الفهرس 
Chapter 1 IntroductionOnly 14 pages are availabe for public view
 |  | from | 171 |  |  |
| | | from | 171 | | |
Abstract
تعتبر طاقة الرياح أحد أنواع الطاقة المتجددة التى انتشر استخدامها مؤخرا كبديل للوقود الأحفورى، وهى طاقة وفيرة وقابلة للتجدد ولا ينتج عنها أى انبعاثات أثناء التشغيل كما أنها تعتبر من أفضل مصادر الطاقة المتجددة. يمكن بناء محطات طاقة رياح على البر(onshore) او فى البحر(offshore) وبمقارنة النوعين معا تبين أفضلية توليد الطاقة عن طريق مزارع الرياح البحرية البعيدة عن الشاطئ وتكون الرياح عندها قوية وثابتة مقارنة بمزارع الرياح البرية. حيث أن مزارع الرياح البحرية تقع على مسافات تتراوح بين 50-400كم عن الشاطئ فإن خطوط نقل الجهد العالى المستمر (HVDC) يعتبر حل جيد لتوصيل مزارع الرياح البحرية يالشبكة الكهربية وذلك لما فيها من مميزات مقارنة بخطوط نقل الجهد العالى المتردد (HVAC) على سبيل المثال أن تكلفتها أقل ولا يحدث فيها الظَّاهِرَةُ السَّطَحِيَّةُ أو التَّأثِيرُ السَّطَحِيَّ كما أن الفقد فى القدرة الكهربية فيها أقل وأيضا تكون أطوال خطوط النقل غير محدودة فى حين أن طول الخط فى حالة (HVAC) لا يتعدى 500كم. وبالإضافة لذلك فإنها تحتوى على متحكمات مستقله تتحكم فى تدفق القدرة الكهربية داخل الشبكة. ولذلك تم إستخدام خطوط نقل الجهد العالى المستمر لربط مزارع الرياح البعيدة عن الشاطئ بالشبكة الكهربية. تنقسم تقنية نقل الجهد العالى المستمر إلى نوعين النوع الأول (LCC-HVDC)والنوع الثانى هو (VSC-HVDC) ولكن تقنية (VSC-HVDC) أفضل وحيث تستخدم ترانزستور ثنائي القطبية ذو بوابة معزولة (IGBT) والذى يستطيع أن يعمل على ترددات عالية ويستطيع عكس القدرة المتدفقة خلاله لحظيا كما أنه رخيص الثمن وحجمه مناسب ويقلل التوافقيات. ولذلك كان الجزء الأول من الرسالة يتناول طريقة عمل متحكم يقوم بالتحكم فى خطوط نقل الجهد العالى المستمر المستخدمة لربط مزاراع رياح بعيدة عن الشاطئ مع الشبكة الكهربية وانقسم هذا الجزء إلى جزئين كما يلى :- ● الجزء الاول ويتضمن تصميم مزرعة رياح بعيدة عن الشاطئ (OWF) وتوصيلها بخطوط نقل الجهد العالى المستمر (VSC-HVDC) وعلاوة على ذلك تم تصميم مرشح كهربى (LCL Filter) وذلك لتثبيط أى توافقيات ممكن أن تحدث فى الشبكة الكهربية. علاوة على ذلك تم إقتراح إستراتيجية تحكم بإستخدام المتحكم التنبؤي (MPC) للتحكم فى خط نقل الجهد العالى المستمر (VSC-HVDC) وتم إستخدام طريقة متحكم أخر قائمة على الإطار المرجعى الغير متزامن (SRF-based CLD) كطريقة مقارنة لإثبات فعالية إستراتيحية التحكم المقترحة. ●الجزء الثانى ويتضمن جزء المحاكاة والذى تم فيها محاكاة مكونات النظام التفصيلية بإستخدام برنامج المحاكاة الماتلاب والتي تُستخدم لأداء كل من الديناميكيات والتقييم العابر لاستراتيجية التحكم المقترحة. علاوة على ذلك ، تم اختبار النظام أثناء حدوث أخطاء كهربية بالقرب من ناقل الشبكة وأخذ القياسات في أماكن مختلفة في الشبكة من حيث الجهد والتيار والقدرة الفعالة والغير فعالة وتردد الشبكة ومقدار التوافقيات التى حدثت فى الشبكة. ولكن نتيجة ربط مزارع الرياح البحرية مع الشبكة الكهربية قد يحدث مشاكل متعلقة بإتزان الشبكة ولذلك تم إستخدام أجهزة تخزين الطاقة لدعم ربط مزارع الرياح البحرية مع خطوط نقل الجهد العالى