التخصيص ثنائي المستوى للموارد المرنة لشبكة التوزيع الكهربائية

بسبب التقلب العشوائي، ستجلب كمية كبيرة من الطاقة المتجددة تحديات لأمن واستقرار شبكة التوزيع الكهربائية، لذلك أصبح الاعتبار الشامل لاقتصاديات النظام والأمن والمرونة محور البحث حول تخطيط وتحسين شبكة التوزيع في ظل الوضع الجديد.

الهدف من التخصيص ثنائي المستوى لشبكة التوزيع الكهربائية

في السنوات الأخيرة، ومع تحول سياسة الطاقة الكهربائية، تعمل الصين بقوة على استبدال الطاقة الأحفورية التقليدية بالطاقة النظيفة المتجددة لتعزيز التنمية المستدامة للبشرية والمجتمع، لذلك بدأ نظام الطاقة ثورة جديدة في مجال الطاقة، كما وتستخدم الطاقة المتجددة الموزعة (DRE) التي تمثلها توربينات الرياح (WT) أو مولد الطاقة الكهروضوئية (PV) على نطاق واسع في جانب شبكة التوزيع.

بينما يجلب (DRE) الطاقة النظيفة إلى الشبكة الكهربائية، لذلك؛ فإن المرونة الناتجة عن تقلبها وتقطعها تضع أيضًا تحديات جديدة على تشغيل وتخطيط شبكة التوزيع المحلية، كما أن ناتج الطاقة المتجددة الموزعة والطلب على الحمل كلاهما عشوائي وغير مؤكد، وفي بحث تخطيط شبكة التوزيع؛ فإنه يتوجب مراعاة عشوائية الطاقة المتجددة وعدم اليقين في الحمل الكهربائي.

وكل ذلك وصولاً الى عدم اليقين والعشوائية للمولدات الكهربائية الموزعة المتقطعة في شبكة التوزيع النشطة، كما  ويؤسس نماذج الشجرة متعددة السيناريوهات للحمل الكهروضوئي للرياح، بحيث يتم استخدام تقنية السيناريوهات المتعددة القائمة على سلسلة ماركوف لمحاكاة عدم اليقين والتقلب بمرور الوقت لطاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية والحمل الكهربائي.

كذلك تم نمذجة حالات عدم اليقين المتعلقة بالحمل والتوليد باستخدام نهج مبني على أساس ضبابي، كما وتقدم هذه الدراسة استراتيجية توزيع توليد التوزيع لشبكات التوزيع الشعاعية باستخدام الخوارزمية الجينية التكيفية، وبالنظر إلى عدم اليقين في المخرجات الكهروضوئية؛ فإن نموذج إخراج السلاسل الزمنية الكهروضوئية بالطريقة الاحتمالية؛ يتحقق من فعالية نموذج التكوين الأمثل.

الأبحاث المتعلقة بالتخطيط ثنائي المستوى لشبكة التوزيع الكهربائية

في هذا البحث حول تخطيط شبكة التوزيع، تم اعتماد نموذج التحسين ثنائي المستوى على نطاق واسع، كما أنه تم اقتراح مخطط تحسين ثنائي المستوى للتخصيص الأمثل لـ (WT) و (ESS) في شبكات التوزيع، والهدف من نموذج التحسين هو الاقتصاد الأمثل والموثوقية. كما يؤخذ في الاعتبار حالات عدم اليقين المتعلقة بالتخلص من النفايات الصلبة والحمل، ويؤسس الباحثون نموذج تخطيط ثنائي المستوى لأنظمة الطاقة المتكاملة التي تتضمن استجابة الطلب.

كما تم وضع خوارزمية جينية لحل النموذج ثنائي المستوى، بحيث يقترح النموذج أخذ تفاعل تخصيص وتشغيل (ESS) في الاعتبار في نفس الوقت، أيضاً تم اقتراح مشكلة تحسين ضبابية متعددة الأهداف ثنائية المستوى لنمذجة تخطيط (ESS) في أنظمة التوزيع النشطة، ويأخذ هذا النموذج في الاعتبار الطبيعة المتغيرة بمرور الوقت لـ (DRE) والحمل في السيناريوهات اليومية النموذجية.

كما أنه تم إنشاء نماذج الإخراج الموثوقة من (WT) و (PV) لتصحيح نتائج التنبؤ بالحمل وطرح نموذج التخطيط ثنائي المستوى لشبكة التوزيع النشطة (ADN)، مما يضع في الاعتبار اقتصاديات النظام ويعتمد نموذجاً ثنائي المستوى لتحسين تخصيص (PV)، (WT)، (ESS) في شبكات التوزيع الكهربائية.

تحويل شبكة التوزيع التقليدية إلى شبكة توزيع بنسبة عالية المرونة

في الوقت الحاضر، تم تحويل شبكة التوزيع التقليدية إلى شبكة توزيع بنسبة عالية من (DRE)، بحيث أدت إضافة نسبة عالية من (DRE) إلى تقلب شبكة الطاقة، مما أدى إلى التخلي عن طاقة الرياح والطاقة الشمسية، كذلك أدى إلى إحداث خطر على التشغيل الآمن لشبكة الطاقة، لذلك وفي هذه المرحلة؛ فإنه من الضروري الانتباه إلى مرونة شبكة التوزيع مع نسبة عالية من (DRE)، والتي تستخدم للتعامل مع عدم اليقين الناجم عن (DRE) لشبكة التوزيع.

