تحسين الطاقة الكهربائية في الشبكة الذكية المدمجة

تعد جدولة التحميل والتحكم في تخزين طاقة البطارية وتحسين راحة المستخدم من مشكلات تحسين الطاقة الحرجة في الشبكة الذكية، ومع ذلك؛ فإن مدخلات النظام مثل عملية توليد الطاقة المتجددة وعملية توليد الشبكة التقليدية وعملية شحن أو تفريغ البطارية وإشارات الأسعار الديناميكية وعملية وصول الحمل تشتمل على أداء وحدة التحكم لتحسين جدولة تخزين طاقة البطارية في الوقت الفعلي.

ضرورة تحسين الطاقة الكهربائية في الشبكة الذكية المدمجة

نظراً لقيود الميزانية والقيود التكنولوجية؛ فإنه لا يمكن لشبكة الطاقة الرئيسية تزويد المناطق النائية بالكهرباء في جميع أنحاء العالم، وبالتالي يصبح كهربة المناطق النائية ممكناً مع ظهور شبكة صغيرة. الشبكة المصغرة عبارة عن إطار عمل متكامل يربط بين المولدات الموزعة وتخزين الطاقة الموزع والحمل الذي يمكن التحكم فيه داخل منطقة محدودة ومحددة بوضوح تعمل بشكل مستقل.

ومع ظهور تكنولوجيا المعلومات والاتصالات؛ فإنه يمكن تشغيل الشبكة الصغيرة في وضعين، وهما متصل بالشبكة ومستقل لحل مشاكل موازنة الطاقة، وفي السجل يكون المستهلكون في القطاع السكني (31٪) لغاية (41٪) من إجمالي الطاقة، وهو استهلاك رئيسي، وبالتالي ومن أجل موازنة الطاقة الفعالة أو تحسين الطاقة؛ فإنه يلزم وجود بنية تحتية مثالية للتحكم في جدولة أنشطة الشحن أو التفريغ وجدولة الحمل المرنة والتحكم في تدفق الطاقة بين الشبكة الصغيرة وشبكة الطاقة المحلية.

وفي هذه الدراسة تم إجراء أعمال بحثية متنوعة لتحسين الطاقة في الوقت الفعلي في الشبكات الذكية المدمجة مع مصادر الطاقة المتجددة وأنظمة تخزين الطاقة، على سبيل المثال تم تقديم إطار جديد لإدارة الطاقة مع التحكم الذكي والأتمتة لإدارة الطاقة المنزلية، وبالمثل يتم إجراء العديد من الأعمال لموازنة الطاقة إما في أوضاع متصلة بالشبكة أو قائمة بذاتها في كلا الجانبين مثل تتمحور حول المستخدم وتركز على المنفعة.

كذلك وظيفة تحسين الطاقة المرتكزة على المنفعة مقيدة بالتزام المستخدم واحتياطي الدوران وتخزين الطاقة وتوليد الطاقة المتجددة وتشغيل شبكة الطاقة وكذلك استجابة الطلب، وعلى النقيض من ذلك؛ فإن وظيفة تحسين الطاقة المرتكزة على المستخدم مقيدة بتأخير جدولة الأجهزة والبطارية إدارة التخزين، كذلك خفض تكلفة الطاقة، بحيث يتم تقديم المناقشة الخاصة للعمل ذي الصلة.

الأعمال ذات الصلة بتحسين الشبكة الكهربائية المدمجة

قبل إجراء إدارة الطاقة؛ يعتبر توليد الطاقة المتجددة والتنبؤ بالأحمال ذات أهمية قصوى، والتي يتم توفيرها كما الشبكة الذكية، ولفهم الدراسات الموجودة بشأن تحسين الطاقة في الشبكة الذكية بشكل أفضل؛ فقد تم تصنيف الأعمال ذات الصلة إلى ثلاث فئات سيتم توضيحها بالترتيب.

التقنيات المركزية لتحسين وضع الاتصال لشبكة (Microgrid)

تم إجراء العديد من الدراسات البحثية لحل مشكلة تحسين الطاقة في الشبكات الذكية باستخدام تقنيات (microgrid-centric) في الوضع المتصل بالشبكة الكهربائية، على سبيل المثال اقترحت استراتيجية ثنائية المستوى لمعالجة قضايا تحسين الطاقة باستخدام برامج الاستجابة للطلب (DR) للشبكات الصغيرة في الوضع المتصل بالشبكة.

كما يحاكي إطار العمل هذا بنجاح سلوك المستخدمين وعدم رضاهم على مستوى التحسين الأولي لإنتاج برنامج (DR) الأمثل لكل عملية تحسين للطاقة لكل مستخدم، وفي المستوى الثاني يتم أخذ قيود الشبكة في الاعتبار لمنع انحرافات الجهد والتيار عن قيودها التنظيمية، كما تم اقتراح منهجية نظرية اللعبة لتحسين استخدام الطاقة لمحطات الطاقة من خلال جدولة الأحمال الفردية التي يتم التحكم فيها بالحرارة (TCLs).

