إدارة التحميل الكهربائي للمجمعات السكنية والتصميم الأمثل

تعتبر (Microgrids) كياناً مهماً في نظام التوزيع الكهربائي، وللحصول على مزاياها الكاملة من خلال دمج الحد الأقصى من التوليد الموزع؛ فإن أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة المستقلة (HRESs)، وكونها آمنة بيئياً وفعالة اقتصادياً؛ فإنها تعتبر الحل الواعد لكهربة المناطق النائية حيث لا تتوفر طاقة نظام الشبكة الكهربائية.

الغاية من إدارة التحميل الكهربائي للمجمعات السكنية

تعتبر العولمة وتقاسم الطاقة بين البلدان المستقبل الذي يمكن تصوره للعالم، وفي الوقت الحاضر لا تزال نسبة كبيرة من سكان العالم تعيش في مناطق ريفية نائية لا تصلها الكهرباء تقريباً، وهناك حوالي (17٪) من سكان العالم (1.2 مليار) لا يمكنهم استخدام الكهرباء وحوالي (80٪) يعيشون في مناطق ريفية، وفي الوقت نفسه؛ فإنه لا يتمتع حوالي (2) مليار نسمة حول العالم بإمكانية الوصول إلى الكهرباء القائمة على الشبكة وفقاً لأحدث الإحصاءات.

وفي الغالب يعيش هؤلاء الأشخاص في مناطق نائية مع عدم وجود إمكانية الوصول إلى الشبكة الوطنية، ووفقاً لذلك يتم استخدام الكتلة الحيوية من قبل حوالي (3) مليارات موائل في جميع أنحاء العالم لأغراض الطهي والتدفئة والإضاءة، مما أدى إلى (3.1) مليون حالة وفاة مبكرة بسبب تلوث الهواء مع احتراق غير كامل للكتلة الحيوية.

كما يتم تسليط الضوء على هذا باعتباره السبب الرئيسي لتضييق التنمية الاقتصادية والاجتماعية لمثل هذه المجتمعات في البلدان النامية مثل باكستان، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يتم إنتاج انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) من العديد من المصادر كما هو موضح في الشكل التالي (1)، حيث يلاحظ أن القطاع المهيمن لإنتاج هذه الانبعاثات هو قطاع الطاقة من خلال الطرق التقليدية لإنتاج الطاقة، بينما تنتج المباني السكنية بشكل غير مباشر أكبر نسبة من ثاني أكسيد الكربون.

تعزيز امدادات الشبكة الكهربائية بسبب قلة مصادر الطاقة التقليدية

لا يمكن لمصادر الطاقة التقليدية (CES) تلبية النمو يوماً بعد يوم في الطلب على الطاقة، وذلك لتكلفة رأس المال الباهظة والقيود المفروضة على وقودها وعدم جدوى امتدادات الشبكة الكهربائية وبسبب المواقع الجغرافية، علاوة على ذلك تعد (CES) المساهم الرئيسي في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري (GHG) وأخطر تهديد للبيئة وصحة الإنسان.

وبناء على ما تم ذكره؛ فإن إنشاء شبكات صغيرة الحجم (microgrids) يعتبر حلاً ساطعاًَ لمواجهة معظم العوائق المذكورة أعلاه، كذلك موارد الطاقة المتجددة (RERs) هي الخيار الأكثر جدوى لمعالجة جميع قضايا الاحتباس الحراري الحديثة واستنفاد الوقود، كما يمكن دمج (RERs)، مثل الكهروضوئية وتوربينات الرياح وخلايا الوقود بسهولة مع بعضها البعض في تكوينات شبكات ميكروية مختلفة (MG) لكهربة المناطق النائية والحضرية.

كذلك تم اعتماد التكوينات الهجينة المختلفة لـ (RERs) في الدراسات وتعتبر الأكثر فعالية من حيث التكلفة والصديقة للبيئة، ومع ذلك؛ فإن طبيعتها المتقطعة تعتبر العيب الرئيسي الذي يجب التعامل معه بعناية من خلال إدارة الطاقة الفعالة وخوارزميات التحكم (EMCS)، ومن بين تقنيات التحكم المختلفة التي يمكن استخدامها لتحقيق (EMCS)، بحيث يتم استخدام التحكم التنبئي النموذجي (MPC) بسبب سبب تصنيف هذه الخوارزمية بشكل أساسي على أنها واحدة من أقوى أساليب الذكاء الاصطناعي والبرمجة غير الخطية.

تأثير الطاقة المتجددة في عملية سد نقص الأحمال الكهربائية السكنية

في الوقت الحالي، تبلغ حصة الطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم (11٪) فقط، بينما من المتوقع أن تزداد بنسبة (60٪) في عام (2070)م، كما وزادت القدرة العالمية لطاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) إلى (514.8) جيجاوات و (399.6) جيجاوات على التوالي، بحيث يوضح الشكل التالي (2) الاتجاه العالمي للاستثمار في قطاع الطاقة المتجددة.

