إدارة الطاقة الكهربائية الذكية في نموذج المحطة الافتراضية

محطة الطاقة الافتراضية (VPP) هي محطة طاقة موزعة قائمة على السحابة تجمع قدرات موارد الطاقة الموزعة المتنوعة (DERs) لغرض تعزيز توليد الطاقة وكذلك تداول أو بيع الطاقة في سوق الكهرباء، كما أن المشكلة الرئيسية التي تواجه أثناء العمل على (VPPs) هي إدارة الطاقة الكهربائية.

تحليل إدارة الطاقة الكهربائية الذكية ضمن نموذج المحطة الافتراضية

نظراً لزيادة الطلب على الطاقة في العالم؛ فإن الطاقة المستدامة والنمو الاقتصادي ضروريان لبقاء الصناعة، ومع ذلك أدى عدم وجود سياسات حكومية فعالة والزيادة السريعة في الطلب ونقص الكهرباء إلى حدوث أزمة طاقة كبيرة في العديد من البلدان، كما أدت الانبعاثات الناتجة عن استخدام المصادر التقليدية والخسائر في النقل وسرقة الطاقة إلى تفاقم الوضع.

ولتحسين السيناريو الحالي؛ فقد تم إدخال محطات الطاقة الافتراضية (VPPs) في الصناعة، كذلك (VPP) عبارة عن محطة طاقة موزعة قائمة على السحابة تجمع قدرات موارد الطاقة الموزعة المتنوعة (DERs) لتعزيز توليد الطاقة وتجارة أو بيع الطاقة في سوق الكهربائي، حيث إنها شبكة مترابطة من وحدات توليد الطاقة اللامركزية والمتوسطة الحجم ومستهلكي الطاقة المرنة.

ومع ذلك؛ فإنها تبقى مستقلة في تشغيلها وملكيتها، كذلك يعتبر الهدف من (VPP) هو تخفيف الحمل على الشبكة خلال ساعات الذروة من خلال التوزيع الذكي للطاقة التي تولدها الوحدات الفردية، بحيث يتم توصيل جميع المشاركين في (VPP) بنظام التحكم المركزي عبر وحدة تحكم عن بعد كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وهذا يمكّن المحور من مراقبة جميع الأصول وتنسيقها والتحكم فيها بكفاءة.

آلية التحكم وتبادل المعلومات ضمن المحطات الافتراضية

أوامر التحكم والبيانات ترسل عبر اتصالات البيانات الآمنة، وهي محمية من حركة البيانات الأخرى بسبب بروتوكولات التشفير ويعمل نظام التحكم المركزي على تشغيل كل الأصول الفردية وفقاً لجدول زمني مُحسَّن، بحيث يتيح تبادل البيانات ثنائي الاتجاه بين المصانع الفردية و (VPP) نقل أوامر التحكم ويوفر بيانات في الوقت الفعلي حول استخدام السعة للوحدات المتصلة بالشبكة، بحيث تدرس الأعمال البحثية الحديثة تماماً وتحلل مفهوم (VPP) من وجهات نظر عديدة مثل سوق الكهرباء وإدارة الطاقة والمخاطر.

تحديد المشاكل التي تتعرض لها محطات الطاقة الافتراضية

تتم صياغة المشكلات المرتبطة بـ (VPP) من خلال تنفيذ نماذج مختلفة، كما يعمل برنامج التحسين التوزيعي القوي والبرنامج المخروطي الثنائي من الدرجة الثانية على تطوير نموذج لتقييم الخصائص الفيزيائية لـ (VPP)، بحيث يستخدم (VPP) تحلل حزمة الموجات وخوارزميات تحسين سرب الجسيمات (PSO) لتصميم إطارها ووضع التنسيق.

كما أنها تستخدم تكامل (EV) لتسهيل إخراج طاقة الرياح، بحيث يقوم نظام “ألعاب السوق” ذي المستويين  بجدولة نظام تخزين الطاقة (ESS) واستجابة الطلب (DR) و (DERs) باستخدام محاكاة مونت كارلو، ولتحقيق أقصى قدر من الفوائد لـ (VPP)، كذلك نماذج التوزيع الاحتمالي والفاصل الزمني والوصف المحتمل، وهي بمثابة مراجعة شاملة ثلاثة عوامل رئيسية لعدم اليقين، وهي الطاقة المتجددة وسعر السوق والطلب على الحمل الكهربائي.

كذلك تتم دراسة نماذج تأخير الاتصال والحمل العشوائي وسرعة الرياح، بالإضافة الى تأثير التحكم في التردد المنسق وغير المنسق لـ (VPPs) على عابر نظام الطاقة، بحيث يدرس نموذج التحسين القوي المكون من مرحلتين، وهما إستراتيجية العطاءات الخاصة بـ (VPP) وينفذها على نظام اختبار، بينما يتعامل مع ناتج الطاقة الكهروضوئية (PV) والطلب كمعلمات غير مؤكدة.

