التحكم الهندسي لموارد الطاقة الكهربائية الموزعة

أهمية التحكم الهندسي لموارد الطاقة الكهربائية الموزعة

تم بناء أنظمة الطاقة التقليدية على افتراض أن التوليد تم التحكم فيه من خلال عدد قليل من مرافق التوليد المركزية التي تم تصميمها لخدمة الأحمال السلبية إلى حد ما، ومنذ ذلك الحين سيطر هذا الافتراض على هيكل شبكة الطاقة المادية واقتصاديات أنظمة الطاقة، وذلك فضلاً عن التدابير التنظيمية، ومع ذلك؛ فقد ظهرت العديد من الدوافع لتحدي هذا الافتراض.

محركات تطور شبكة الطاقة الكهربائية

أول هذه الدوافع هو “إزالة الكربون”، حيث تميزت العقود القليلة الماضية بالقلق من ارتفاع “انبعاثات ثاني أكسيد الكربون”، وعلاوة على ذلك سعت الدول المستوردة للطاقة إلى الابتعاد عن الفحم والنفط والغاز الطبيعي، ونتيجة لذلك شجعت العديد من الدول على اعتماد مصادر الطاقة المتجددة المحلية من أجل تحسين أمن الطاقة وخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

وبشكل أكثر تحديداً؛ فقد تعهد “الاتحاد الأوروبي” بتقليل انبعاثات “غازات الدفيئة” إلى 40٪ من مستويات عام 1990م بحلول عام 2030م، وزيادة محفظة الطاقة المتجددة بنسبة 27٪ على الأقل في عام 2030م، أيضاً وضع الموقعون على اتفاقية باريس أهدافاً وطنية لمكافحة تغير المناخ في حدود قدراتهم الخاصة، كما وقد تم وضع معايير المحفظة المتجددة (RPS) وخيار الطاقة الخضراء الإلزامي (MGPO) في العديد من الولايات الأمريكية، وذلك لتشجيع توليد الطاقة المتجددة.

على سبيل المثال، شرعت كاليفورنيا في زيادة النسبة المئوية لمصادر الطاقة المتجددة في الولاية إلى 33٪ بحلول عام 2020م وإلى 50٪ بحلول عام 2030م، وبالطبع أدت هذه التدابير إلى نمو كبير في كمية موارد الطاقة المتغيرة (VERs) في الشبكة مع نمو الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) بنسبة تصل إلى 50٪ في عام 2016م.

كما أن الدافع الثاني هو زيادة الطلب على الكهرباء خاصة في البلدان النامية، بحيث أظهرت الدراسات أن الطلب على الكهرباء في البلدان النامية سيستمر في الزيادة باطراد بنحو 4٪ كل عام بين عامي 2000م و 2030م، أي ما يقرب من ثلاثة أضعاف في ذلك الوقت، ومن أجل تقليل الحاجة إلى المزيد من سعة التوليد وتكلفة الاستثمار المرتبطة بها؛ فإن التقنيات مثل حلاقة الذروة وإدارة جانب الطلب ضرورية.

مساهمة المحركات بتطوير الشبكة الكهربائية

تتسبب هذه المحركات الخمسة في تطور الشبكة لتصبح أكثر ذكاءً واستجابة وديناميكية ومرونة وتكيفاً، بحيث ستحدث العديد من هذه التغييرات في محيط الشبكة مع تكامل “موارد الطاقة الموزعة” مكانياً، وهي التوليد الموزع (مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتوربينات الرياح الصغيرة الحجم والتوربينات المائية الجارية في النهر) وموارد جانب الطلب.

وهذه بدورها سوف تستلزم تقنيات التحكم الموزعة المرتبطة بها، بحيث يتبنى هذا العمل مصطلحات التحكم الموزع واللامركزي والمركزي، وفي هذا الصدد تعمل هذه الدراسات على تسليط الضوء على الدروس المستفادة مؤخراً من الدراسات الموضوع الرئيسي في هذه الدروس هو الحاجة إلى مقاربات شاملة تدمج طبقات متعددة من التحكم من أجل تحقيق الأهداف التقنية وكذلك الاقتصادية، كما تشير الأبحاث أيضاً إلى العديد من التحديات المفتوحة طويلة الأجل والتي تتطلب حلاً لدعم موارد الطاقة الموزعة.

التحديات التي تواجه تطوير الشبكة الكهربائية

التحدي الأول: إدارة الأداء التقني والاقتصادي في نفس الوقت، بحيث سيؤثر تطور شبكة الكهرباء في نفس الوقت على أدائها الفني والاقتصادي، كما ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى تكامل موارد الطاقة المتغيرة (VERs) وموارد جانب الطلب (DSRs)، بحيث يقدم الشكل التالي (1) هذه الحجة بإيجاز، كما يمثل المحور الأفقي سلسلة القيمة (المادية) للتوليد والطلب التي يتم توصيلها من خلال شبكات النقل والتوزيع.

