التحكم المباشر لخطة توليد الكهرباء في الوقت الحقيقي

ضرورة التحكم المباشر لخطة توليد الكهرباء في الوقت الحقيقي

ينتقل نظام الطاقة العالمي إلى الطاقة المتجددة، وقد تم استخدام طاقة الرياح، وذلك باعتبارها واحدة من أكثر مصادر الطاقة المتجددة المحتملة على نطاق واسع، وفي عام 2018م، تجاوزت السعة التراكمية المركبة لطاقة الرياح في العالم (600) جيجاوات لأول مرة، كما واستحوذت الصين على (36.8٪)، وعند المشاركة في منافسة سوق الطاقة؛ فإن العشوائية والتقطع في طاقة الرياح تجعلها غير قادرة على العمل بصرامة وفقاً لمنحنى الخطة الصادر عن الإرسال.

إذن؛ فهم يواجهون بالتالي عقوبة الانحراف، ومع الاختراق المتزايد لطاقة الرياح، تصبح هذه المشكلة أكثر بروزاً لتحقيق فوائد مستقرة وكبيرة، كما يجب على مؤسسات طاقة الرياح تقليل تكلفة توليد الطاقة وتعزيز التقدم التكنولوجي وتحسين موثوقية إمدادات الطاقة، كما يتميز نظام تخزين الطاقة بخصائص الشحن والتفريغ ثنائي الاتجاه، والتي يمكن أن توفر قدرة استجابة سريعة لنظام الطاقة.

علاوة على ذلك؛ فإن الدعم الفني الحاسم يعني أن طاقة الرياح تشارك في المنافسة في السوق، والتي يمكن أن تعوض بشكل مناسب أوجه القصور في إنتاج طاقة الرياح وتحسين القدرة على التحكم، كما يعد استخدام معدات تخزين الطاقة للشحن والتفريغ أحد الأساليب الفعالة لتحقيق توليد الطاقة المخطط له، والذي درسه العديد من العلماء.

وفقاً لوقت التحكم، يمكن أن تنقسم استراتيجيات التحكم إلى استراتيجية تحكم في النمذجة واستراتيجية تحكم مباشرة، وفي جانب من جوانب استراتيجية التحكم المباشر يكون مقياس تخزين الطاقة اللازم لتقليل خطأ التنبؤ بالرياح في الساعة في حالة التعويض المسبق واللاحق، وبالنظر إلى (SOC) لتخزين الطاقة، بحيث وضعت قواعد تحكم غامضة لتخصيص طاقة الشحن والتفريغ لتخزين الطاقة وتخفيف تذبذب طاقة الرياح.

كما تم اقتراح معيار أداء التحكم لمزارع الرياح الكبيرة، وبناءً على ذلك يتم الحصول على الطاقة المنظمة لنظام تخزين الطاقة عن طريق التحكم (PI) والتحكم في انحراف الطاقة لمعظم نقاط أخذ العينات في الداخل، أيضاً تم تطوير تعويض انحراف طاقة الرياح عن طريق طريقة تحليل مجال التردد الكهربائي، بما في ذلك التحويل المويج المنفصل (DFT) بحيث تتميز طريقة التحكم المباشر بمزايا سرعة الاستجابة السريعة وعدم وجود مشكلة تقارب، وهي عملية ومباشرة. في المقابل، وخاصةً عندما تؤخذ في الاعتبار عوامل متعددة في نفس الوقت، ستكون متطلبات صياغة الاستراتيجية أعلى.

القيود والمساهمات الخاصة بخطة توليد الكهرباء

توفر استراتيجيات التحكم المذكورة أعلاه دعماً نظرياً وفيراً لتقليل انحراف خطة طاقة الرياح، ولكن لا تزال هناك العديد من المشكلات التي يجب تحسينها، أولاً وفقاً لخصائص استجابة مقياس الوقت المختلفة لانحراف طاقة الرياح، يجب اختيار معدات تخزين الطاقة المقابلة لتحقيق تعويض دقيق للانحراف وثانياً مع ضمان دقة التحكم، يجب تقليل عدد مرات الشحن والتفريغ لمعدات تخزين الطاقة وتجنب الشحن والتفريغ العميق.

أما ثالثاً من أجل توجيه المستثمرين في اتخاذ القرار، بحيث ينبغي إجراء تحليل كمي لعائد الاقتصاد الاستثماري لأنظمة تخزين الطاقة طوال دورة الحياة، كما تم اقتراح استراتيجية تحكم مباشر في هذه الورقة لحل المشاكل المذكورة أعلاه، بحيث تم تلخيص مساهمات هذه الورقة على النحو التالي:

• يتم استخدام (DFT) لتقسيم انحراف طاقة الرياح إلى ثلاث فئات، وهي التردد العالي والتردد المتوسط ​​والتردد المنخفض، وهو ما يمنح خصائص معدات تخزين الطاقة ذات المقاييس الزمنية المختلفة دوراًُ كاملاً.

