المحطة الفرعية للطاقة الكهروضوئية والتشغيل الأمثل لـ BESS

أدى التطوير الأخير وتقليل التكلفة في تقنية الكهروضوئية إلى تغيير هيكل نظام الطاقة، بحيث تتزايد مشاركة توليد الطاقة الكهروضوئية، كما ويزداد حجم كل مزرعة كهروضوئية، ومن أجل دمج المزارع الكهروضوئية الكبيرة في الشبكة الرئيسية؛ فإنه يجب ضبط حجم المحطة الفرعية للتوصيل البيني بشكل مناسب، وعلى عكس المحطات الفرعية للحمل والمولدات الكهربائية التقليدية.

تقييم المحطة الفرعية للطاقة الكهروضوئية والتشغيل الأمثل لـ BESS

تتميز المولدات الكهروضوئية بخصائص خرج متغيرة لأن الإشعاع الشمسي، بحيث يتغير باستمرار تبعاً لظروف الطقس، ومع زيادة تغلغل الكهروضوئية في نظام الطاقة؛ فإن تباين التوليد من الكهروضوئية يؤثر على استقرار نظام الطاقة، كما يمثل “منحنى القدرة” الشهير حالة تمثيلية توضح تأثير الاختراق العالي للمولدات الكهروضوئية.

كذلك بدأت بعض أنظمة الطاقة التي تتمتع بمستوى عالٍ من نسبة توليد الطاقة الكهروضوئية في الحد من توليد المصادر الكهروضوئية من أجل تأمين استقرار الشبكة الكهربائية، بحيث يعتبر التقييد الصارم للمولدات المتجددة إجراءً مضاداً غير فعال حيث أن مستوى تغلغل المولدات المتجددة يستمر في الازدياد والذي تحركه العديد من السياسات والقلق البيئي على المولدات التقليدية.

أنظمة تخزين الطاقة المتجددة ضمن المحطات الفرعية

يمكن لأنظمة تخزين الطاقة مثل تخزين الطاقة المائية بالضخ والبطارية التعامل بكفاءة مع الاختلافات من المولدات المتجددة، لذلك لقد ساهم نظام التخزين بالضخ المائي في تحقيق التوازن بين العرض والطلب على نظام الطاقة من الماضي والبدء في اكتساب المزيد من الشعبية مؤخراً لقمع تنوع المولدات المتجددة، كذلك نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) سريع ومضغوط مقارنة بنظام التخزين المائي الذي يتم ضخه.

وعلى عكس نظام التخزين الذي يتم ضخه بالماء والذي عادة ما يتم تخطيطه وبنائه بواسطة مشغلي نظام النقل؛ تميل (BESS) إلى التثبيت في أماكن مجاورة للمصادر المتجددة ويتم بناؤها من قبل مالكي المولدات، أما بالنسبة لموردي الطاقة المتجددة؛ فإنه يمكن لنظام تخزين الطاقة أن يحقق ربحاً إضافياً إذا كان سوق الكهرباء يهيمن عليه ناتج توليد الطاقة المتجددة.

على سبيل المثال في سوق بنظام ترتيب الجدارة؛ تعمل مشاركة المولدات المتجددة على تقليل السعر الهامشي للنظام (SMP)، ونظراً لأن المولدات المتجددة لها الأولوية القصوى في السوق، وفي هذه الحالة؛ فإن الغرض الرئيسي من (ESS) الذي تم تثبيته بواسطة موردي الطاقة المتجددة هو تحويل الطاقة المولدة إلى منطقة زمنية أخرى عندما يكون (SMP) مرتفعاً.

ومن أجل تقليل الاختلاف عن المصادر المتجددة؛ غالباً ما يدفع مشغل النقل حوافز إضافية للمولدات المتجددة التي تحتوي على نظام تخزين الطاقة (ESS) المثبت داخل منشآتها، ونظراً لارتفاع تكلفة رأس المال يعد تحجيم (ESS) أمراً مهمًا في مرحلة تخطيط الشبكة، بحيث يمكن العثور على العديد من المنهجيات في الدراسات لحل مشكلة الحجم لأهداف مختلف.

بيانات الإشعاع الشمسي بسعر النظام الهامشي

تعد بيانات الإشعاع الشمسي مهمة في تخطيط المولدات الكهروضوئية، حيث يمكن أن يتنوع إجمالي إنتاج النباتات بواسطتها، ومن أجل تقييم ناتج التوليد المحتمل من المولدات الكهروضوئية في منطقة معينة؛ يلزم ما لا يقل عن عام واحد من بيانات الإشعاع لأن تغير الطقس ودرجة الحرارة من العوامل الحاسمة للإشعاع الشمسي.

كما يظهر الرسم البياني لبيانات الإشعاع في الشكل التالي (1)، وكما هو موضح في الرسم البياني؛ فإن تشغيل المولدات الكهروضوئية بالقرب من السعة المقدرة متقطع مقارنة بنطاق التشغيل الآخر، وبالتالي حتى مع وجود سعة صغيرة لـ (BESS) في النظام؛ فإنه يمكن تقليل سعة المحول المطلوبة بشكل كبير، وبنفس الطريقة يمكن زيادة السعة القصوى للمولدات الكهروضوئية بحيث تكون سعة المحولات للتوصيل البيني محدودة.