حول (GCC)، يعتبر تغلغل (RERs) في الشبكة الحالية خياراً قابلاً للتطبيق اقتصادياً لتنويع مزيج الكهرباء وإنشاء طريق، كذلك تدفق الطاقة متعدد الاتجاهات مع نظام توزيع واسع هو المستقبل المحتمل لشبكات الطاقة (GCC)، بحيث ستكون الطاقة الشمسية أكثر قدرة على المنافسة في جميع مناطق دول مجلس التعاون الخليجي، وبالتالي ستلعب الشركات الخاصة دورها في هذا الصدد.

لذلك سيكون النشر السليم للتقنيات الجديدة (مثل الشبكة الذكية والمدن الذكية) هو عامل النمو الاقتصادي مع المزيد من الإيرادات بالإضافة إلى الاستقرار السياسي لدول مجلس التعاون الخليجي مع الدول المجاورة، كما أنه أكثر مناطق مجلس التعاون الخليجي جدوى لتطبيق التكنولوجيا هي الإمارات العربية المتحدة والمملكة العربية السعودية والكويت.

الأبحاث التي تناولت مسألة دعم الأحمال الكهربائية السكنية

أكد العديد من الباحثين دراسة (HRES) المستقلة، بحيث يلخص الجدول التالي (1) البحوث التي تم تناولها، والتي بحثت في مثل هذا النوع من الأنظمة، مثل تكوين (HRES) والخوارزميات المطبقة وكذلك الأهداف الرئيسية تكون ضمن دراسة شاملة لمنهجيات البحث في الأبحاث من حيث مساهمتها وعيوبها.

ووفقاً لتصنيف الأداء لإدارة الطاقة المقترحة والتحكم فيها في (HRES)؛ فإنه يتم عرض مقارنة بين العمل المقترح والدراسات المقدمة، كما توضح النتائج أن معظم المؤلفات بحثت في التحكم المستند إلى (PI)، ولكن التحقيق الشامل على أساس تحسين التصميم لم يتم تقديمه، كما تشتمل وحدة التحكم في الرياح في الدراسة الحالية على مقوم غير متحكم فيه بسيط واقتصادي.

وعلاوة على ذلك، يعمل المعدل غير المنضبط بدون (IGBTs) ولا توجد حاجة لوحدات تحكم إضافية لإشارات التحكم، وبالتالي تقليل التعقيد وتكلفة النظام، لذلك لم يتم تحليل معظم المؤلفات المنشورة بدقة من خلال النظر في الرياح و (PV – MPPT) ومعدل الرياح غير المنضبط ووحدة التحكم في البطارية لتنظيم جهد التيار المستمر وتحليل (THD) ومقارنة (PI) و (FCS-MPVC) للتحكم في العاكس.

كما ركزت معظم الدراسات التي تم تناولها فقط على تحسين تصميم (HRES) أو نظام إدارة الطاقة (EMS)، وفي هذا العمل تم اقتراح التصميم الأمثل لنظام (HRES) مع نهج (EMS) الأنسب والأكثر تقدماً، وفي البداية يتم تطبيق التحليل الاقتصادي التقني المفصل مع السيناريوهات الهجينة المتعددة للديزل والطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) والرياح وتخزين البطارية والمحول لتحسين تصميم (HRES).

ثم يتم فيما بعد استخدام النموذج المطور لتلبية الطلب على الحمولة لمنطقة محلية مقسمة إلى جزر تقع في باكستان مع مراعاة ملف الطلب الحقيقي ومعلومات الطقس، وثانيًا يتم استخدام (MATLAB / Simulink®)، وذلك لتطوير أداة محاكاة ذاتية الصنع لتنفيذ نظام الإدارة البيئية المقترح، بحيث تم اختبار النموذج المحسن على نظام الإدارة البيئية المقترح.

وفي النهاية تعتبر النقاط الملخصة من مراجعة الدراسات الشاملة هي:

• تعتبر تكوينات (HRES) هي الخيارات الأكثر موثوقية وجدوى اقتصادياً مع الحد الأدنى من انبعاثات غازات الدفيئة، بينما تكون التكوينات المتعددة ممكنة لأي موقع محدد بناءً على ملف تعريف التحميل وبيانات الموارد والظروف البيئية.

• ينصب التركيز الرئيسي للدراسات، إما على الحجم الأمثل مع التكوين المجدي اقتصادياَ أو على إدارة الطاقة لـ (HRES)، بحيث لا تحظى كلتا الميزتين باهتمام كبير في نفس الوقت، ووفقاً لأفضل وأهم الأبحاث؛ فإن الاستراتيجية المقترحة من خلال التعامل مع التصميم الأمثل وإدارة الطاقة في وقت واحد لنظام (PV-WT-Battery) باستخدام (FCS-MPC) مع عاكس قابل لإعادة التكوين من أجل (HRES).