تحسين هيبوپوتاموس — متحكم PID بمنحنى سيجمويدي مضبوط للتحكم في تردد الحمل لنظام طاقة حرارية مكوَّن من منطقتين مع مصادر طاقة متجددة

الحفاظ على ثبات الإضاءة في عالم متجدّد

مع إضافة المزيد من مزارع الرياح والألواح الشمسية إلى شبكات الطاقة، يصبح الحفاظ على ثبات تردد الكهرباء أكثر صعوبة. عندما يتذبذب التردد، قد تتعرض الأجهزة الحساسة والعمليات الصناعية، وحتى استقرار الشبكة نفسها للخطر. تستكشف هذه الورقة طريقة جديدة للسيطرة على تلك التذبذبات عن طريق الجمع بين متحكم تكيفي وطريقة بحث مستوحاة من سلوك فرس النهر.

لماذا يهم التردد في الحياة اليومية

معظم الناس لا يفكرون في تردد الشبكة، ومع ذلك فهو أساس موثوقية كل قابس ومأخذ كهربائي. في نظم الطاقة الكبيرة، يجب أن تعمل عشرات أو مئات المولدات بتزامن للحفاظ على التردد بالقرب من قيمة معيارية (50 أو 60 هرتز). إذا ارتفع الطلب فجأة، يميل التردد إلى الهبوط؛ وإذا تجاوزت التوليد الطلب، يميل إلى الارتفاع. تربط الشبكات الحديثة أيضاً مناطق بعضها ببعض عبر خطوط ربط طويلة؛ عندما تتأثر منطقة واحدة، قد يشعر بها جيرانها. الاندفاع المتغير للطاقة الشمسية والرياح يجعل هذا التوازن أكثر تعقيداً، لأن مخرجاتها يمكن أن تتغير بسرعة مع السحب أو هبات الرياح. المتحكمات التقليدية ذات القواعد الثابتة التي كانت تعمل جيداً سابقاً تواجه الآن صعوبة في إبقاء التردد وتغيرات طاقة خطوط الربط ضمن حدود آمنة.

نمط تحكم جديد لشبكة مكوَّنة من منطقتين

يركز المؤلفون على نموذج واقعي لمنطقتين متجاورتين مرتبطتين بخط ربط. تستضيف منطقة طاقة شمسية إلى جانب محطة حرارية تقليدية، بينما تقترن الأخرى بطاقة رياح مع وحدة حرارية مماثلة. تحتوي كل منطقة على أجهزة مثل منظّمات السرعة (governors) والتوربينات ونظام الطاقة الكلي، وكلها ممثلة بنماذج ديناميكية بسيطة. المهمة المركزية هي التحكم في تردد الحمل: دفع المولدات تلقائياً بحيث يبقى كل من التردد المحلي والطاقة المتبادلة عبر خط الربط مستقراً عند تحوّل الأحمال أو مخرجات المتجددة.

تعزيز الضبط عبر منحنى استجابة ناعم

تستخدم المتحكمات التقليدية من نوع PID ثلاث إعدادات ثابتة تتفاعل مع الخطأ الحالي والخطأ الماضي ومعدل تغير الخطأ. غالباً ما تضبط هذه مرة واحدة حول نقطة تشغيل "عادية" ثم تترك كما هي. في شبكة تتقلب بشدة بسبب المتجددة والأجهزة غير الخطية، نادراً ما يكون ذلك كافياً. يتيح متحكم PID ذو الاستجابة السيجمويدية (SPID) المقترح أن تتغير تلك الإعدادات أثناء التشغيل، لكن ضمن حدود تم اختيارها بعناية. يقوم بذلك باستخدام منحنى على شكل S — دالة سيجمويد — تزيد أو تنقص عدوانية المتحكم تدريجياً مع نمو حجم الاختلال. الاضطرابات الصغيرة تواجه سلوكاً لطيفاً قريباً من الكلاسيكي؛ والاضطرابات الكبيرة تدفع المتحكم إلى عمل أقوى بدون قفزات إلى قيم متطرفة قد تولد تذبذبات جديدة.