• تصنيف نمط الإشعاع الشمسي: قبل إجراء عملية التحسين؛ فإنه يجب تصنيف سيناريو الكهروضوئية لمدة عام إلى عدة أنواع من الأنماط لتقليل وقت الحساب، لذلك إذا تم الحفاظ على إجمالي كمية الإشعاع الشمسي بعد التصنيف؛ فستتطابق نتيجة عملية التحسين مع الأنماط المصنفة مع النتيجة مع الأنماط الأصلية.

كما يمكن تصنيف نمط الإشعاع الشمسي إلى (5) أنماط تمثيلية يتم تحديدها بواسطة أنماط كتلة الإشعاع الشمسي بواسطة السحابة، وبالإضافة إلى أنماط الكتلة بواسطة السحابة؛ يجب أيضاً مراعاة التغيير الموسمي لنمط الإشعاع من أجل التصنيف، بحيث يمكن أن يتأثر الإشعاع الشمسي بالتغير الموسمي الذي يتأثر بشكل أساسي بمدار الشمس.

كما تعتبر ثلاث مراحل من الإشعاع الشمسي تعكس تغيراً موسمياً في قوة الإشعاع، وهذا الافتراض ممكن في مكان يوجد فيه تغيير مميز لأربعة مواسم لها (3) مراحل من قوة الإشعاع الشمسي (الشتاء، الصيف) وما بين المواسم)، وتجدر الإشارة إلى أن لكل موسم أيضاً اختلاف في وقت غروب الشمس وشروقها.

• بناءً نمط الإشعاع سيناريو بناء (SMP): يعتبر الغرض الرئيسي من تشغيل (BESS) في المحطة الكهروضوئية هو التحول الزمني للإنتاج الكهروضوئي إلى فترة مختلفة عندما يكون (SMP) مرتفعاً، بحيث يعد الفرق بين أعلى وأدنى (SMP) عاملاً مهماً لحساب ربح (BESS) المحتمل، ونظراً لتزايد المولدات المتجددة في نظام الطاقة؛ فإنه يمكن أن يتغير (SMP) للنظام نظراً لأن سعر الوقود للمولدات المتجددة لا يتم اعتباره في نظام السوق التقليدي.

وبالتالي؛ فإن اختيار بيانات نمط (SMP) الصالحة لكل سيناريو إشعاع مهم لضمان الصلاحية المنطقية لعملية التحسين التالية، بحيث يتم جمع بيانات (SMP) من سوق الكهرباء الكوري المقابلة لنفس فترات بيانات الإشعاع، كما يمكن أن تتنوع أنماط ال (SMP) من يوم لآخر وتزيد من تعقيد مشكلة التحسين، بحيث يمكن تطبيق نفس نهج تصنيف الأنماط على أنماط (SMP).

وكما هو موضح في الشكل التالي (2)؛ تُظهر معظم أنماط (SMP) أعلى (SMP) عند الساعة (13) وأقلها عند الساعة (5)، والفجوة بين السعر الأقصى والأدنى تتركز بالقرب من (10) دولار / كيلوواط ساعة، وعلى عكس الحالة “S_SN”، كما تحتوي فئة “W_SN” على أنماط (SMP) ذات وقت ذروة مختلف كما هو موضح في الشكل التالي (3).

كما ويمكن تفسير هذه الظاهرة بطريقة ترتبط ارتباطاً وثيقاً بنمط الإشعاع الشمسي بالخصائص الموسمية وتغير (SMP)، كما يمكن أيضاً تفسير النمط في الاختلافات الموسمية، بحيث تصبح هذه العلاقة أكثر أهمية مع زيادة مستوى تغلغل المولدات المتجدد، كما يعتبر ارتباط الأرصاد الجوية بين كل محطة من محطات الطاقة الكهروضوئية في منطقة أرضية كبيرة مرتفعاً نسبياً مقارنة بالمصادر المتجددة الأخرى.

وبالنسبة لمجموعة أنماط (SMP) المصنفة حسب الأنماط الكهروضوئية المقابلة، بحيث تتكون الحالة التمثيلية من تركيب الشبكة العصبية، كما يتم استخدام (70٪) من البيانات للتدريب بينما يتم استخدام الباقي للتحقق والاختبار. يتم عرض الأنماط التمثيلية لـ (SMP) لفئات (S_SN) و (W_SN) في الشكل التالي (4).

وأخيراً تم إجراء تحليل مفصل لتحديد السعة الكافية لمحطات الطاقة الكهروضوئية عند ربطها بمحطات فرعية ذات سعة محدودة والعكس صحيح، وأثناء عملية التقييم يتم تثبيت (BESS) لتحقيق ثلاثة أغراض تشغيلية، أولاً تعمل (BESS) لتوسيع حد السعة بواسطة المحولات إلى محطات الطاقة الكهروضوئية، وثانياً يمكن أن تحقق (BESS) ربحاً إضافياً عن طريق التحويل الزمني لتوليد المحطات الكهروضوئية من فترة (SMP) المنخفضة.