الجدولة قصيرة المدى لأنظمة توليد الطاقة الكهربائية الهجينة

من أجل مواجهة التحديات الناجمة عن الاختراق العالي لطاقة الرياح والطاقة الشمسية المتقطعة والمتقلبة؛ تم إنشاء نموذج جدولة مثالي قصير الأجل لنظام توليد الطاقة الهجين باستخدام الطاقة الكهرومائية المتتالية والرياح الشمسية بهدف تقليل كمية المياه المستخدمة، كذلك طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة المائية وتعظيم الطاقة المخزنة في المحطات المائية.

أهمية الجدولة قصيرة المدى للأنظمة توليد الطاقة الكهربائية الهجينة

مع تزايد الاهتمام بنقص الطاقة والتدهور البيئي العالمي، أصبح بناء أنظمة طاقة مستدامة اتجاهاً لنظام الطاقة في الوقت الحاضر، بحيث تكتسب الطاقة الشمسية وطاقة الرياح كمصادر توليد خضراء، قبولاً لتلبية الطلب على الطاقة بتكلفة منخفضة دون أي انبعاثات ضارة، ومع ذلك ونظراً لتأثرها بشكل كبير بعوامل الأرصاد الجوية والبيئية؛ فإن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح متقطعة وتقلب قوي وضعف التحكم، بحيث كانت هناك مشاكل خطيرة في جدولة نظام توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية.

وعلى العكس من ذلك؛ فإن الطاقة الكهرومائية لها مزايا مختلفة لعمليات نظام الطاقة، مثل إمكانية التحكم الجيدة ووقت البدء القصير والقدرة على تخزين الطاقة، كذلك الرياح والشمس والطاقة المائية عناصر متكاملة في الزمان والمكان، بحيث يمكن أن يؤدي إدخال الطاقة الكهرومائية إلى تعزيز مرونة وإمكانية تعديل أنظمة التوليد التكميلية، والتي يمكن أن تزيد أيضاً من مستوى الاستخدام العام للطاقة المتجددة.

كذلك تم إنشاء نموذج تحسين منسق مع الحد الأدنى من تقلبات المخرجات ومقارنة مخططات الجدولة لنظام طاقة متعدد الطاقة في ثلاثة ظروف جوية مختلفة في مقاطعة “تشينغهاي”، بحيث تظهر النتائج أن العملية المنسقة يمكن أن تعمل على استقرار تقلبات طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وتم طرح طريقة للتشغيل المسبق لنظام طاقة الرياح المائية مع الأخذ في الاعتبار مخرجات الطاقة غير المؤكدة لمزارع الرياح، كما تشير النتائج إلى أن تشغيلها المنسق يفضي إلى تقليل تقليص طاقة الرياح.

تحديات احتياطي تخزين الطاقة الهجينة بالنسبة للتوليد

مع تزايد تغلغل طاقة الرياح وتوليد الطاقة الشمسية؛ يواجه ترتيب الاحتياطي المعقول تحديات خطيرة، ومع تطور طاقة الرياح وتكنولوجيا توليد الطاقة الشمسية؛ فقد درس العديد من العلماء نمذجة طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية، كما أن توليد توزيعات سرعة الرياح متعددة المتغيرات وبيانات الإشعاع الشمسي، بحيث استخدم (kriging) المستقبلي للتنبؤ بالإشعاع الشمسي في المواقع غير المرصودة.

كذلك يجب مراعاة دمج طاقة الرياح والطاقة الشمسية في مشكلة الجدولة على المدى القصير وترتيب احتياطي الدوران المناسب للحفاظ على مستوى مناسب من موثوقية الإمداد والاستجابة لالتقاط أحمال النظام بعد وقوع الحوادث.

أيضاً يُشار إلى أنه بالإضافة إلى احتياطي الدوران العلوي؛ يجب استخدام احتياطي دوران كافٍ لتلبية الارتفاع المفاجئ لتوليد طاقة الرياح في أوقات تحميل النظام المنخفضة، وبالتالي تجنب الإغلاق القسري للوحدات التقليدية، بحيث تم ترتيب وحدات الطاقة الحرارية لتوفير احتياطي الدوران لأعلى ولأسفل لضمان أن موارد التوليد الملتزم بها ستكون قادرة على التعامل مع أي ناتج لتوليد طاقة الرياح يتم تحقيقه ضمن النطاق.

جدولة نظام توليد الطاقة الهجين باستخدام طاقة الرياح والطاقة الشمسية

في نموذج الجدولة الأمثل لنظام توليد الطاقة الهجين باستخدام الطاقة الكهرومائية المتتالية وطاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة المائية؛ بحيث تشمل الأهداف عموماً أعلى معدل استخدام للطاقة النظيفة وأقل تكلفة للتوليد، كما وتشمل القيود عمومًا قيود خرج طاقة الرياح وقيود خرج الطاقة الشمسية وقيود الطاقة الكهرومائية المتتالية وقيود النظام لاحتياطي التنظيم واحتياطي الغزل.