المستمر(VSC-HVDC) وزيادة الكفاءة والإعتمادية لتدفق القدرة الكهربية من مزارع الرياح البعيدة عن الشاطئ (OWF) للشبكة الكهربية كما أنها تقوم بإخماد أى توافقيات قد تحدث فى الشبكة. يوجد أنواع مختلفة من أجهزة التخزين وتم إختيارنظم التخزين فائقة التوصيلية المغناطيسية(SMES) نظرا لإستجابتها اللحظية وكفاءتها العاليه التى تصل إلى 95%. وقد تم عمل تصميم لنظام التخزين وربطه بالقرب من الشبكة الكهربية. كما تم بناء متحكم للتحكم فى نظام التخزين وعمل استراتيجية تحكم بإستخدام المتحكم التنبؤئ (MPC) والذى يعالج أكثر من دخل/ خرج ، ويعمل لحظيا،ويستطيع التنبؤ بالمتغيرات قبل أن تحدث فعليا. ولإثبات أهمية إستخدام (SMES) فقد تم تعريض الشبكة إلى أنواع مختلفة من الأخطاء الكهربية والتى من الوارد حدوثها فى الشبكة وتم اختبار أداء الشبكة ومقارنة النتائج فى ثلاث حالات الحالة الأولى فى حالة عدم توصيل (SMES) مع الشبكة والحالة الثاينة فى حالة توصيل (SMES)واستخدام المتحكم التنبؤى(MPC) والحالة الأخيرة تم إستخدام (SVC) للتحكم فى (SMES) لإثبات فاعلية طريقة المتحكم التنبؤى الذى تم اقتراحها وكان هذا هو الجزء الثانى الذى تناولته الرسالة وانقسم هذا الجزء إلى جزئين كما يلى:- ●الجزء الأول وهو الجزء الخاص بتصميم النظام حيث تم فى هذا الجزء تصميم خط نقل جهد عالى مستمر (VSC-HVDC ) وتم عمل نظام تخزين بإستخدام نظام تخزين فائق التوصيلية المغناطيسية (SMES) لدراسة تأثيره على النظام. علاوة على ذلك ، تم إستخدام المتحكم التنبؤى (MPC) كأسلوب تحكم فى (SMES) تم إختبار النظام تحت حالات عدم إتزان مختلفة وذلك لإثبات فاعلية الإستراتيجية المقترحة كما تم دراسة النظام فى حالة عدم وجود نظام التخزين وتم إستخدام متحكم (SVC) كطريقة للمقارنة. ● الجزء الثانى وهو الجزء الخاص بالمحاكاة بإستخدام الماتلاب وتم إختبار النظام فى ظل ثلاث ظروف مختلفة فى ثلاث حالات بشكل أساسي وهما فى حالة عدم وجود نظام تخزين وفى حالة وجود نظام تخزين فائق التوصيلية المغناطيسية يعتمد على المتحكم التنبؤى (MPC) وفى حالة وجود نظام تخزين فائق التوصيلية المغناطيسية يعتمد على المتحكم (SVC). تم قياس القياسات المختلفة مثل الجهد والتيار والقدرة الفعالة والقدرة الغير فعالة فى حالات مختلفة وتم قياس التشوهات التوافقية التى حدثت فى النظام. من ناحية أخرى تتمتع المحولات المتعددة المستويات (MMC-HVDC) بميزة تسمح بتقليل أو إزالة معدات الترشيح التوافقية. ولذلك تم عمل نظام ربط لمحطات رياح البعيدة عن الشاطئ (OWF) بإستخدام المحولات متعددة المستويات. كما تم عمل ربط لنظام تخزين بإستخدام بطاريات واسعة المدى بنظام نقل جهد عالى مستمر متعدد المستويات(MMC-HVDC) وتم إستخدام محول تعزيز (DC-DC boost converter) وذلك لرفع جهد البطارية لجهد خط النقل المطلوب. بالإضافة لذلك تم إستخدام وحدة تحكم تناسبى تفاضلى (PI)للتحكم فى محول التعزيز المتصل بالبطارية وكنظام خبير يستخدم فيما بعد لتدريب الإستراتيجية المقترحة والتى تعتمد على الشبكة العصبونية الإصطناعية (ANN).وهذا هو الجزء الثالث الذى تم تناوله فى الرسالة وينقسم إلى جزئين كما يلى :- ● الجزء الأول وهو جزء الخاص بالتصميم والذى تم فيه تصميم بطاريات ذات مدى واسع وتم توصيلها بنظام (MMC-HVDC) المتصل بمزارع رياح بعيدة عن الشاطئ (OWF). علاوة على ذلك تم تصميم محول تعزيز (DC-DC boost converter) لرفع جهد البطارية لجهد نظام نقل الجهد العالى المستمر متعدد المستويات.