إستراتيجيات التحكم الأخرى، تضمّنت متحكم التناسب والتكامل التقليدي (PI)، والتحكم باستعمال المنطق الضبابي (Fuzzy Logic)، والتحكم الضبابي التكيفي (Adaptive Fuzzy).

وقُيّم أداء هذه المتحكمات في ظروف التشغيل المستقرة، وكذلك عند تعرض الشبكة لعدد من الاضطرابات المختلفة، شملت التغير المفاجئ في الأحمال، والتغير في سرعة الرياح، والتغير في معاملات النظام، والتغير في شدة الإشعاع الشمسي، بالإضافة إلى حدوث أعطال كهربائية ثلاثية الأوجه.

ضمان موثوقية التشغيل

أوضح الدكتور محمد موسى -في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- أن تقييم الأداء اعتمد على مجموعة من المؤشرات الهندسية، من أهمها أقصى انحراف للتردد بالزيادة أو النقصان، وزمن صعود الاستجابة، وزمن الاستقرار.

وأظهرت نتائج المحاكاة تفوّق المتحكم المقترح في تحسين الاستجابة الديناميكية والمحافظة على استقرار التردد في مواجهة الاضطرابات المختلفة، مقارنة بالمتحكمات الأخرى، وهو ما يعكس كفاءته في التعامل مع ظروف التشغيل المتغيرة وزيادة قدرة الشبكة على مواجهة حالات عدم الاستقرار.

ومن الجوانب المهمة التي تميزت بها الدراسة الانتقال من مرحلة المحاكاة النظرية إلى التحقق العملي من كفاءة إستراتيجية التحكم المقترحة باستعمال تقنية الاختبار بالأجهزة داخل حلقة المحاكاة (Hardware-in-the-Loop – HIL).

ونُفّذ المتحكم فعليًا باستعمال معالج الإشارات الرقمية (DSP)، وتعتمد هذه التقنية على تشغيل نموذج الشبكات المصغرة ومكوناتها في بيئة محاكاة تعمل في الزمن الحقيقي، بالتزامن مع تنفيذ خوارزمية التحكم على معالج رقمي حقيقي.

وأتاح هذا الأسلوب اختبار أداء المتحكم في ظروف أقرب إلى التطبيق العملي، مع مراعاة التأخيرات الزمنية والقيود الحسابية للمعالج وتأثيرات التحويل الرقمي ودقة الإشارات.

وأظهرت النتائج التجريبية توافقًا جيدًا مع نتائج المحاكاة، مع وجود فروق محدودة ترجع إلى طبيعة التنفيذ العملي والقيود المرتبطة بالأجهزة، وهو ما يدعم إمكان تطبيق إستراتيجية التحكم المقترحة في الأنظمة الفعلية.

وقال الدكتور محمد موسى إن الأهمية التطبيقية لهذا البحث تكمن في ارتباطه المباشر بأحد الجوانب الأساسية لضمان موثوقية التشغيل بمحطات الطاقة النووية، وهو توفير تغذية كهربائية مستقرة ومستمرة للأحمال الحيوية في مختلف الظروف التشغيلية.

كما يُسهم البحث في توظيف تقنيات الذكاء الاصطناعي وخوارزميات التحسين الحديثة لتطوير أنظمة طاقة أكثر مرونة واعتمادية، ويفتح المجال أمام دراسات مستقبلية لتطبيق إستراتيجيات التحكم الذكي في الشبكات المصغرة وأنظمة التغذية الكهربائية للأحمال الحرجة.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..