وعلى وجه الخصوص تحتوي محطات الطاقة الكهرومائية التعاقبية على توصيلات طاقة وهيدروليكية معقدة، لذلك ينتمي نموذج الجدولة الأمثل إلى مشكلة تحسين متعددة المتغيرات ومتعددة الفترات وغير خطية.

• اقتران الهدف: من أجل الحد من طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة المائية المهجورة؛ فإنه يمكن التعبير عن الوظيفة الموضوعية على النحو التالي:

ومن أجل تخزين أكبر قدر ممكن من المياه لتلبية احتياجات توليد الطاقة واستهلاك المياه في المستقبل؛ فإنه يمكن التعبير عن الوظيفة الموضوعية على النحو التالي:

كما أن أبعاد طاقة الرياح والطاقة الشمسية والمائية المهجورة وكذلك الطاقة المائية المخزنة في محطات الطاقة الكهرومائية التعاقبية هي نفسها، أي ميغاواط ساعة، لذلك يمكن تحويل الوظائف الموضوعية المذكورة أعلاه إلى وظيفة موضوعية واحدة ذات وزن متساوٍ، والتي يتم التعبير عنها على النحو التالي:

القيود المترتبة على استخدام مصادر الطاقة الهجينة في التوليد الكهربائي

بالنسبة الى القيود المرتبطة بالطاقة الهجينة؛ فإنها تشمل القيود قيود طاقة الرياح وقيود الطاقة الشمسية وقيود الطاقة الكهرومائية المتتالية وقيود النظام.

• قيود طاقة الرياح: وهي مقيدة بالخصائص الفيزيائية لتوربينات الرياح وموارد طاقة الرياح، بحيث يتم التعبير عن القيود المفروضة على إنتاج طاقة الرياح.

• قيود الطاقة الشمسية: وعندما تكون على غرار نمذجة قيود طاقة الرياح؛ فإن مخرجات توليد الطاقة الشمسية لها أيضاً حدود عليا وسفلية.

• تتالي قيود الطاقة الكهرومائية: وهنا لا يمكن لمحطات (Cascade) المائية فقط تلبية طلب الحمل لشبكة الطاقة وضمان سلامة التحكم في الفيضانات في مناطق المنبع والمصب، ولكن أيضاً تنسيق العلاقة بين رأس المياه وتدفق المياه ومخرجات المحطات المائية لتحسين معدل الاستخدام.

وفي نموذج الجدولة الأمثل لنظام توليد الطاقة الهجين من الرياح والطاقة الشمسية والهيدروجينية؛ فإنه لا يوجد فقط قيود توازن طاقة النظام وقيود النقل، ولكن أيضاً هناك قيود احتياطية بسبب التباين وعدم اليقين في طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2).

وبالنسبة الى قيود احتياطي العزل، وفي أنظمة توليد الطاقة الهجينة من الرياح والطاقة الشمسية والمائية؛ تكون تنبؤات طاقة الرياح والطاقة الشمسية أكثر صعوبة من تنبؤات الحمل، بحيث يتوافق عدم اليقين بشأن طاقة الرياح والطاقة الشمسية مع خطأ التنبؤ بالساعة وستكون هناك حاجة لجدولة احتياطي الغزل للحفاظ على مستوى مناسب من موثوقية الإمداد.

وأخيراً وخلال هذه الدراسة تم القيام بتطوير نموذج جدولة أمثل قصير المدى لنظام توليد الطاقة الهجين من الرياح والطاقة الشمسية المائية مع الطاقة الكهرومائية المتتالية، حيث توفر الطاقة الكهرومائية احتياطياً للعزل واحتياطياً للتنظيم وذلك لتوفير الموارد على أساس ضمان السلامة والأمان، كذلك التشغيل المستقر للنظام.

كما بعد خطية القيود غير الخطية، بحيث نستخدم (MILP) لحل مشكلة الجدولة المعقدة. في دراسات الحالة، بحيث نوضح أن احتياطي الغزل واحتياطي التنظيم ضروريان للحفاظ على مستوى مناسب من موثوقية الإمداد والأمن بسبب تكامل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وعلاوة على ذلك يمكن أن يوفر النموذج المقترح معلومات قيمة لتركيب مزارع الرياح ومحطات الطاقة الشمسية.

وبشكل عام تحتوي وحدات الطاقة الكهرومائية على مناطق اهتزاز معينة، ولا يمكن للوحدات أن تعمل بشكل مستمر لفترة طويلة في مناطق التشغيل المحظورة (POZs)، لذلك لم يتم النظر في (POZs) من وحدات الطاقة الكهرومائية في نموذج الجدولة المقدم، والتي ينبغي معالجتها في المستقبل القريب، وعلاوة على ذلك يجب دراسة نماذج الجدولة ذات المقاييس الزمنية المختلفة لأنظمة التوليد الهجين، كما وينبغي النظر في خطأ التنبؤ الأكثر بروزاً في تنبؤات طاقة الرياح والطاقة الشمسية في نطاقات زمنية طويلة.