إدارة تخزين الطاقة الكهربائية في الوقت الحقيقي

أهمية إدارة تخزين الطاقة الكهربائية في الوقت الحقيقي

يحفز الاستهلاك الكهربائي سريع النمو والقلق من انبعاثات “ثاني أكسيد الكربون” لمحطات الطاقة التقليدية القائمة على الوقود الأحفوري نظاماً للطاقة الخضراء مع قيام المستخدمين بنشر مولدات الطاقة المتجددة الموزعة، مثل توربينات الرياح والخلايا الكهروضوئية الشمسية (PV)، وفي جنوب إفريقيا حيث يتراوح الإشعاع الشمسي السنوي من 2400 إلى 2800 كيلو واط / متر مربع؛ فإنه يجعل مصدر الإشعاع الشمسي القوي الطاقة الشمسية خياراً جذاباً بشكل خاص.

إلى جانب تخفيضات أسعار الطاقة الشمسية الكهروضوئية العالمية وبدفع من الزيادات السنوية العالية في أسعار الطاقة الشبكية، كما تسارعت أيضاً عملية تركيب مولدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية في جنوب إفريقيا، ومع ذلك؛ فإن الطبيعة المتقطعة والعشوائية لإنتاج الطاقة المتجددة بسبب تقلبات الطقس تشكل تحديات كبيرة أمام الاستخدام الفعال للطاقة المتجددة.

كما أدت الديناميكيات المتزايدة في أنظمة الطاقة بسبب التكامل المتجدد والطلب على الكهرباء إلى استكشاف أنظمة تخزين الطاقة (ESS) للحلول المحتملة، وذلك من منظور تشغيل شبكة الطاقة، بحيث تم التعرف جيداً على فوائد (ESS) بما في ذلك دعم التوليد ودعم النقل والتحكم في الجهد الكهربائي، ومن ناحية أخرى ومن وجهة نظر المستخدم.

لذلك؛ فإنه يمكن دمج (ESS) مع الأجيال المتجددة الموزعة كحل عملي أكثر لتحسين كفاءة الطاقة وموثوقيتها من خلال تخزين ليس فقط الطاقة الفائضة المتولدة من الموارد المتجددة، ولكن أيضاً طاقة أرخص في أوقات انخفاض أسعار الكهرباء لاستخدامها لاحقًا في أوقات نقص توليد الطاقة المتجددة أو ارتفاع أسعار الكهرباء، وفي هذا العمل يتم التركيز بشكل أساسي على التفاعل بين إمدادات الطاقة وتخزين الطاقة من جانب المستخدم.

أيضاً كانت هناك العديد من الدراسات حول إدارة الطاقة في سياق التكامل المتجدد وتخزين الطاقة من منظور إدارة تخزين الطاقة السكنية، بحيث تفترض معظم الدراسات السابقة أن (ESS) مملوكة لمستخدم أو كيان واحد وتحلل مشكلة إدارة تخزين الطاقة مع الأخذ في الاعتبار سيناريو (ESS) لمستخدم واحد أو سيناريو (ESS) الموزع.

على سبيل المثال في الدراسات الحديثة قام الباحثين بالتحقيق في سياسات الشحن والتفريغ المثلى للمستخدم الفردي التي توازن توفير التكاليف مع راحة المستخدم، مثل تأخير النشاط، وذلك من خلال استغلال تغيرات الأسعار دون الحاجة إلى تحويل طلب المستخدم إلى فترات السعر المنخفض. وفي الوقت نفسه، اكتسب تداول الطاقة وتبادلها في شبكة ميكروية متصلة بالشبكة مع مولدات متجددة موزعة (RGs) و (ESS) مملوكة من قبل مستخدمين فرديين.

نموذج النظام الخاص بإدارة تخزين الطاقة الكهربائية

حالياً نعتبر مجتمعاً ذكياً يتكون من نظام إدارة مشاركة تخزين الطاقة (ESSM) لمجموعة من الأحمال الكهربائية المنزلية [I = {1، …، I}]، والتي تختلف ملفات تعريف الأحمال الخاصة بها وكل منها لديه (RG) في الموقع، كما يحتوي نظام (ESSM) على بطارية تخزين طاقة بسعة محدودة مشتركة بين جميع الأسر التي يمكنها شحن الطاقة التي يتم حصادها من (RGs) أو شراؤها من الشبكة الكهربائية الرئيسية (MG) في البطارية.

