متحكم أحادي-الكسر من النوع PID مثالي للتحكم في تردد الحمل لشبكات ميكروية متعددة مترابطة تتضمن طاقة متجددة ونظام تخزين

المحافظة على استقرار الإضاءة في عالم متجدد

مع زيادة عدد المنازل والصناعات التي تسحب الطاقة من مزارع الرياح وسدود الطاقة المائية والبطاريات المتقدمة، يصبح الحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية أصعب. عندما يختل التوازن بين العرض والطلب، ينحرف تردد الشبكة، ما قد يتلف المعدات ويؤدي إلى انقطاع التيار. تستعرض هذه الورقة نهجًا جديدًا للحفاظ على تشغيل العديد من شبكات الطاقة الصغيرة المترابطة—المعروفة بالميكروغريدات—بشكل سلس، حتى عندما تكون مصادر الطاقة المتجددة وطلب المستهلكين شديدة التقلب.

لماذا يهم تردد الشبكة لحياتنا اليومية

تم تصميم أنظمة الطاقة الكهربائية لتعمل عند تردد محدد للغاية (50 أو 60 هرتز، حسب المنطقة). إذا تم تشغيل العديد من الأجهزة في آن واحد، أو إذا هبت الرياح فجأة بخفة ونتج عنها إنتاج أقل للتوربينات، فقد ينخفض التردد أو يرتفع. الانحرافات الصغيرة أمر طبيعي، لكن الانحرافات الكبيرة أو المطولة يمكن أن تجهد الخطوط وتربك أجهزة الحماية وتقصّر عمر الإلكترونيات الحساسة. تزداد هذه المشكلة تعقيدًا عندما ترتبط عدة دول أو مناطق معًا: فاضطراب في منطقة واحدة يمكن أن ينتشر عبر خطوط الربط ويزعزع استقرار الجيران. تعمل الطرق التقليدية للتحكم في تردد الحمل جيدًا على الشبكات البسيطة المعتمدة على الوقود الأحفوري، لكنها تواجه صعوبات مع تزايد مصادر الطاقة المتجددة وأجهزة التخزين.

من شبكات كبيرة منفردة إلى العديد من الميكروغريدات الذكية

لمواجهة تزايد طلب الكهرباء مع تقليل استخدام الوقود الأحفوري، تتطور أنظمة الطاقة من عدد قليل من المحطات الضخمة إلى شبكات من الميكروغريدات الأصغر. كل ميكروغريد في هذه الدراسة يجمع بين محطات حرارية تقليدية وكهرباء مائية وتوربينات رياح وتقنيتي تخزين متقدمتين: بطاريات التدفق الأحمركس (redox flow) التي تخزن الطاقة في إلكتروليتات سائلة، وأنظمة الهيدروجين التي تحول فائض الكهرباء إلى هيدروجين ثم تعيده طاقة عبر خلايا الوقود. هذه الميكروغريدات مترابطة لتبادل الطاقة. الفائدة هي المرونة والقدرة على الصمود؛ أما الجانب السلبي فهو شبكة تفاعلات تجعل من الصعب بكثير الحفاظ على التردد وتبادل الطاقة ضمن حدود آمنة عند حدوث تغيّرات حمولة مفاجئة.

طريقة أكثر ذكاءً لضبط «طيار آلي» الشبكة

يعتمد المهندسون غالبًا على متحكمات PID—أنظمة تلقائية تدفع المولدات باستمرار لأعلى أو لأسفل—لتصحيح أخطاء التردد. يستخدم هذا العمل نسخة أكثر مرونة تسمى متحكم PID من الدرجة الكسرية، الذي يضيف مقابض ضبط إضافية ويمكنه تشكيل استجابة النظام عبر الزمن بشكل أفضل. المشكلة أن ضبط هذه المتحكمات في شبكات كبيرة غنية بالمتجددات هو مسألة بحث معقدة تحتوي على العديد من المسارات الخادعة. للتعامل مع ذلك، يقوم المؤلفون بتحسين ما يسمى بالمحسّن السياسي، وهي خوارزمية بحث مستوحاة من الانتخابات متعددة الأحزاب. نسختهم الجديدة المعززة بالذاكرة، mPO، تسمح لـ«المرشحين» الافتراضيين بتذكر أفضل مواقعهم السابقة واستخدام تلك الخبرة لتوجيه تحركاتهم المستقبلية، بينما يحافظ إجراء استكشاف خاص على تنوع البحث حتى لا يتعثر مبكرًا.

