تحسين توليد الطاقة الكهربائية باستخدام البرمجة الخطية

في العديد من دول العالم وخاصة باكستان تعد الطاقة الكهرومائية أحد المصادر الموثوقة للكهرباء بسعة (8713) ميجاوات، والتي تمثل (29 ٪) من إجمالي مزيج الطاقة، ومن ثم تعتبر هذه القدرة الهائلة المنصة الأولى والأهم لموارد الطاقة الكهرومائية، بحيث سيكون لتحسينها وتخطيط الإرسال أهمية كبيرة في المستقبل.

أهمية تحسين توليد الطاقة الكهربائية باستخدام البرمجة الخطية

تعد الكهرباء من الاحتياجات الأساسية لحياة اليوم في كل مجالات الحياة تقريباً، كما يتم تداولها بنفس طريقة تداول السلع الأخرى في سوق الطاقة المحرر، كذلك التحدي الكبير في بيع الكهرباء كسلعة هو موثوقيتها، حيث أن أي انقطاع في الإمداد سيكون له تأثير كبير على المناطق السكنية البسيطة حتى الأحمال الصناعية والحضرية الكبيرة.

أيضاً أحد أسبابه الرئيسية هو عدم اليقين في إمدادات الطاقة المدخلة لمحطات التوليد أو الزيادة غير المتوقعة في الطلب، وبالنسبة لأنظمة الطاقة الكهربائية مثل أنظمة الطاقة الكهرومائية؛ فإن التباين في طاقة الإدخال يرجع أساساً إلى عدم اليقين بشأن رؤوس المياه المتاحة في مشروع السدد بسبب تغير تصريف المياه في مشاريع (ROR).

كما يجب التخفيف من هذه المتغيرات والشكوك في الإمدادات قبل دمج النظام في الشبكة الوطنية، خلاف ذلك يمكن أن يؤدي عدم التوازن الناتج بين التوليد والطلب إلى مشاكل موثوقية خطيرة، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل النظام بالكامل أو انقطاع التيار الكهربائي، بحيث يتطلب ذلك تخطيط نقل وتوزيع فعال لموازنة التقلبات والتغيرات في إنتاج محطات الطاقة الكهرومائية في الوقت الفعلي.

كذلك يتم استخدام الطاقة الحركية لتدفق المياه في محطات “الطاقة الكهرومائية” لإنتاج القدرة الكهربائية، وباستخدام مجموعة مولدات التوربينات؛ بحيث توجد محطات الطاقة الكهرومائية (HPP) على شكل مشاريع (ROR)، والتي تولد الكهرباء عن طريق سحب المياه على الفور من الأنهار وتزويدها بمجموعة “المولدات التوربينية” وأيضاً على شكل مشاريع سد تخزين المياه وتولد الكهرباء من خلال توفير المياه المخزنة لمجموعة المولدات التوربينية.

مساهمة أنظمة الطاقة المتكاملة في تحسين عملية التوليد الكهربائي

تم اقتراح أنظمة الطاقة المتكاملة (IPS) كحل لقضايا سعة تخزين المياه، كذلك (IPS) هو نظام معقد للغاية للتحليل، وفي (IPS، بحيث يتم تجميع محطات التوليد وخطوط النقل وخطوط التوزيع والمحطات الفرعية ومواقع الطلب كمكون واحد، وبناءً على قدرة هذه المكونات وظروف الطقس والموقع؛ تختلف خصائصها التشغيلية أيضاً على سبيل المثال من خلال تغيير قُطر الموصل وطول خطوط النقل وتتنوع خسائر الطاقة فيه.

لذلك ستواجه خطوط النقل الطويلة والموصلات الرقيقة مزيداً من فقد الطاقة مقارنةً بخط النقل القصير ذي الموصلات السميكة، بحيث يلعب مشغلو أنظمة الطاقة (PSO) والمرافق الكهربائية دوراً رئيسياً في أنظمة الطاقة المتكاملة، كما تعتبر مراقبة أنظمة الطاقة والتحكم فيها وتوفير الكهرباء الموثوقة وغير المنقطعة من مسؤوليات عمليات دعم السلام، ومع زيادة مكونات نظام الطاقة؛ يزداد تعقيده لذلك يصبح من الصعب مراقبة (PSO) والتحكم فيه.

تحليل نطاق الطاقة الهيدروكهربائية وتحليل مبدأ التوليد

تعتبر الطاقة المائية هي معدل استخلاص الطاقة الهيدروليكية من تدفق المياه نتيجة موقعها أو سرعتها أو كليهما، بحيث تُستخدم محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة الحجم في الغالب للتطبيقات الميكانيكية وكذلك لتوليد الطاقة الكهربائية، في حين أن محطات الطاقة الكهرومائية واسعة النطاق المعروفة أيضاً باسم محطات الطاقة الكهرومائية، كما تُستخدم عادةً لتوليد الطاقة فقط.