تم إستخدام المتحكم التفاضلى التناسبى للتحكم فى محول التعزيز وتم إستخدامه كنظام خبير لتدريب الشبكة العصبونية الإصطناعية(ANN) المقترحة فى الرسالة. ثم يتم استخدام وحدة التحكم PI كأسلوب مقارنة لإثبات فعالية وحدة تحكم ألشبكة العصبونية الإصطناعية(ANN-based PI). ● الجزء الثانى وهو الجزء الخاص بالمحاكاة فى الماتلاب وتتم ملاحظة القياسات للنظام مثل الجهد والتيار والقدرة الفعالة والقدرة الغير فعالة وحالة شحن وتفريغ البطارية (BESS)والتردد للشبكة وعلاوة على ذلك تم تحليل أداء الشبكة العصبونية الإصطناعية (ANN-based PI). وتتكون هذه الرسالة من ستة فصول كما يلي : الفصل الأول يمهد هذا الفصل لمحتويات الرسالة والغرض من البحث وأهداف الرسالة ، كما يستعرض المعلومات الأساسية عن أهمية توليد الطاقة من توربينات الرياح ، ثم بعد ذلك تم إستعراض الأنواع المختلفة لتوربينات الرياح وأفضلية مزارع الرياح البعيدة عن الشاطئ (OWF) على نظيرتها البرية. ثم بعد ذلك يتناول الفصل بعض التحديات التى تواجه (OWF) أثناء نقل الطاقة من توربينات الرياح البعيدة عن الشاطئ للشبكة الكهربية. وتم عرض خطوط نقل الجهد العالى المستمر(HVDC) كحل جيد لهذه المشكلة وتم التعريف بتقنياته المختلفة ومميزاته وتناول أيضا مقدمة عن المحول المعيارى متعدد المستويات (MMC-HVDC)كتقنية واعدة لنقل الطاقة الكهربية لما له من مميزات على التقنيات الأخرى. كما تم عمل عرض سريع لأهمية مصادر تخزين الطاقة فى دعم أنظمة نقل الجهد العالى المستمر لانه من خلالها يتم الحفاظ على إتزان الشبكة الكهربية وإخماد أى توافقيات فيها وبالتالى تزيد من إعتمادية الشبكة الكهربية. كما تم عرض نوعين من أجهزة التخزين النوع الأول هو نظم التخزين فائقة التوصيلية المغناطيسية (SMES) والنوع الثانى هو نظم تخزين الطاقة فى البطاريات.وحيث أن جميع أنظمه التخزين ونظم نقل الطاقة الكهربية على خطوط نقل الجهد العالى المستمر (HVDC) تحتاج إلى متحكم جيد ولذلك تم عمل سرد لأنواع المختلفة من المتحكمات. فى نهاية الفصل تم عرض الحافز من عمل الرسالة وأهداف الرسالة ومحتويات كل فصل فى الرسالة. الفصل الثانى هذا الفصل يستعرض أهمية مزارع الرياح ومقارنة بين مزارع الرياح البرية ومزارع الرياح البحرية البعيده عن الشاطئ (OWF) وأفضلية مزارع البحرية البعيدة عن الشاطئ على نظيرتها. كما تم شرح الهيكل الأساسى لتوربينة الرياح وأنواع المولدات المختلفة التى يتم إستخدامها مع فى توربينات مزارع الرياح البعيدة عن الشاطئ. بعد ذلك يستعرض الفصل أهمية نظم نقل الجهد العالى المستمر (HVDC) وأهم تطبيقاتها ومميزاتها مقارنة بنظيرتها (HVAC) بالإضافة إلى انواع تقنياتها المختلفة والفرق بينهما بالتفصيل. بعد ذلك تم مناقشة الأنواع المختلفة لنظم نقل الجهد العالى المستمر (HVDC) ومكونات هيكله بالتفصيل ومقارنة بين انواعه المختلفة. وبعدها تم عرض الطوبولجيات المختلفة للمحول المعيارى متعدد الإستخدامات (MMC-HVDC) وفوائده. ومن ثم ، إستعراض مشاكل الإتزان والتى من الوارد حدوثها فى الشبكة الكهربية وأهمية أنظمة تخزين الطاقة فى معالجة هذه المشكلة. وتم التعريف بالأنواع المختلفة لنظم التخزين وطريقة عمل كل نوع وتطبيقاتها المختلفة وأخيرا