• وفقاً للمتطلبات المتنوعة لطاقة الرياح؛ فإن استخدام معدات تخزين الطاقة المختلفة يعوض في طبقات مختلفة، وفي الوقت نفسه تقسم الاستراتيجية مناطق التحكم وتصيغ طرق التحكم المقابلة لانحرافات طاقة الرياح المختلفة لتحسين دقة التحكم وتقليل انحراف طاقة الرياح في النهاية والتنظيم المتكرر بين تخزين الطاقة.

• تُستخدم طريقة (Markov Chain Monte Carlo) جنباً إلى جنب مع تقنية تقليل المشهد العكسي لتوليد بيانات طاقة الرياح لسيناريوهات متعددة، وبناءً على ذلك يتم تحليل عائد الاستثمار لنظام تخزين الطاقة الهجين (HESS) في دورة الحياة بأكملها للتحقق من اقتصاده.

متطلبات التنبؤ وتقييم طاقة الرياح

يمكن لخطأ الجذر التربيعي (RMSE) المستخدم لتحديد دقة توقعات طاقة الرياح، حيث أن يحكم بشكل أفضل على درجة الانحراف في نتائج تنبؤ طاقة الرياح ويفحص دقة نتائج التنبؤ طوال اليوم.

في المعادلة السابقة تكون كل من (PAi و PPi) هما قيمتا الطاقة والخطة الفعلية في الوقت (i)، على التوالي، كذلك (n) هو عدد نقاط أخذ العينات ضمن فترة أخذ العينات والغطاء هو قدرة تشغيل الوحدة لمزرعة الرياح و(ε) هو هدف التحكم.

أيضاً يجب أن يكون الانحراف بين خرج الطاقة الفعلي لوحدات الطاقة الحرارية ومنحنى جدولة اليوم التالي ضمن (2.5٪) من الطاقة المخطط لها، كما أن الجزء الزائد هو تقييم الطاقة الكهربائية، والتي سيتم معاقبتها، وذلك في ظل خلفية التطوير المستمر لنظام الطاقة، بحيث ستتنافس طاقة الرياح حتماً مع الطاقة التقليدية، ومن ثم تُحسب أيضاً انحراف طاقة الرياح وفقاً لمتطلبات تقييم وحدات الطاقة الحرارية.

كما تبلغ الطاقة الكهربائية الناتجة من مزرعة رياح (100) ميغاوات في يوم عادي (1125.361) ميغاوات، كما يظهر منحنى الانحراف بين القدرة الفعلية والقدرة المخططة في الشكل (1-A)، وهي (فترة أخذ العينات خلال 1 ثانية) وقوة التقييم المقابلة موضحة في الشكل (1-B).

حيث يبلغ معدل (RMSE) في اليوم (10.44٪)، وهو ما يفي بمتطلبات التقييم بأن معدل (RMSE) لنتائج التنبؤ طوال اليوم لا يزيد عن (20٪) نأخذ مجال الموارد الثالث كمثال، وذلك عندما تنتقل مزرعة الرياح من تعريفة التغذية القياسية الحالية إلى السعر التوجيهي في عام 2020م، كما سيتم تخفيض إيرادات الكهرباء اليومية من (78313.2376) إلى (US60732.6772)، علاوة على ذلك؛ فإن تقييمها للطاقة الكهربائية يمثل (31٪) من إجمالي توليد الكهرباء، كما ستتحمل مزرعة الرياح عقوبات كبيرة.

وباختصار، لتقليل الخسائر الاقتصادية وزيادة القدرة التنافسية لطاقة الرياح؛ فإنه يجب على مزارع الرياح تحسين قدرة التتبع التي تتزامن الطاقة الفعلية مع الطاقة المخطط لها، ولهذا السبب تقترح هذه الدراسة استراتيجية التحكم في نظام طاقة الرياح (-ES) الهجين ومخطط عمل النظام بأكمله أدناه.

خصائص الاستجابة وطريقة التقييم الاقتصادي لمعدات تخزين الطاقة

لتحليل خصائص الاستجابة لمعدات تخزين الطاقة، نأخذ تقلبات الحمل لمنطقة معينة في يوم معين كمثال، والذي يحول انحراف القدرة في المجال الزمني إلى مجال التردد الكهربائي، بحيث يظهر منحنى خاصية تردد الاتساع في الشكل التالي (3)، لذلك فإن اتساع الجزء عالي التردد يكون عموماً صغيراً ويتغير بسرعة، الأمر الذي يتطلب تخزين الطاقة للشحن والتفريغ بسرعة.

وفي حين أن تذبذب جزء التردد المنخفض كبير ويتطلب وقتاً طويلاً في الشحن والتفريغ لمعدات تخزين الطاقة، وبالتالي في مواجهة خصائص الاستجابة المختلفة في مجال التردد؛ فإنه يصعب تلبية طلب التعويض على نطاق متعدد الأوقات لتخزين الطاقة المفردة.

كما يمكن تقسيم أجهزة تخزين الطاقة إلى نوع الطاقة ونوع الطاقة اعتماداً على خصائص الاستجابة المختلفة، حيث أن الأول لديه كثافة طاقة عالية وعمر دورة طويل، لكن كثافة طاقة منخفضة، وهو مناسب لتعويض انحراف الطاقة عند مستويات الثواني والدقيقة، بينما الأخير هو عكس ذلك تماماً.