تقنيات تحسين الطاقة في وضع الاتصال بالشبكة الكهربائية

تم إجراء الدراسات البحثية في الأدبيات المتعلقة بتقنيات تتمحور حول المستخدم لحل مشكلة تحسين الطاقة في الوضع المتصل بالشبكة، وعلى سبيل المثال هناك استراتيجية قائمة على إنترنت الأشياء في الشبكة الذكية لأداء تحسين الطاقة لغرض تلبية متطلبات الطاقة طويلة المدى للمستخدمين، كما يتم تكييف الذكاء الاصطناعي لزيادة فاعلية وموثوقية وسلامة السيارات الكهربائية في وضع الاتصال بالشبكة الكهربائية.

كما تم البحث في استخدام طريقة اتجاه بديلة للمضاعفات جنباً إلى جنب مع استراتيجية تحسين محدبة لتوزيع طاقة حمل الشبكة الذكية، بحيث تم تطوير البرمجة غير الخطية المختلطة (MINLP) للتغلب على عيوب الجدولة الذاتية، كذلك طرق التحسين التجريبية مثل الخوارزمية الجينية (GA) وخوارزمية تحسين مستعمرة النمل (ACO) وخوارزمية تحسين سرب الجسيمات (PSO) لمعالجة مشكلة إدارة الطاقة في وجود ذلك في توافر موارد توليد الطاقة الكهروضوئية و (BES).

التقنيات المركزية لتحسين الطاقة لوضع الجُزر في شبكة (Microgrid)

تم إجراء الدراسات البحثية الأدبية لحل مشكلة تحسين الطاقة باستخدام تقنيات (microgrid-centric) في وضع الجزيرة، على سبيل المثال هناك أسلوب إدارة فريد من نوعه للتكيف العصبي الغامض (NRFNA) لنظام الكهروضوئية مزدوج المرحلة، كما تم تطوير خوارزمية تحسين مستعمرة النمل الجيني (HGACO) لحل نموذج البرمجة لثلاثة سيناريوهات، وهي بدون نظام (PV)، مع نظام (PV) ونظام (PV / BES).

كما طورت الدراسة نموذجاً لتحسين الطاقة عن طريق الجمع بين الخوارزمية الجينية والمنطق الضبابي القائم على نظرية اللعبة، والغرض من ذلك هو زيادة الأرباح إلى الحد الأقصى من خلال التنبؤ بمتطلبات الطاقة المستقبلية، بحيث تم تطوير نموذج إدارة الطاقة على أساس البرمجة الخطية المختلطة (MILP) لتحسين تشغيل المباني الذكية لتحقيق ذروة الأحمال الكهربائية.

تقنيات تتمحور حول المستخدم لتحسين الطاقة في وضع Islanded

تم التحقيق في جزء كبير من الدراسات في مشكلة إدارة الطاقة باستخدام تقنيات تتمحور حول المستخدم في وضع الجزر، على سبيل المثال تم تطوير نظام إدارة طاقة بالشبكة المصغرة مدعوماً بـ (MILP) العشوائي استناداً إلى المدخلات من العمليات العشوائية التي تميز المعلمات غير المؤكدة، كذلك اقترحت الدراسة مخططاً منطقياً ضبابياً تكيفياً ومثالياً لبناء قواعد غامضة مناسبة قبل يوم واحد لحل مشكلات إدارة الطاقة وتوزيع الطاقة.

وهناك خوارزمية مستعمرة اصطناعية (ABC) لحساب وجدولة الحمل الكهربائي الفردي، بحيث تم تطوير حل أمثل للطاقة في الوقت الحقيقي للشبكات الصغيرة المنسقة للمركبات الكهربائية باستخدام تقنية التحسين العشوائي (Lyapunov)، بحيث تم تقديم تقنية التحكم التنبئي للنموذج غير الخطي (NMPC) لتنسيق تشغيل الشبكات الدقيقة متعددة العقد المرتبطة بقدرات تخزين الطاقة الكهربائية.

وفيما بعد تم تطوير نموذج هجين من أجل تحسين الطاقة في المركبات الكهربائية الهجينة (PHEV) المتسلسلة المتوازية في وضع الجزر، وباستخدام خوارزمية جينية قائمة على القواعد (GA)؛ تم تطوير إطار عمل إدارة الطاقة القائم على إنترنت الأشياء والحوسبة السحابية لتحسين الطاقة في وضع الجزيرة، بالإضافة الى خوارزمية إدارة الطاقة العشوائية التي تقلل من قيمة التكلفة الإجمالية وتحدد الحجم الأمثل للأجزاء المختلفة مثل البطارية والمُحَلِّل الكهربائي وخلية الوقود والتوربينات الدقيقة والوحدة الكهروضوئية و (WT).

وفي النهاية نظرت هذه الدراسة في إدارة الطاقة لمنزل ذكي مستدام مع حمل (HVAC) وشغل عشوائي، وبعد ذلك ودون توقع أي خصائص للنظام أو معرفة متطلبات طاقة (HVAC)؛ تم تقديم خوارزمية لإدارة الطاقة عبر الإنترنت للمشكلة المحددة بناءً على إطار عمل (LOT) الذي يساعد في تقليل التكلفة الإجمالية المقدرة بمتوسط الوقت وتكلفة الانزعاج الحراري.