تم عرض الأنواع المختلفة لمتحكمات التحكم فى الشبكة سواء التقليدية او الحديثة وذكر مميزات وعيوب كل نوع. الفصل الثالث يتناول هذا الفصل طريقة ربط مزارع الرياح البعيدة عن الشاطئ (OWF) بإستخدام خطوط نقل الجهد العالى المستمر (VSC-HVDC)، كما تم عمل تصميم لمرشح كهربى(LCL-Filter) لمعالجة الموجات الكهربية قبل ربطها مع الشبكة الكهربية وتم عمل إستقصاء للدراسات السابقة والتى تناولت هذا الموضوع وذكر مميزات وعيوب كل طريقة ومن ثم إقتراح إستراتيجية فعالة للتحكم وتعتمد على المتحكم التنبؤى (MPC) وتم عمل مقارنة للنتائج مع نتائج متحكم أخر وهو المتحكم (SRF-based CLD)وذلك للتأكد صحة الإستراتيجية المقترحة ، كما تم عمل مقارنة للنتائج بين المتحكمين بعد عمل فرضية تعرض النظام لأنواع مختلفة من الأخطاء الكهربية والتى من الوارد حدوثها فى الشبكة الكهربية وذلك بإستخدام معايير الأداء المختلفة مثل معامل التشوه التوافقى الكلى ومقدار الإنخفاض والزيادة فى الجهد والتيار والقدرة الفعالة والغير فعالة عن النسب المسموحة وذلك تحت نفس الظروف وبإستخدام برنامج المحاكاة الماتلاب. الفصل الرابع يستعرض هذا الفصل طريقة تحسين أداء وإتزان الشبكة الكهربية وذلك بإستخدام أنظمة التخزين فائقة التوصيلية المغناطيسية (SMES) والتى تم توصيلها بالقرب من الشبكة الكهربية. وتم إستعراض دراسات سابقة فى هذا الموضوع كما تم عرض النموذج الكهربى لنظم التخزين فائقة التوصيلية المغناطيسية وطريقة عملها. ثم بعد ذلك تم عرض إستراتيجية للتحكم فى نظام التخزين وذلك بإستخدام المتحكم التنبؤى (MPC) ومقارنة النتائج بمتحكم أخر وهو (SVC) وأيضا تم مقارنة النتائج مع نتائج الشبكة فى حالة عدم وجود نظام التخزين فائق التوصيلية المغناطيسية (SMES). تم تعريض الشبكة لحالات مختلفة من الأخطاء الكهربية وتم عمل المقارنة تحت نفس الظروف وذلك بإستخدام معايير الأداء المختلفة مثل معامل التشوه التوافقى الكلى ومقدارالزيادة والإنخفاض فى الجهد والتيار والقدرة الفعالة والغير الفعالة وذلك لإثبات أهمية توصيل نظم تخزين فائقة التوصيلية المغناطيسية وأفضلية الإسترتيجية المقترحة من خلال إستخدام برنامج المحاكاة الماتلاب. الفصل الخامس تناول هذا الفصل ربط مزارع الرياح البعيدة عن الشاطئ (OWF) وذلك عن طريق إستخدام خطوط نقل الجهد العالى المستمر متعدد المستويات (MMC-HVDC) مع وجود أنظمة تخزين بإستخدام البطاريات و توصيلها بخطوط الجهد العالى وتم إستعراض الدراسات السابقة التى تناولت هذا الموضوع. بعد ذلك تم عمل تصميم للبطاريات والتى تناسب النظام المستخدم وتم إستخدام مبدل تيار مستمر رافع للجهد (DC-DC boost converter) والذى يقوم رفع جهد البطاريات لجهد خط النقل المطلوب . تم عمل إسترتيجية للتحكم فى مبدل التيار المستمر الرافع للجهد بإستخدام المتحكم التناسبى التفاضلى (PI) والذى تم إستخدامه كنظام خبير يستخدم لتعليم شبكة عصبونية اصطناعية تعتمد على المتحكم التناسبى التفاضلى (ANN-based PI) وتم عمل مقارنة لأداء الشبكة وذلك تحت نفس الظروف بين كل من المتحكمين المستخدمين وذلك لإثبات فاعلية استراتيجية التحكم المقترحة كما تم قياس مدى كفاءة الشبكة العصبونية الإصطناعية وذلك بإستخدام برنامج المحاكاة الماتلاب. الفصل السادس تناول هذا الفصل أهم النتائج المستخلصة من الرسالة والأعمال المستقبلية فى مجال البحث.