كما أنه يجب أن تتحول أولويات البحث الحالية إلى التخصيص الأمثل للموارد المرنة لشبكة التوزيع مع نسبة عالية (DRE)، ومقارنةً ببحوث التخصيص في إطار شبكة التوزيع التقليدية؛ فقد بدأ للتو البحث حول تخصيص الموارد المرن، بحيث تم اقتراح نموذج تخصيص موارد مرن لنظام الطاقة مع البرمجة غير الخطية المختلطة بشكل صحيح بناءً على نظام تخزين الطاقة واستجابة الطلب.

أيضاً توضح دراسة الحالة أن التخطيط المرن للموارد يمكن أن يحسن بشكل فعال مرونة النظام وموثوقيته، بحيث تشير الأبحاث إلى أن الطلب على مرونة النظام يزداد في نظام الطاقة باستخدام (DRE)، كما ويمكن لتقنية التشغيل المرنة لـ (ESS) تحسين مرونة النظام.

كما وتم اعتماد نموذج أساسي لتحديد وتحسين مرونة الطاقة الموزعة في حافلات التوزيع، وعلاوة على ذلك تم اقتراح مؤشر لحساب مساهمة كل ناقل توزيع في توفير مرونة الطاقة القابلة للتسليم. بحيث يقدم المهندسين نموذجاً يمكن فيه لمشغل نظام التوزيع الاستفادة من مرونة المستخدمين النهائيين لتقليل تكاليف الاستثمارات في توسيع شبكة التوزيع.

تحليل طاقة الرياح والطاقة الشمسية من حيث خصائص وقت التحميل

تُظهر طاقة الرياح والطاقة الشمسية العشوائية وعدم اليقين في الطاقة بسبب تأثير الظروف الطبيعية، كما أن حمل الطاقة يخضع أيضاً لعدم الثقة، وذلك بسبب عادات الاستخدام المختلفة. يعد التحليل متعدد السيناريوهات أحد الطرق لحل أوجه عدم اليقين المتعلقة بطاقة الرياح والطاقة الشمسية والحمل، وهي طريقة لتحويل مشكلة عدم اليقين إلى عدة سيناريوهات حتمية.

ومن خلال معالجة كمية كبيرة من البيانات التاريخية؛ فإنه يمكن لهذه الطريقة الحصول على بيانات السيناريو اليومية النموذجية، لذا؛ فإن المشكلة العشوائية تتحول إلى مشكلة حتمية، وبالمقارنة مع طريقة النموذج الاحتمالي وطريقة محاكاة “مونت كارلو”؛ فإن طريقة التحليل متعدد السيناريوهات المقترحة في هذه الدراسة بسيطة وعملية، كما ويمكن أن تقلل من صعوبة التشغيل.

وبالنظر إلى تذبذب طاقة الرياح والطاقة الشمسية والحمل في أربعة مواسم، تقلل هذه الورقة البيانات التاريخية السنوية إلى أربعة سيناريوهات يومية نموذجية في أربعة مواسم، وفي الوقت نفسه ووفقاً لخصائص الحمولة للمنطقة المخططة؛ فإنه يتم تقسيم الحمل إلى حمل سكني وحمل تجاري وتنقسم البيانات التاريخية السنوية للحمل الأرضي و (WT) و (PV) إلى أربعة مواسم هي الربيع والصيف والخريف و الشتاء.

وبعد ذلك؛ يتم استخدام خوارزمية التجميع (K-mean)، وذلك لإجراء تحليل متعدد السيناريوهات على البيانات التاريخية لطاقة الرياح والطاقة الشمسية والحمل، لذلك يتم الحصول على منحنيات القدرة اليومية النموذجية للمواسم المختلفة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي.

وكما هو مبين في الشكل السابق؛ فإنه يكون ناتج طاقة الرياح مستقراً بشكل عام عند (24) ساعة في اليوم، كما ويكون الناتج في الليل أكبر منه خلال النهار، بحيث تتقلب الطاقة الكهروضوئية بشكل كبير خلال (24) ساعة في اليوم، حيث أن القاسم المشترك للحمل السكني هو الوصول إلى ذروة استهلاك الكهرباء في الليل، كذلك الفرق الموسمي للحمل التجاري غير واضح، بحيث تحدد الطبيعة التجارية أن الحمل يتركز خلال ساعات العمل بالنهار.

بالنهاية تهدف هذه الدراسة إلى مشكلة المرونة التي جلبتها نسبة عالية من (DRE)، كما وتقترح نموذج التحسين المشترك لتخطيط العمليات ثنائي المستوى للموارد المرنة، بحيث يأخذ النموذج في الاعتبار اقتصاديات النظام والمرونة والأمن.