منهجية وتصميم النظام الكهربائي الخاص بالمحطات الافتراضية

 معمارية (VPP)

تتكون بنية (VPP) المقترحة من مجالين، وهما المجال المادي والمجال القائم على السحابة، بحيث يتكون المجال المادي من التوليد والتوزيع بينما يشير المجال المستند إلى مجموعة النظراء إلى التفاعلات بين مركز التحكم الخاص بـ (VPP) وواجهات برمجة التطبيقات المختلفة (APIs)، كما يمثل الشكل التالي (2) عمل كل من المجالات وتفاعلاتها مع بعضها البعض.

كذلك يتكون المجال المادي من جانب جيل وجانب توزيع. يتكون جانب التوليد من وحدة حرارية ومحطة طاقة شمسية ومزرعة رياح مدمجة مع نظام تخزين الطاقة والشبكة، أيضاً يتكون جانب التوزيع من المرافق ونظام سكني واسع النطاق يعتمد على المجتمع المحلي.

وبشكل آخر يتكون (VPP) أيضاً من نظام تخزين طاقة قائم على خلايا الوقود (FC) لتخزين الطاقة أثناء توليد الطاقة الكهروضوئية المرتفعة وانخفاض أسعار سوق الكهرباء، بحيث يتكون كل منزل من أجهزة ذكية يمكن التحكم فيها وتحويلها إلى الوقت المحدد.

مصادر الطاقة المتجددة

لتوليد ناتج سالب الكربون؛ تأخذ الهندسة المعمارية للنظام المقترحة في الاعتبار أقصى تركيب للطاقة الشمسية وطاقة الرياح في جانب التوليد، بحيث تتوافق هذه الموارد مع أقصى قدر من الكفاءة والحد الأدنى من التكاليف والفوائد الأخرى للمستهلكين في كل منزل.، كذلك يعتمد توليد الطاقة الشمسية على الإشعاع العمودي والطاقة المقدرة عند (1) كيلو واط /م² وكفاءة محول التيار المستمر في أقصى تتبع (MPPT).

كما تعتمد الطاقة الشمسية الناتجة على الاختلافات في الظروف الجوية والإشعاع الشمسي والخصائص الفيزيائية لموقع التثبيت مثل الغبار والأمطار وما إلى ذلك، حيث أن المصدر الرئيسي لتشغيل توربينات محطة طاقة الرياح هو سرعة الرياح في موقع التركيب، بحيث تعتمد طاقة الرياح الناتجة على القوى الكهربائية والميكانيكية لتوربينات الرياح.

كذلك يتم الحصول على الطاقة الميكانيكية مباشرة بينما تأتي الطاقة الكهربائية بضرب الطاقة الميكانيكية بكفاءة المولد الكهربائي، بحيث يعتمد عمل التوربينات بشكل كبير على سرعة الرياح المقطوعة (م / ث) وسرعة الرياح الحالية (م / ث) وسرعة الرياح المقدرة (م / ث) وسرعة الرياح المقطوعة (م / ث) وقوة الخرج القصوى(kW) وطاقة الخرج عند سرعة القطع (kW).

نظام الإسكان المجتمعي

يتكون جانب الطلب من بنية (VPP) المقترحة من نظام سكني قائم على المجتمع يتكون من العديد من المنازل، بحيث تصنف المنازل حسب مستويات دخلها، على سبيل المثال منازل منخفضة ومتوسطة ومرتفعة الدخل كما هو موضح في الشكل التالي (3)، بحيث يتكون كل منزل من أنواع مختلفة من الأحمال الكهربائية الخفيفة والثقيلة حسب المكانة التي يتمتع بها.

كما يتم تصنيف أحمال كل منزل إلى أحمال خفيفة وثقيلة بناءً على تكرار الاستخدام وتقييمات (kW) لكل ساعة، أيضاً الأحمال الخفيفة لها تصنيف كيلو واط في الساعة أقل من (1) كيلو واط في الساعة بينما الأحمال الثقيلة لها تصنيف كيلو واط في الساعة أكبر من (1) كيلو واط في الساعة، بحيث يوضح الجدول التالي أنواع الأحمال المختلفة وأسمائها.

إدارة الطاقة الذكية (SEM)

كان استخدام الطاقة والكهرباء مصدر قلق دائم لأصحاب المنازل والشركات، ومع ندرة الموارد واستمرار ارتفاع تكاليف الكهرباء؛ فإنه يصبح من المهم أن يكون الناس على دراية باستخدامهم للطاقة، بحيث يتم ذلك عن طريق تثبيت نظام إدارة الطاقة الكهربائية، مما يساعد المستخدم على فهم متى يستخدم معظم الطاقة وكيفية الحفاظ عليها.

وأخيراً في هذه الدراسة، تم تصميم إطار فعال لإدارة الطاقة الكهربائية الذكية لمجتمع في نموذج (VPP)، وبعد تحديد بعض القيود في العمل السابق المنجز في هذا المجال؛ فقد تم تطوير (MAS) ذكي باستخدام منصة (JADE)، كما يتم تنفيذ ثلاث خوارزميات مختلفة لتحسين هذه القيود والتغلب عليها.