دائرة الموازنة المطبقة في نظام تخزين الطاقة الكهربائية

تحليل دائرة الموازنة المطبقة في نظام تخزين الطاقة الكهربائية

تم استخدام مصادر الطاقة المتجددة (RE)، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وذلك لمواجهة المخاوف بشأن انبعاث الكربون من الوقود الأحفوري، ومع ذلك؛ فإن تذبذب وتقطع الطاقة المتجددة يجعل من الصعب ضمان نسبة أكبر لشبكة الطاقة، كما يعتبر نظام تخزين الطاقة (ESS) أفضل حل لدمج هذه الطاقات المتجددة في الشبكات المستقبلية.

كذلك يمكن أن يوفر (ESS) جودة الطاقة وخدمات إدارة الطاقة للشبكة الكهربائية، بحيث تشير خدمة جودة الطاقة إلى الشحن والتفريغ على نطاق زمني قصير ، وتشير خدمة إدارة الطاقة إلى الشحن والتفريغ على نطاق زمني طويل.

وفي الإنتاج الصناعي الفعلي؛ فإن هناك العديد من أشكال (ESS)، مثل تخزين طاقة البطارية وتخزين طاقة “الهواء المضغوط” وضخ المياه وتخزين القدرة “دولاب الموازنة الميكانيكية” والمكثفات الفائقة وما إلى ذلك، وذلك بالمقارنة مع الأشكال الأخرى من (ESS) ونظام تخزين طاقة البطارية ( BESS) لديه قدرة استجابة سريعة ودقيقة للطاقة الكهربائية، كما وأصبح التركيز على “تكنولوجيا تخزين الطاقة”.

لذلك تمتلك (BESS) مجموعة متنوعة من أنواع البطاريات الواعدة، مثل بطارية ليثيوم أيون (Li-ion) وبطارية حمض الرصاص وبطارية الصوديوم والكبريت وبطارية النيكل والهيدروجين وبطارية تدفق الأكسدة والاختزال (RFB، وبالمقارنة مع بطاريات الحالة الصلبة الأخرى؛ فإنها تتمتع (RFB) ببعض المزايا المحددة، مثل دورة الحياة الطويلة والتأثير البيئي المنخفض وتحمل الطاقة المتقلبة وتفريغ أو شحن المحمل بمعدل مرتفع والتصنيف المستقل للطاقة وعدم التفريغ الذاتي.

لذلك يوضح الشكل التالي (1) الهيكل الأساسي لجهاز (RFB)، وعادةً ما يحتوي (RFB) على مكدس كهربائي واحد وخزان إلكتروليت ومضختان دائريتان وبعض الملحقات الأخرى، بحيث تتكون المكدس الكهربائي من عدة خلايا كهروكيميائية، كما وتتكون كل خلية كهروكيميائية من خليتين نصفيتين، بحيث يتم توصيل كل نصف خلية بخزان الإلكتروليت الذي يحتوي على أيونات معدنية عبر خط الأنابيب.

كذلك يتم تخزين الإلكتروليتات الموجبة والسالبة في خزانين من الإلكتروليت، ويتم ضخها في غشاء التبادل الأيوني لتوليد قوة دافعة كهربائية على القطبين بسبب تفاعلات الأكسدة والاختزال، وذلك بمجرد ضخ السائل المنحل بالكهرباء عبر البطارية، لذلك سيحدث التحويل بين الطاقة الكهربائية والكيميائية على الفور عند الأقطاب الكهربائية بالإضافة إلى ذلك، كما أنه قد تكون الإلكتروليتات في الخزانين متماثلة أو مختلفة، وكل ذلك اعتماداً على طرق فنية مختلفة.

التكوين والتشغيل الخاص بنظام تخزين الطاقة الكهربائية

تكوين الدائرة: يوضح الشكل التالي (2) هو الرسم التخطيطي لدائرة موازنة نشطة معيارية (RFB) مطبقة على نظام تخزين الطاقة، وهو يشتمل على نظام تخزين طاقة (RFB) ودائرة موازنة نشطة معيارية، كما يتم توصيل (RFB) بالشبكة من خلال نظام تحويل الطاقة (PCS)، كما تدرك دائرة الموازنة المعيارية النشطة موازنة (SOC) لـ (RFB).

