اقرأ في هذا المقال
تحليل أنظمة تخزين طاقة البطارية في شبكات التوزيع الكهربائية
تم تصميم “الشبكات الكهربائية” الحالية وفقاً للنموذج القديم الذي يتوقع بشكل أساسي محطات توليد كبيرة، وهي متصلة بشبكات النقل، مما يوفر معظم الطاقة المطلوبة، وبدلاً من ذلك تم التخطيط لشبكات التوزيع لاستضافة نقاط الاستهلاك وليس التوليد الموزع، حيث أدت زيادة إنتاج الطاقة الشمسية وطاقة الرياح إلى جانب إدخال أنواع جديدة من الأحمال، مثل المركبات الكهربائية و”المضخات الحرارية”؛ إلى إحداث تغييرات كبيرة في شبكات التوزيع.
ولهذه الأسباب، يواجه مشغلو نظام التوزيع (DSOs) الآن تحديات تقنية جديدة، لا سيما بسبب الطبيعة غير المتوقعة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح ومحطات شحن المركبات الكهربائية، كذلك قد تكون أنظمة تخزين الطاقة (ESSs) بديلاً صالحاً لتعزيزات الشبكة الكهربائية.
ومع ذلك؛ فإن فوائدها وقدرتها الاقتصادية ليست واضحة تماماً، بالإضافة إلى ذلك قد تعيق السياسات المعاكسة نشر مثل هذه الأنظمة، وذلك على الرغم من تطوير العديد من تقنيات تخزين الطاقة، إلا أن تركيز هذا العمل ينصب على أنظمة تخزين الطاقة المعتمدة على البطاريات.
ونظراً لمرونتها والتكاليف المنخفضة المتوقعة؛ فقد جذبت أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESSs) انتباه المجتمع العلمي، مما أدى إلى عدد كبير من الدراسات، كما يتم تقديم العديد من تقنيات تخزين الطاقة، بحيث توفر تحليلاً اقتصادياً لتقنيات التخزين، بينما تتم مناقشة تطبيقات الشبكة المحتملة، بحيث يتم النظر في تقنيات التنسيب والتحجيم الخاصة بـ (BESS)، بينما تناقش الطروحات أيضاً مراقبة (ESS) وبعض دراسات الحالة.
لذلك تتم دراسة الجوانب الفنية مثل مكونات(BESS) والوظائف والتخطيط والتحكم والتركيبات بشكل عام ومراجعتها بشكل مستقل عن بعضها البعض، وبدلاً من ذلك وإلى تقديم نظرة شاملة عن تكامل (BESSs) في شبكات توزيع التيار المتردد، في البداية يتم التحقيق في تقنيات التخزين الكهروكيميائية الرئيسية والفجوات البحثية المحتملة المتعلقة بتصميم محول إلكترونيات الطاقة المتصلة بالشبكة لتخزين طاقة البطارية.
مكونات أنظمة تخزين طاقة البطارية
في هذا القسم يتم فحص المكونات المادية لأنظمة تخزين طاقة البطارية، بحيث يوضح الشكل التالي (1) مخططًا لدائرة (BESS) متصل بالشبكة، كذلك المكونات الرئيسية هي بنك البطارية ومحول (AC-AC) الى التيار المتردد ومرشحات (AC-AC)ودوائر الحماية ومحول الصعود، كذلك الأجزاء التي تم تناولها حسب الفائدة في هذا القسم هي بنك البطارية ومحول إلكترونيات القدرة.
تقنيات البطاريات الكهروكيميائية
التقنيات الكهروكيميائية الرئيسية التي تم استخدامها في تطبيقات الشبكة هي “بطاريات ليثيوم أيون” و “كبريت الصوديوم”، حمض الرصاص وبطاريات “تدفق الأكسدة والاختزال”، بحيث يتميز التخزين الكهروكيمياوي المتصل بالشبكة من حيث كثافة الطاقة والكفاءة والعمر والتكاليف، وذلك كما هو موضح في الأشكال التالية (2 ، 3) ومناقشتها في ما يلي:
كانت بطاريات الرصاص الحمضية أول تقنية بطاريات قابلة لإعادة الشحن اخترعها “جاستون بلانتي” في عام 1889م، وفي الوقت الحاضر تعتبر “بطاريات الرصاص” الحمضية تقنية ناضجة، بحيث تتميز بتكلفة خلية منخفضة (50-600 دولار / كيلو وات ساعة) وكفاءة جيدة (80-90٪)، كما أن عيبهم الرئيسي هو انخفاض عمر التدوير (حتى 2500 دورة)، وذلك مقارنة بالتقنيات الأخرى وكثافة الطاقة المنخفضة (20-30 واط / كجم)، إلى جانب ذلك يتأثر عمر “بطاريات الرصاص الحمضية” سلباً بعمق التفريغ العالي.
