تحسين متحكم المنطق الضبابي في محوّل نظام طاقة شمسية مستقل باستخدام خوارزمية اليراعة

ضوء الشمس الأكثر ذكاءً للطاقة خارج الشبكة

مع اعتماد المزيد من المنازل والمزارع والمرافق النائية على الألواح الشمسية، يصبح الحفاظ على ثبات الإضاءة وسلامة الأجهزة الإلكترونية تحدياً أساسياً. عندما تمر الغيوم أو تتبدّل الأجهزة، يمكن أن يتذبذب التيار الخارج من نظام شمسي مستقل، مسبباً وميضاً، وارتفاع حرارة، وتلفاً في الأجهزة. تستعرض هذه الورقة طريقة جديدة لجعل محولات الطاقة الشمسية — الأجهزة التي تحوّل خرج الألواح إلى كهرباء شبيهة بالكهرباء المنزلية — أكثر استقراراً وكفاءة عبر دمج التحكم بالمنطق الضبابي مع طريقة بحث مستوحاة من الطبيعة تسمى خوارزمية اليراعة.

لماذا تحتاج الطاقة الشمسية إلى يد ثابتة

يتكون النظام الشمسي المستقل عادة من ألواح، وجهاز لرفع جهد اللوح، وبطاريات، ومحوّل يحوّل التيار المستمر إلى تيار متناوب يستخدمه الجهاز القياسي. يجب على المحوّل إبقاء الجهد والتردد ضمن حدود ضيقة مع الحفاظ على الضوضاء الكهربائية غير المرغوب فيها، أو التوافقيات، منخفضة جداً. تعمل المتحكمات التقليدية، مثل مخططات PI أو PID، بشكل جيد فقط إذا كان النظام الأساسي بسيطاً ومعلوماً بدقة. أما في التركيبات الشمسية الحقيقية فالأحمال تتغير فجأة، والإشعاع الشمسي يتقلب، والإلكترونيات تتصرف بطرق معقدة وغير خطية، مما يجعل هذه المتحكمات الثابتة بطيئة أو غير دقيقة أو حتى غير مستقرة خلال الاضطرابات القوية.

كيف يتعلّم المنطق الضبابي من الخبرة

تقدم متحكمات المنطق الضبابي بديلاً جذاباً لأنها تعمل أكثر مثل فني متمرّس من أن تكون معادلة جامدة. بدلاً من المعادلات الصارمة، تستخدم قواعد مثل «إذا كان خطأ الجهد صغيراً لكنه في ازدياد، قلّل إشارة التحكم». تعتمد هذه القواعد على دوال الانتماء التي تحول الأرقام الخام مثل خطأ الجهد ومعدل تغيره إلى مستويات نوعية مثل «سالب»، «صفر»، أو «موجب». المشكلة أن دوال الانتماء هذه عادةً ما تُصمّم يدوياً تجربةً وخطأً، وهي عملية بطيئة قد تفشل في العثور على أفضل الإعدادات، خاصة عندما يواجه المحوّل أنواعاً متباينة جداً من الأحمال، من سخانات بسيطة إلى محركات وأجهزة إلكترونية.

اليراعات كدلائل لتحسين التحكم

يتعامل المؤلفون مع عنق الزجاجة هذا بالسماح لروتين تحسين مستوحى من سلوك اليراعات بتوليف المتحكم الضبابي تلقائياً. في خوارزمية اليراعة، كل حل مرشح يشبه يراقة تعكس سطوعها مدى أداء المتحكم، مقوماً أساساً بمدى اقتراب الجهد من الهدف وكمية التشويه التوافقي. تجذب اليراعات الأكثر سطوعاً الأضعف منها، دافعةً المجتمع نحو حلول أفضل بينما يحافظ قدر من العشوائية على عدم توقف البحث في فتحة محلية. في هذه الدراسة تصبح مواضع وعرض وشكل جميع دوال الانتماء للمدخلات والمخرجات هي المتغيرات التي تعدّلها الخوارزمية، بهدف تقليل متوسط مربع الخطأ والحفاظ على التشويه تحت الحدود المعيارية.

الاختبار تحت تغيّرات حمل واقعية

لتقييم الفوائد، يقوم الفريق بنمذجة نظام ضوئي ثلاثي الطور مستقل في محاكاة، متضمناً محول رفع جهد، ومحوّل، ومرشح. يختبرون ثلاثة أنواع من المتحكمات: تصميم PI تقليدي، متحكم ضبابي قياسي، ومتحكمات ضبابية مُحسّنة بثلاث طرق بحث مختلفة — الخوارزميات الجينية، تحسين سرب الجسيمات، ونهج اليراعة. يتعرض النظام لسيناريوهات تتطلبه تحويل حمولة مقاومة بقدرة 50 كيلو واط إلى حمولة مقاومة‑حثية مختلطة ثم إلى حمولة غير خطية، كلها خلال أجزاء من الثانية. لكل حالة يتابعون سرعة استقرار الجهد، ومدى اقترابه من المرجع، وكمية المحتوى التوافقي في الخرج.

موجات أنقى وتعافٍ أسرع

تُظهر النتائج أن المتحكم الضبابي المحسّن بخوارزمية اليراعة يقدّم أداءً أكثر سلاسة ومتانة. عبر الأحمال المقاومة، الحثية، وغير الخطية، يحافظ على جهد الخرج ضمن نحو ±1% من القيمة المطلوبة ويعيده في أقل من ربع دورة AC بعد التغيرات المفاجئة. يبقى إجمالي التشويه التوافقي أقل من حد 5% الموصى به من المعايير الدولية، مع قيم منخفضة تصل إلى 2.89% في بعض الطور — أفضل من كل من متحكم PI التقليدي والمتحكمات الضبابية المولفة بطرق تحسين أخرى. ينخفض متوسط مربع الخطأ في تتبّع الجهد إلى نحو 0.0071، وتصل خوارزمية اليراعة إلى هذه الإعدادات بعد عدد أقل من التكرارات، مما يدل على تقارب أسرع في التصميم.

ما معنى هذا لمستخدمي الطاقة الشمسية اليوميين

بعبارة بسيطة، تظهر الدراسة أن السماح لخوارزمية مستوحاة من كيفية تجمع اليراعات حول الومضات الساطعة يمكن أن «تعلّم» تلقائياً متحكماً ضبابياً لتشغيل محول شمسي بسلاسة أكبر. ينتج عن المتحكم المحسّن طاقة أنظف وأكثر ثباتاً لمجموعة واسعة من الأحمال الكهربائية دون الاعتماد على نموذج رياضي دقيق للنظام. بالنسبة لمستخدمي الطاقة الشمسية خارج الشبكة، يترجم هذا إلى وميض أقل، إجهاد أقل على المعدات، واستغلال أفضل للطاقة التي تولدها الألواح، مما يشير إلى تركيبات شمسية مستقلة أكثر ذكاءً وموثوقية.

الاستشهاد: Nouri, P., Kamarposhti, M.A., Nouri, T. et al. Optimization of fuzzy logic controller in the converter of a standalone solar power system using the firefly algorithm. Sci Rep 16, 10248 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41508-0

الكلمات المفتاحية: محول شمسي مستقل, التحكم بالمنطق الضبابي, خوارزمية اليراعة, تشويه جهازي توافقي, جودة الطاقة المتجددة