التقييم التجريبي لتحكم طاقة يعتمد على تعديل متقدم لشجرة جذرية وخوارزمية الانزلاق فائقة الالتواء لأنظمة توربينات الرياح متغيرة السرعة

لماذا تكتسب سلاسة طاقة الرياح أهمية

تُصبح مزارع الرياح عماداً للكهرباء النظيفة، لكن الريح نفسها بعيدة عن الثبات. تسبب الهبات والهدوء تموجات وذروات في الطاقة الناتجة عن التوربين. يمكن أن تهدر هذه التقلبات الطاقة وتجهد المعدات وتزعج الشبكة الأكبر. تستكشف هذه الورقة طريقة جديدة لجعل الكهرباء المولدة من توربينات الرياح متغيرة السرعة أكثر سلاسة، مع تشوهات أقل وكفاءة أعلى، باستخدام نظام تحكم آني أكثر ذكاءً قائم على خوارزميات متقدمة.

كيف تحول توربينات اليوم الهبات إلى كهرباء

تعتمد معظم مزارع الرياح الكبيرة الآن على توربينات متغيرة السرعة يمكن لمولداتها التسارع أو الإبطاء مع تغير الريح. تصميم شائع يستخدم ما يُعرف بمولد الحث ذو التغذية المزدوجة، حيث يُربط الجزء الثابت للمكينة مباشرة بالشبكة بينما يُوصل الجزء الدوار عبر محولات إلكترونية طاقة. يتيح هذا الترتيب لمشغل المحطة ضبط كل من كمية القدرة الفعالة المسددة وكمية القدرة التفاعلية التي تساعد في استقرار الجهد على الشبكة. ومع ذلك، فإن نفس الإلكترونيات الطاقية التي تمنح هذه المرونة يمكن أن تُدخل تموجات غير مرغوب فيها—المعروفة بالتوافقيات—في التيارات، لا سيما عندما يضطر نظام التحكم للعمل بقوة أثناء تغيّرات الريح السريعة أو اضطرابات الشبكة.

حدود وحدات التحكم الذكية الحالية

استثمر الباحثون سنوات في تحسين استراتيجيات التحكم لهذه المولدات، من متحكمات النسبة والتكامل التقليدية إلى أساليب أكثر تطوراً باستخدام المنطق الضبابي أو الشبكات العصبية أو التحكم التنبؤي. تُقدَّر عائلة بارزة تُدعى التحكم بطريقة الحالة المنزلقة لصلابتها: إذ يمكنها إبقاء النظام على المسار حتى عندما يكون نموذج النظام غير مؤكد أو تكون الظروف قاسية. ومع ذلك، يميل التحكم التقليدي بطريقة الحالة المنزلقة إلى خلق أثر جانبي غير مرغوب يعرف بـ"الاهتزاز" (chattering)، وهو سلوك تبديل عالي التردد يظهر كضجيج إضافي وزيادة في إجمالي التشوه التوافقي في التيار. تحاول العديد من النسخ المحسّنة تليين هذا الأثر، لكنها غالباً ما تعتمد إعدادات مضبوطة يدوياً قد لا تكون مثالية عند تغير الظروف.

مزيج جديد من الالتواء وتوليف مستوحى من الجذور الشجرية

يقترح المؤلفون متحكماً هجيناً يعالج المشكلتين معاً. في جوهره يوجد إصدار مصقولة من التحكم بطريقة الحالة المنزلقة يُعرف بخوارزمية الالتواء الفائق (super-twisting)، التي تُنعّم أفعال المتحكم وتقلل بشكل كبير من الاهتزاز مع الحفاظ على مزايا الصلابة. مغلف بهذه الخوارزمية توجد طريقة تحسين تسمى تحسين الشجرة الجذرية، مستوحاة من كيفية تشعب جذور الأشجار واستكشافها للتربة وإعادة توجيه النمو نحو المياه الجوفية. في المتحكم، يمثل كل "طرف جذر" مجموعة مرشحة من معاملات الضبط. تقيم الخوارزمية باستمرار مدى مساهمة هذه المعاملات في مساعدة التوربين على تتبع أهدافه في القدرة وتقليل التشوهات، ثم تدفع مجموعة المرشحين نحو مناطق أداء أفضل. في الواقع، يصبح متحكم التوربين دائماً قابلاً للتكيف الذاتي، يبحث عن أفضل استجابة لظروف الريح والشبكة الحالية.