محول التيار المتردد لإلكترونيات الطاقة
يتم توصيل أنظمة تخزين البطاريات بشبكة توزيع التيار المتردد من خلال محولات قائمة على إلكترونيات الطاقة، وفي أنظمة التخزين القائمة على “بطاريات الليثيوم أيون” وحمض الرصاص، بحيث يمثل نظام تكييف الطاقة (PCS) جزءاً بسيطاً من إجمالي التكاليف، كما يوضح الشكل التالي (4) الاتجاه التنازلي لتكاليف خلايا البطارية، بحيث سيؤدي إلى نصيب أكبر من تكاليف الأجهزة وكما هو متوقع أيضاً في هذا المنظور، بحيث يُنصح بتصميم محول “إلكترونيات الطاقة” لضمان الكفاءة العالية والموثوقية، أي للحد من التكلفة الإجمالية للملكية.
كما تحتوي البطاريات على بعض الخصائص المميزة والفريدة التي يجب مراعاتها عند “تصميم العاكس”، بحيث يمكن أن تصل تغيرات “الجهد الطرفي للخلايا” بين حالة الشحن الكامل والتفريغ الكامل إلى (40٪)، وعلاوة على ذلك ولضمان تحويل (DC-AC) عالي الكفاءة؛ فإنه يجب إبقاء جهد التيار المتردد مرتفعاً قدر الإمكان ولتقليل الضغط الحالي في أشباه الموصلات، وهو مصدر الخسارة السائد داخل “محول إلكترونيات” الطاقة.
في حين أن تعظيم الكفاءة سيؤدي إلى زيادة جهد التيار المتردد والتيار المستمر؛ فإن المعايير الدولية تحدد الحدود بين الجهد المنخفض والمتوسط (MV) عند 1.5 كيلو فولت، وذلك مع متطلبات أمان إضافية للأجهزة التي تعمل في الجهد المتوسط، إلى جانب ذلك يمكن أن يؤدي التوصيل المتسلسل لعدد كبير من خلايا البطارية إلى انخفاض موثوقية النظام، وعلاوة على ذلك يجب النظر في القيود والمتطلبات من حيث السلامة والمحتوى التوافقي وقدرات (P-Q) التي حددتها المعايير الفنية ورموز الشبكة الوطنية.
أيضاً يمكن تصنيف محولات إلكترونيات القدرة أولاً اعتماداً على وجود أو عدم وجود محول تصعيد، علاوة على ذلك عندما لا يتم اعتماد المحولات، بحيث يمكن تحقيق زيادة الجهد اللازمة للتوصيل في (MV)، وذلك من خلال “التوصيلات التسلسلية” لـ (أشباه الموصلات أو الوحدات الفرعية)، أيضاً يمكن التحكم في جهد التيار المستمر من خلال محول (DC-DC) إضافي موجود بين البطارية ومحول التيار المتردد (DC) المتصل بالشبكة.
ومع ذلك؛ فإن خطوة التحويل الإضافية تضيف التعقيد والتكاليف ويمكن أن تؤدي إلى فقد إضافي للطاقة، بحيث يحتاج هذا الاختيار إلى تبريره بالتحديات الفنية أو التشغيلية، خاصةً محولات مصدر الجهد ذات المستويين (2 لتر)، والموضحة في الشكل التالي، وهي الخيار المفضل من قبل الصناعة لربط تخزين الطاقة الثابت بشبكة الجهد المتوسط، ومع ذلك؛ فإن العديد من الهياكل الأخرى، مثل المحول ثلاثي المستوى من النوع (T) المحايد (NPC) والمحول النشط المحايد النقطي (ANPC).
يوضح الشكل التالي كفاءة وحدة أشباه الموصلات لـ (100 kW Two Level) و (Three Level VSCs) المتصلة بشبكة تيار متردد (400-V) خط إلى خط بترددات تحويل مختلفة (fs)، كما وترد مواصفات المحولات الكهربائية الخاصة من خلال أوراق خاصة، وبالنسبة للتحليل؛ فإنه تم اختيار وحدات (IGBT-Diode) المصنفة بشكل مناسب من بحيث تتفوق طوبولوجيا المستوى الثلاثة في الأداء على المحولات ذات المستوىين عند ترددات التحويل الأعلى، ولا سيما طوبولوجيا النقطة المحايدة المثبتة.
وأخيراً فقد ركزت الطروحات على الجوانب المختلفة لتكامل أنظمة تخزين القدرة في شبكات التوزيع، كذلك لقد ثبت أن نظام التخزين لديه القدرة على تقوية و”تحسين آداء الشبكة الكهربائية” في عدة جوانب، ومع ذلك تكافح أنظمة تخزين الطاقة لتحقيق الانتشار الشامل، ومن خلال مراجعة الدراسات؛ فإنه تم تسليط الضوء على بعض التحديات الرئيسية التي تتطلب مزيداً من التحقيق، بحيث يمكن تحسين الأداء التقني والاقتصادي لأنظمة تخزين البطاريات.