دع فرس النهر يبحث عن أفضل الإعدادات

تصميم مثل هذا المتحكم التكيفي يتطلب تحديد 18 معلمة مختلفة تتحكم بالحدود الدنيا والقصوى للمكاسب الداخلية وسرعة تحركها على طول منحنى S. بدلاً من محاولة ضبطها يدوياً، تستخدم الدراسة خوارزمية تحسين فرس النهر، وهي عضو حديث في عائلة «الميتاهيورستيك». في هذا النهج، يمثّل كل فرس نهر افتراضي مجموعة معلمات ممكنة، وحركاتهم في فضاء بحث رياضي تحاكي كيف يستكشف القطيع ويدافع ويهرب في الطبيعة. تسعى الخوارزمية لتقليل مقياس يُدعى التكامل الزمني للمطلق للخطأ (Integral of Time-weighted Absolute Error)، الذي يعاقب بشدة الأخطاء ذات الطول الزمني الأكبر.

أداء النهج الجديد تحت الضغط

بعد ضبط المتحكم بواسطة خوارزمية فرس النهر، تخضع الشبكة المكوَّنة من منطقتين لسلسلة من الاختبارات. تشمل هذه زيادات ونقصان مفاجئ في الأحمال في منطقة واحدة أو كلا المنطقتين، حالات بوجود أو بدون نطاق عدم استجابة المنظّم، وتغيرات واقعية في مخرجات الشمس والرياح خلال نافذة زمنية تبلغ 100 ثانية. يقارن المتحكم المقترح بعدة مخططات أخرى تستخدم متحكمات PID ذات مكاسب ثابتة مضبوطة عبر ميتاهيورستيكات مختلفة. عبر معظم السيناريوهات، يعيد الأسلوب الجديد التردد وطاقة خط الربط إلى مستويات مقبولة أسرع، مع تجاوزات ونقصان أقل، وخطأ إجمالي أقل كما يقيسه المؤشر المختار. حتى عندما تُزاح جميع معلمات النظام الرئيسية بمقدار زائد أو ناقص 25 إلى 50 بالمئة — محاكاة لأخطاء النمذجة أو شيخوخة المعدات — يحافظ المتحكم على سلوك مستقر. تظهر تحليلات إضافية في مجال التردد، باستخدام مخططات بودي، أن النظام يحتفظ بهوامش أمان مريحة ضد عدم الاستقرار عبر نطاق واسع من الظروف.

ما معنى ذلك لشبكات الطاقة المستقبلية

بعبارات بسيطة، تشير نتائج الورقة إلى أن الجمع بين متحكم تكيفي يستجيب بسلاسة واستراتيجية بحث قوية يمكن أن يساعد الشبكات المستقبلية على تجاوز الاضطرابات التي تدخلها المتجددة وسمات الأجهزة. بدلاً من الاعتماد على ضبط يناسب الجميع، يشكل المخطط المقترح استجابته تلقائياً وفق حجم كل اضطراب مع البقاء ضمن حدود آمنة. وبما أن النهج لا يزال مرتكزاً على هياكل تحكم معروفة وحوسبة معتدلة، فإن له مساراً واقعياً نحو التطبيق العملي. مع استمرار الشبكات في إزالة الكربون وتزداد تعقيداً، قد يلعب مثل هذا التحكم الترددي القوي والقابل للتكيف دوراً مهماً في الحفاظ على تدفق الطاقة بأمان وموثوقية.

الاستشهاد: Can, Ö., Ayas, M.Ş. & Şahin, A.K. Hippopotamus optimization–tuned sigmoid PID controller for load frequency control of a two-area thermal power system with renewable energy sources. Sci Rep 16, 11763 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41620-1

الكلمات المفتاحية: التحكم في تردد الحمل, شبكات الطاقة المتجددة, متحكم PID تكيفي, تحسين ميتاهيورستيكي, استقرار نظام الطاقة