اختبار التحكم الذكي

لتقييم ما إذا كانت هذه المقاربة تعمل عملياً، بنى الفريق أولاً نماذج حاسوبية مفصلة لنظام توربين رياح بقدرة 1.5 كيلوواط باستخدام برنامج محاكاة متخصص. عرضوا التوربين الافتراضي لملفات رياح ثابتة ومتغيرة للغاية وقارنوا أداء المتحكم الجديد بعدة طرق معتمدة. أظهرت النتائج تتبُّعاً دقيقاً للغاية لمراجع القدرة الفعالة والتفاعلية، وعامل قدرة يقترب من الواحد، وانخفاضاً ملحوظاً في تشوه التيار. والأهم أن إجمالي التشوه التوافقي للتيارات انخفض إلى أقل من 3%، وهو أداء أفضل بوضوح من استراتيجيات مبنية على الطريقة المنزلقة المذكورة في الأدبيات والتي غالباً ما تتجاوز 5%.

من النموذج الحاسوبي إلى الأجهزة المخبرية

بعيداً عن المحاكاة، نفذ الباحثون متحكمهم على لوحة تحكم وقت-حقيقي مستخدمة على نطاق واسع في الصناعة والمختبرات البحثية. بنوا منصة اختبار تضم مولد الحث ذو التغذية المزدوجة، ومحولات طاقة، وأجهزة استشعار، ومحاكي رياح يعيد إنتاج أنماط رياح واقعية باستخدام محرك قيادة منفصل. حُوِّل خوارزمية التحكم المصممة أولاً في المحاكاة تلقائياً إلى كود وشُغّلت على العتاد بمعدل عينة مرتفع. أظهرت قياسات العزم والتيار والجهد والطاقة أن النظام التجريبي تصرف بشكل مشابه للنظام المحاكى: تم تنفيذ أوامر القدرة دون تجاوز، ظلت التيارات جيبية، وبقي المتحكم مستقراً تحت تغيرات الريح الناعمة والمفاجئة. وصلت الكفاءة الإجمالية إلى ما يقرب من 99%، مع أخطاء تتبع في القدرة حوالي عُشر بالمئة.

ما يعنيه هذا لمزارع الرياح المستقبلية

بعبارات مبسطة، تُظهر الدراسة أن جمع نسخة ألطف من التحكم الالتوائي الفائق مع روتين تحسين مستوحى من الجذور يمكن أن يجعل توربينات الرياح تتصرف أقرب إلى مصادر طاقة مثالية وثابتة رغم اضطراب الريح الحقيقي. عن طريق تقليل الضجيج الكهربائي، وتحسين دقة التتبع، والحفاظ على الاستقرار دون إعادة ضبط يدوية مستمرة، قد تساعد هذه المتحكمات الذكية مزارع الرياح على تزويد الشبكة بكهرباء أنظف وأكثر ملاءمة وتقليل تآكل المعدات المكلفة. ومع استمرار توسع طاقة الرياح، قد تصبح هذه الفئات من استراتيجيات التحكم الذكي عنصراً أساسياً في الحفاظ على موثوقية وكفاءة مصادر الطاقة المتجددة.

الاستشهاد: Alturki, M., Majout, B., Alqunun, K. et al. Experimental evaluation of an advanced rooted tree optimization based super twisting sliding mode power control for variable-speed wind turbine systems. Sci Rep 16, 13112 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42956-4

الكلمات المفتاحية: تحكم توربينات الرياح, مولد الحث ذو التغذية المزدوجة, تحكم بطريقة الحالة المنزلقة, تحسين ميتاهيريستي, جودة الطاقة