كذلك يوضح الشكل التالي (1) الطاقة الكهرومائية النموذجية، كما ويعتبر توليد الطاقة الكهرومائية من أكثر الطاقة الاقتصادية من حيث التكلفة لكل كيلووات ساعة ولتوليد الطاقة الكهرومائية جيدة من حيث التخطيط والتشغيل، كما تتراوح التكلفة المعيارية لتوليد الكهرباء من (0.02 US / kwhto0.19US / kwh)، لهذا السبب؛ فإن الطاقة الكهرومائية هي الخيار الأول للاستثمار من قبل شركات مرافق الطاقة كمزود حمولة أساسية.

ومن ثم؛ فإن قضايا موثوقية الكهرباء لها تأثير كبير على اقتصاد الدولة مما قد يؤدي إلى حالات الإفلاس، وفي هذا الطرح تعد محطات الطاقة الكهرومائية المصدر الأكثر موثوقية للكهرباء لأنها قادرة على الاستجابة بسرعة لأي تقلبات في الطلب على الطاقة الكهربائية مقارنة بمصادر الطاقة الكهربائية الأخرى، كما تعد محطات الطاقة الكهرومائية المصدر الأكثر كفاءة للكهرباء لأنها تغطي الطاقة الميكانيكية من التوربينات مباشرة إلى الطاقة الكهربائية.، بحيث تقترب كفاءة (HPP) في الغالب من (85٪).

دور محطات توليد الطاقة الكهرومائية في تعزيز عملية التوليد

يتم تحويل الطاقة المائية الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال مبدأ “قانون فارداي” للحث الكهرومغناطيسي. في مشروع (ROR)، بحيث يتم استخدام الطاقة الحركية للمياه، بينما في محطات طاقة التخزين، كما يتم تحويل الطاقة الكامنة للمياه المخزنة أولاً إلى طاقة حركية عن طريق أداة (Penstock) ويتم تطبيقها على التوربين الميكانيكي المربوط بعمود المولد الكهربائي الذي ينتج الطاقة الكهربائية ذات الصلة طاقة، بحيث يتم الحصول على كمية الطاقة الكهربائية المنتجة في محطات الطاقة الكهرومائية من خلال:

حيث أن:

(ρ): توسيع الاختصار.

(g): كثافة الماء (كجم / م³).

(η): تسارع الجاذبية (م² / ثانية).

(Q): الكفاءة الاجمالية.

(h): معدل تصريف المياه (م³ / ثانية).

كما أن محطات الطاقة المائية المختلفة (HPPs) مترابطة لتشكيل نظام طاقة متكامل (IPS)، بحيث يوضح الشكل التالي (2) نظام طاقة متكامل نموذجي. يتم توليد الطاقة في (IPS) من مصادر طاقة مختلفة على حد سواء متجددة (الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وما إلى ذلك) وغير المتجددة (الوقود الأحفوري وما إلى ذلك) وتنتقل إلى أنواع مختلفة من الأحمال الكهربائية (صناعي، تجاري، سكني)، كما يرتبط مستخدمو الطاقة هؤلاء بالمولدات من خلال خطوط النقل وخطوط التوزيع والمحطات الفرعية.

كما تميل محطات الطاقة الكهرومائية (HEP) إلى الاستجابة بسرعة كبيرة لتغيير الحمل مقارنة بمحطات الطاقة الأخرى، لذلك؛ فإن هذه الخاصية (معدل الانحدار العالي) لمحطات الطاقة الكهرومائية تمكن مشغلي نظام الطاقة (PSO) من توفير التحكم في التردد وقوة الذروة بسرعة إلى الشبكة عن طريق الإرسال من المولدات الكهرومائية، وعلاوة على ذلك؛ فإن الطاقة الكهرومائية صديقة للبيئة وأرخص مصدر للطاقة، بحيث يمكن إرسال مولدات محطة الطاقة الكهرومائية النهرية (ROR HEP) بسرعة لتوليد الطاقة الكهربائية.

في النهاية تم تطوير نموذج التحسين الرياضي القائم على الحلول لأول مرة لنظام الطاقة الكهرومائية، أي لكل من محطات التخزين و (ROR) لنفس السعة، كما تكون محطات تخزين الطاقة الكهرومائية أكثر تكلفة من محطة الطاقة الكهرومائية (ROR)، ونظراً لقناة تحويل المياه البسيطة؛ تعد محطات توليد الطاقة (ROR) أكثر صداقة للبيئة مقارنة بمحطات التخزين.

ومع ذلك؛ فإن مشاريع (ROR) أقل موثوقية من مشاريع طاقة التخزين بسبب التباين في طاقة الخرج، بحيث سيكون نموذج التحسين الرياضي الذي يمكن أن يتنبأ على النحو الأمثل بخطة توليد الطاقة مفيداً لمشغلي نظام الطاقة لجدولة محطات الطاقة على النحو الأمثل، أيضاً توفر الصيغة العددية للمشكلة حلاً من شأنه زيادة إجمالي الربح إلى الحد الأقصى من خلال ضمان إرسال توليد الطاقة الأمثل طوال الوقت.