كذلك يمكن تلبية متطلبات الأحمال المنزلية من خلال مجموعات التناوب الفردية والبطارية المشتركة و (MG)، وفي نظام المشاركة هذا تعمل الأسر بشكل تعاوني على تشغيل البطارية المشتركة عبر منسق مركزي يدير البطارية المشتركة للتأكد من استيفاء قيودها التشغيلية  وذلك لتقليل تكاليف استهلاك الكهرباء بشكل مشترك من خلال استخدام طاقتها المتجددة جنباً إلى جنب مع (MG) مجتمعة مع سعة تخزين محدودة للطاقة، وذلك بفرض أن نظام (ESSM) يعمل بالوقت المحدد (t)، أي [t∈ {0،1،…، T − 1}].

المولد المتجدد: نفترض أن كل منزل لديه مولد للطاقة الشمسية الكهروضوئية بسعات مختلفة وأن كمية الطاقة المحصودة في فترة زمنية تختلف بمرور الوقت. لنفترض أن [gpv، i (t)]، حيث تشير إلى الطاقة المحصودة من مولد الطاقة الشمسية الكهروضوئية المنزلي في الفترة الزمنية (t)، وذلك نظراً لأن [gpv، i (t)] عشوائي بسبب عشوائية المصدر الشمسي؛ فإن ذلك يعود الى عدم وجود معرفة مسبقة بـ  [gpv، i (t)]أو إحصاءاته.

قوة الشبكة الرئيسية: يمكن لكل أسرة شراء الطاقة من (MG) في الفترة الزمنية (t) بسعر الوحدة p (t) ∈ [pmin ، pmax]، وهو متغير بمرور الوقت ومعروف فقط في الفترة الزمنية (t)، وبفرض أن [gpv، i (t)] تشير إلى كمية الطاقة المشتراة من (MG) بواسطة الأسرة في الفتحة الزمنية التي تزود الحمل المنزلي مباشرة، و [gs ، i (t)] تشير إلى كمية الطاقة المشتراة من (MG) بواسطة التوليد منزلي (i) في الفترة الزمنية التي يتم تخزينها في البطارية المشتركة للاستفادة من أسعار الكهرباء المتغيرة بمرور الوقت.

الطلب المحلي على الطاقة: لنفترض أن [Di (t)] هو الحمل المنزلي في الفترة الزمنية (t)، ونفترض أولوية استخدام الطاقة المحصودة من مولد الطاقة الشمسية الكهروضوئية [gpv ، i (t)] لتزويد [Di (t)] مباشرة وسيتم شحن الجزء الزائد إن وجد، وفي البطارية المشتركة؛ فإنه عندما [Di (t) ≤gpv ، i (t)]، كما نشير إلى الطاقة التي يشحنها المنزل في البطارية المشتركة في الفتحة الزمنية (t) بواسطة:

وذلك لأن مساحة تخزين البطارية المشتركة محدودة؛ فلا يمكن شحن الجزء الزائد بالكامل في البطارية إذا لم تكن هناك مساحة تخزين كافية في البطارية المشتركة، وعندما [Di (t)> gpv ، i (t)]، بحيث يمكن تقديم ما تبقى من [Di (t) −gpv ، i (t)] مع الطاقة المشتراة من [MG gl ، i (t)] أو الطاقة المستمدة من البطارية المشتركة (gdis) ، كما يجب تحقيق توازن بين شراء الطاقة من (MG) وسحب الطاقة من البطارية في ظل ظروف الجدوى التالية:

يمكن تصنيف أحمال كل أسرة إلى فئتين:

• تمثل الأحمال غير المرنة (بوحدة كيلو/ واط ساعة) المتطلبات الحرجة مثل الثلاجة والأضواء، والتي لا ينبغي إلقاؤها أو تغييرها بمرور الوقت.

• تمثل الأحمال المرنة (بوحدة كيلو واط/ ساعة) طلبات الطاقة التي يمكن التحكم فيها مثل السيارات الكهربائية ومكيفات الهواء والأجهزة الذكية الأخرى، والتي يمكن تقليصها بمرونة أو جدولتها بمرور الوقت لتقليل التكاليف.

تخزين الطاقة المشترك: بطارية تخزين الطاقة المشتركة لها سعة تخزين محدودة (Scap)، وذلك من الناحية العملية، حيث أن البطاريات ليست مثالية، كما توجد خسائر في تحويل الطاقة أثناء عمليتي الشحن والتفريغ. لنفترض أن [ηch∈ (0،1] و [dis∈ [1) هو معامل كفاءة الشحن ومعامل كفاءة التفريغ على التوالي.

تشير إلى s (t) كحالة طاقة البطارية في بداية الفترة الزمنية (t)، ثم تتقلب حالة الطاقة (t)، والمعروفة باسم حالة الشحن (SOC) بالكيلوواط/ ساعة، وذلك بمرور الوقت وتتطور على النحو التالي:

حيث يتم تعريف [bi (t)] على أنه مقدار الشحن والتفريغ الفعال في الفتحة الزمنية (t).