لذلك يدرك المحور الثاني أن هذه الموارد يمكن أن تكون إما عشوائية أو قابلة للتوزيع، كما  يعد الوعي بالطبيعة العشوائية والقابلة للتوزيع لموارد الطاقة أمراً ضرورياً لأنه يوفر لمشغلي الشبكة المرونة التي يحتاجونها لضمان استقرار النظام وموثوقيته خاصةً مع إضافة المزيد من (VERs) و (DSRs) إلى الشبكة الكهربائية، وأخيراً يعرض المحور الرأسي شبكة الطاقة الكهربية جسدياً بطبقات متعددة من قرارات التحكم والأتمتة وتقنيات المعلومات.

التحدي الثاني: امتد على جداول زمنية متعددة للعمليات، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، كما تتداخل ظواهر التحكم في نظام الطاقة في النطاقات الزمنية، وتقليدياً؛ فقد قسمت الدراسات أنظمة الطاقة هذه الظواهر إلى هيكل تحكم هرمي وهو التحكم الأولي والثانوي والثالث، كما يؤدي التحكم الأساسي (10 – 0.1 هرتز) تحليلات الاستقرار الديناميكي وتعديلات خرج المولد من خلال تنفيذ التحكم التلقائي في المولد (AGC) ومنظمات الجهد الأوتوماتيكي (AVR).

كذلك التحكم الثانوي، والذي يعمل في نطاق الدقائق ويوفر نقاطاً محددة لإجراءات التحكم التلقائي للتحكم الأساسي، كذلك يتضمن أيضاً إجراءات يدوية للمشغل لضمان أداء آمن ومستقر بأسرع ما يمكن، مما يؤدي الى التحكم الثلاثي، والذي يحدث في غضون عشرات الدقائق إلى الجدول الزمني للساعات، كما ويحدث تحسيناً اقتصادياً لتقليل تكلفة التوليد إلى أدنى حد لتلبية الطلب وفقاً لقدرة المولد وحدود الخط.

التحدي الثالث: تفعيل موارد جانب الطلب النشط، كما هو مذكور في المقدمة، بحيث تعمل شبكة الكهرباء تقليدياً وفقاً لنموذج أن التوليد موجود لمتابعة التباين الخارجي في طلب المستهلك، كما كان لهذا تأثير كبير على تصميم البنية التحتية للشبكة في قدرة التوليد تلك التي يجب أن تتناسب مع ذروة الطلب بغض النظر عن مدى ندرة تلك السعة المطلوبة على مدار العام.

كما أن التوليد الموزع و (DSRs)، وباعتبارها موارد طاقة يتم التحكم فيها بشكل فعال، كذلك لديها القدرة على تقليل الحاجة إلى توسيع سعة التوليد، ومع ذلك؛ فإن وجودهم يتسبب في احتمال التدفقات الأولية من محيط شبكة الطاقة نحو نظام النقل المركزي.

كذلك ينتهك هذا الاحتمال افتراضاً آخر قديماً في شبكة الطاقة الكهربائية حيث يتم تنظيم نظام النقل بطريقة متداخلة بينما يتم تنظيم نظام التوزيع بطريقة شعاعية تسمح للقدرة بالتدفق للخارج في اتجاه واحد، وبدلاً من ذلك، تم تعيين التوليد الموزع و (DSRs) لتحدي هذا الافتراض الهيكلي الذي يتطلب طوبولوجيا متداخلة في جانب الطلب أيضاً.

التحدي الرابع: تنشيط محيط شبكة الطاقة، بحيث يؤدي الاختراق المتزايد لموارد الطاقة المتغيرة إلى تآكل قابلية انتشار الشبكة التي يتم استردادها فقط بواسطة (DSRs)، وفي معظم الحالات غالباً ما توجد هذه الأجهزة على أطراف الشبكة، كما أنه من المقرر أن تتسبب تقنيات الشبكة الذكية المعروفة باسم إنترنت الأشياء في حدوث انفجار في عدد نقاط التحكم في جانب الطلب.

لذلك؛ فإن هذه الأجهزة عديدة وموزعة مكانياً ووظيفياً، وعلى هذا النحو يتطلب التحكم في هذه الأجهزة قابلية كبيرة للتوسع والتوزيع، وعلاوة على ذلك يجب أن تمكن معماريات التحكم بشكل كلي الخصائص الديناميكية مثل القدرة على التنبؤ وقابلية الانتشار والمرونة، وفي محيط الشبكة يوضح الجدول التالي أن الطلب والتوليد يلعبان دوراً متوازنً، فيما يتعلق بخصائص التحكم الديناميكي هذه لذلك؛ فإن تنسيق (DSRs) في محيط الشبكة له أهمية قصوى لضمان هذه الخصائص الديناميكية.