تدفق الطاقة الكهربائية بمساعدة البديل لشبكة التوزيع

تمثل أوجه عدم اليقين المتعلقة بتوليد الخلايا الكهروضوئية والطلب على شحن المركبات الكهربائية وحمل الأجهزة المنزلية التحدي الرئيسي لتخطيط إدارة الطاقة في المناطق السكنية، كما يعد التخصيص الأمثل لأنظمة تخزين طاقة البطارية لشبكات التوزيع بناءً على تدفق الطاقة الاحتمالي (PPF) حلاً فعالاً للتعامل مع حالات عدم اليقين هذه.

تحليل تدفق الطاقة الكهربائية بمساعدة البديل لشبكة التوزيع

تغير المناخ ومشاكل “الاحتباس الحراري” التي تلحق الضرر بالعالم الذي نعيش فيه، ولإنقاذ البيئة؛ فإنه يجب تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من ثاني أكسيد الكربون، كما تتمثل إحدى الطرق الواقعية لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في زيادة توليد الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة (RES)، وفي الوقت الحاضر تنخفض تكاليف تركيب أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية باستمرار، كما وستكون أسعار الكهرباء من الطاقة الشمسية الكهروضوئية معقولة قريباً للاستخدام السكني.

إلى جانب ذلك أصبحت السيارة الكهربائية (EV) هي النموذج الجديد للنقل لتقليل انبعاثات الكربون، لذلك تروج العديد من الحكومات لاستخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والمركبات الكهربائية، كما يمكن أن تؤثر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتزايدة على شبكات الطاقة؛ خاصة على شبكات توزيع الجهد المنخفض، كما وتشمل هذه الآثار السلبية قضايا جودة الطاقة، مثل تذبذب الطاقة بسبب تباين الإشعاع الشمسي وظروف الجهد الزائد عندما يتجاوز توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطلب.

كذلك درس العديد من الباحثين طرق التخفيف من الآثار السلبية لتكامل (RES) في الشبكة الكهربائية، بحيث تم اقتراح استخدام نظام تخزين الطاقة (ESS) لأن تقنيته وسعره سيكونان مناسبين لتطبيقات المرافق والتطبيقات السكنية في المستقبل القريب، كذلك تم اقتراح الاستخدام الأمثل لـ (ESS) لتسوية منحنى طلب الطاقة الكهربائية.

تأثير التوليد الكهربائي وفقاً لاختلاف البيئة المعززة

يختلف توليد الطاقة بواسطة (RES) باختلاف البيئة، على سبيل المثال تختلف طاقة الخرج الكهروضوئية الشمسية باختلاف الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة بينما يعتمد خرج طاقة توربينات الرياح (WT) على سرعة الرياح، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح ودرجة الحرارة المحيطة غير مؤكدة إلى حد كبير بسبب الموقع الجغرافي وفصول السنة وكذلك حالة الغلاف الجوي والمناخ في ذلك الوقت.

كما أن هناك أوراق حول دراسة (POPF) في بيئات غير مؤكدة، على سبيل المثال تم تقديم حجم البطارية الأمثل الاحتمالي والتشغيل في نظام الطاقة، وذلك من خلال التخصيص الأمثل لتخزين الطاقة للتخفيف من عدم التوازن في شبكة التوزيع باستخدام تحويل “روزنبلات” لتحديد عامل عدم توازن الجهد الاحتمالي، كما أن الطريقة الاحتمالية هي الأداة المناسبة لحساب تدفق الطاقة من وجهة نظر الشكوك.

دراسة تدفق الطاقة الكهربائي المحتمل لمختلف الأحمال

في هذا القسم، تم وصف النماذج العشوائية للحمل السكني وتوليد الطاقة الكهروضوئية وطلب شحن المركبات الكهربائية في شبكة التوزيع في القسم الفرعي الأول، وبعد ذلك يتم شرح طريقة تحليل تدفق الطاقة الاحتمالية التنافسية؛ أي طريقة تقدير النقاط (PEM)، وذلك جنباً إلى جنب مع “تحويل ناتاف” في القسم الفرعي التالي.

• نمذجة عدم الموثوقية: تتمثل أهم خطوة في تقييم (PPF) في صياغة نموذج مناسب لأوجه عدم اليقين في نظام الطاقة، وفي هذا العمل؛ فإن المصدر المتجدد المأخوذ في الاعتبار هو الطاقة الشمسية الكهروضوئية فقط، لذلك يتم النظر فقط في الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة في نموذج عدم اليقين المقدم من الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

وفي نموذج عدم اليقين المتعلق بالطلب على الطاقة؛ تم الأخذ في الاعتبار متغيرين من المتغيرات بما في ذلك الحمل الكهربائي الأساسي التقليدي وطلب شحن المركبات الكهربائية، وعادةً ما تعتمد الخاصية غير المؤكدة لهذه المتغيرات وفقاً لأوقات اليوم وفصول السنة ومعدل سعر الطاقة.