اختبار الخوارزمية قبل الاقتراب من الشبكة

قبل تطبيق mPO على مسائل الطاقة الحقيقية، يختبر المؤلفون الخوارزمية على مجموعة من الوظائف المعيارية الرياضية المستخدمة لتقييم طرق التحسين. عبر 12 من هذه الدوال الاختبارية، تتقارب mPO باستمرار بشكل أسرع وأكثر موثوقية من عدة خوارزميات طبيعية شهيرة، بما في ذلك الذئب الرمادي وسرب قط الرمال ونهج الجيب-جتاين، بالإضافة إلى المحسّن السياسي الأصلي. أظهرت دقة قوية ومتانة جيدة وميلاً أقل للوقوع في نقاط قصوى محلية، مما يشير إلى أن تعديلات الذاكرة والاستكشاف تحسن فعليًا عملية البحث.

تثبيت شبكات الميكروغريدات الغنية بالمتجددات

جوهر الورقة سلسلة من المحاكاة على ميكروغريدين مترابطين ثم على نظام أكبر مكون من أربعة. في كل حالة، تتضمن الميكروغريدات وحدات حرارية ومائية ورياح بالإضافة إلى أنظمة تخزين، وتتعرض لتغيرات حمل حادة وتأثيرات غير خطية واقعية. تُستخدم خوارزمية mPO لضبط متحكمات PID الكسرية بحيث يُصغّر مقياس خطأ مركب—يتتبع كلًا من انحرافات التردد وتبادلات الطاقة غير المرغوب فيها. بالمقارنة مع المحسّن السياسي التقليدي وطرق أخرى، يقلل mPO هذا الخطأ بحوالي 8% عندما يوجد تخزين هجين هيدروجين–بطارية في نظام المنطقتين وبنحو 20% في نظام المناطق الأربع. كما يقصر أوقات الاستقرار ويخفض التجاوز، مما يعني أن الميكروغريدات تعود إلى التشغيل الطبيعي بسرعة أكبر ومع تقلبات أقل.

ما يعنيه هذا لأنظمة الطاقة المستقبلية

ببساطة، تقدم هذه الدراسة «طيارًا آليًا» أذكى لشبكات الغد المعقدة والمشبعة بالمتجددات. من خلال الجمع بين نوع متقدم من المتحكمات وخوارزمية بحث معززة بالذاكرة، يوضح المؤلفون أن الميكروغريدات المترابطة متعددة المناطق يمكنها تحمل قفزات الطلب المفاجئة وتقلبات المتجددات بانحرافات تردد أصغر وتدفقات طاقة أكثر سلاسة. ورغم أن العمل مبني على محاكاة مفصلة، فإنه يشير إلى أن مثل هذه طرق الضبط الذكية قد تساعد مشغلي العالم الحقيقي على دمج المزيد من الطاقة النظيفة دون التضحية بالاستقرار، مما يمهد الطريق لشبكات أكبر وأكثر خضرة وموثوقية.

الاستشهاد: Alshahir, A., Fathy, A., A. Hashim, F. et al. Optimal fractional order PID-load frequency controller for multi-interconnected microgrids including renewable energy and storage system. Sci Rep 16, 14342 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43080-z

الكلمات المفتاحية: الميكروغريدات, الطاقة المتجددة, التحكم في التردد, خوارزمية التحسين, تخزين الطاقة