• الجمع بين (PEM) وتحويل (NATAF): تعتبر (PEM) هي طريقة تحليل (PPF) الفعالة عند النظر في التوازن بين الدقة وعبء الحساب، لذلك تختار هذه الدراسة (PEM) لتقليل وقت الحساب لتقييم (PPF)، بينما لا تزال تحافظ على المستوى المناسب من الدقة، أيضاً تم تقديم العديد من الدراسات وتحليل (PPF) باستخدام (Zhao’s PEM) بشكل أكثر دقة من (Hong’s PEM).

صياغة المشاكل وتقديم القيود الخاصة بعملية تدفق الطاقة الكهربائية

في هذا الطرح، تم اقتراح تخصيص (BESS) الأمثل لـ (POPF) في شبكة التوزيع الكهربائية، وذلك باستخدام (PVs ،EVs)، كذلك يتم تحديد متغير القرار لـ (BESS) المحسن بناءً على تحليل (PPF) الخاضع لقيود التحسين.

الوظائف الموضوعية

تتكون الوظائف الموضوعية لـ (OPF) الاحتمالي متعدد الأهداف من التكلفة الاقتصادية وتقادم المحولات الكهربائية وحتى انبعاثات الكربون، كذلك يتم وصف صيغ ثلاث وظائف موضوعية على النحو التالي:

• التكلفة الاقتصادية، بحيث تتم صياغة التكلفة الاقتصادية كتكلفة سنوية تشمل تكلفة الكهرباء وتكلفة نشر (BESS)، كما يتم احتساب تكلفة الكهرباء لمدة (3) مواسم في السنة تتكون من الشتاء والصيف والممطر.

• خسارة المحولات، بحيث يتم أخذ فقدان المحولات كهدف تقني في هذه الدراسة، ووفقًا لمعيار (IEEE C57.91 [51])؛ فإنه يتم تقدير تقادم المحولات في الغالب من عمر العزل الكهربائي الخاص بالمحولات الكهربائية نفسها.

• الانبعاثات الكربونية، تحديداُ في هذه الدراسة؛ تمت صياغة انبعاثات الكربون كدالة للطاقة الاحتمالية المستوردة من الشبكة الرئيسية بمتوسط معدل انبعاث الكربون (Ccemis) في أي ساعة، كما يتم احتساب الانبعاث لمدة عام.

القيود الخاصة بتدفق الطاقة

يجب تحسين جميع الوظائف الموضوعية المذكورة أعلاه وفقاً للقيود التالية:

• معادلة ميزان القدرة الكهربائية، بحيث يُشار إلى قيود معادلات توازن الطاقة النشطة والمتفاعلة في نظام الطاقة الكهربائية بشكل عام.

• قيود البطارية، ولإطالة العمر الافتراضي للبطارية؛ فإنه يجب موازنة طاقة الشحن والتفريغ اليومية ويجب ألا تتجاوز حالة الشحن (SoC) مستوى الحد.

• القيود الأمنية، وخاصة فيما يتعلق بالمؤشر العشوائي في طريقة تدفق الطاقة؛ فإنه يجب الحفاظ على استقرار تشغيل شبكة التوزيع بثقة عالية، وهذا يعني أن المتغيرات غير المؤكدة مثل جهد الناقل والطاقة الفرعية وخط التيار الكهربائي ودرجة حرارة النقطة الأكثر سخونة لملف المحول الكهربائي.

قيود واستراتيجية التخصيص الأمثل للبطارية

في هذا القسم؛ فإنه يتم وصف الاستراتيجية المثلى المقترحة لنشر (BESS) لتحقيق الأهداف المذكورة أعلاه، أولاً يتم تحديد موقع البطارية لتقليل فقد طاقة الشبكة، وبعد ذلك يتم تحديد أنماط توزيع الطاقة اليومية لـ (BESS)، وأخيراً؛ فإنه يتم الحصول على حجم (BESS) من نقطة التشغيل القصوى.

وفي النهاية تم اقتراح طريقة (OPF) الاحتمالية متعددة الأغراض الجديدة بمساعدة البديل لشبكة التوزيع، وذلك مع الأخذ في الاعتبار العديد من المصادر غير المؤكدة بما في ذلك الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة والحمل الأساسي السكني والطلب على الطاقة الكهربائية لشحن المركبات الكهربائية في هذه الدراسة.

أيضاً يتم تقييم احتمال شحن المركبات الكهربائية في الشبكة السكنية المتأثرة بمعدل (TOU) للكهرباء بناءً على طريقة (MCS)، بحيث يستخدم (Zhao’s PEM) لإجراء حساب تدفق الطاقة الاحتمالي أثناء استخدام تحويل (Nataf)، وذلك للتعامل مع ارتباط متغيرات الإدخال العشوائية، كذلك تم اعتماد (BESS) للقيام بـ (POPF) في نظام التوزيع باستخدام الخلايا الشمسية الكهروضوئية والمركبات الكهربائية.