لذلك تتكون دائرة الموازنة النشطة من وحدات فرعية [N (SMs)] ومحول (DC-DC) واحد، كما أنه يتم تتالي جميع (SMs) في سلسلة لتوفير طاقة (DC) لمحول (DC-DC)، كما ويحتوي كل (SM) على ثلاثة صمامات ثنائية وثلاثة (MOSFET) ومكثف واحد، بحيث يقوم المحول (DC-DC) بتشغيل المضخات الدورانية لتدفق الأكسدة والاختزال (b).

بالنسبة للدائرة، يتم توصيل الوحدات الفرعية المعيارية بالتوازي مع كل مجموعة من (RFB)، كما ويتم توصيل جميع الوحدات الفرعية في سلسلة لتزويد الطاقة إلى المضخة الدورانية، وذلك عندما يتم تفريغ (RFB)، إذا كانت (SOC) لواحد أو عدة مكدسات أعلى من المداخن الأخرى.

كما يوضح الشكل التالي (3) حالتين ممكنتين للعمل في (SM)، بحيث تقوم الدوائر (MOSFET) بتبديل حالات العمل الخاصة بـ (SM)، كما يستخدم المكثف لامتصاص الطاقة من البطارية وتحرير الطاقة الكهربائية إلى (DC-DC)، بحيث تتحكم الثنائيات في اتجاه التيار في الدائرة لمنع التيار العكسي غير الضروري وضمان التشغيل الطبيعي للدائرة.

عند تشغيل (T1 ، T3) وإيقاف تشغيل (T2) (حالة الشحن)؛ فإنه يمتص المكثف الطاقة من البطارية، و عندما يتم إيقاف تشغيل (T1 ، T3)، كما ويتم تشغيل (T2) (حالة عدم الشحن)، بحيث يطلق المكثف الطاقة إلى محول (DC-DC) لتشغيل المضخات الدورانية. من خلال التحكم في مدة التشغيل والإيقاف، كما يمكن ضبط الطاقة الممتصة من مجموعة البطاريات، لذلك يمكن موازنة (SOCs) للبطارية بين مجموعات مختلفة.

مبدأ التشغيل: كما هو مذكور في القسم السابق، تعمل الوحدة الفرعية في حالتين للتبديل، وهما حالة الشحن وحالة التفريغ، والتي تم سردها بالتفصيل في الجدول التالي.

كما يتضح من الجدول السابق؛ فإنه يتم تحديد جهد الخرج لـ (SM)، وذلك من خلال حالة عملها لحالة الشحن، بحيث يتم شحن مكثف (SM) من البطارية والجهد الناتج من (SM) هو صفر لحالة التفريغ، كما أنه يقوم المكثف بتزويد الحمل والجهد الناتج من (SM) يساوي جهد المكثف، كما تعمل دائرة التوازن بدلاً من ذلك على تكوين (SMs) في حالة الشحن لامتصاص الطاقة من أكوام البطارية، ثم في حالة التفريغ لإطلاق الطاقة إلى محول (DC-DC) لتشغيل المضخة الدورانية.

كما يوضح الشكل التالي (4) أشكال موجة التشغيل لدائرة الموازنة المقترحة ودورة التحكم هي (Tcyc).

أثناء [0 ، ton]، (Sk = 0)، يتم تشغيل (MOSFET T1 ، T3)، كما ويتم إيقاف تشغيل (T2)، بحيث يتم إجراء الثنائيات (D1 و D2  و D3) منحازاً عكسياً لمنع جهد البطارية، وبالتالي يتم توصيل المكثف بمجموعة البطاريات لامتصاص الطاقة من حزمة البطارية، كما ويوفر (T3) قناة حرة لعجلة (SMs) الأخرى، أي أن كومة البطارية معزولة عن محول (DC-DC) بواسطة الصمام الثنائي (D3).

وخلال هذه الفترة؛ فإنه يتم تشغيل (MOSFET- T1) وشحن المكثف (C)، بحيث يأتي تيار (MOSFET iT1) من تيار البطارية (iBATT) وهو يساوي تيار المكثف (iC)، لذلك ينخفض (iT1) بشكل كبير ويزداد جهد المكثف (uC) بشكل كبير، وفي الوقت نفسه؛ فإن (iT2) الحالي لـ (MOSFET) هو صفر لأنه تم إيقاف تشغيل (T2-MOSFET) الحالي (iT3) سلبي بسبب التحرك الحر.

وفي المقابل وأثناء [Ton ، Tcyc]؛ فإنه يتم إيقاف تشغيل (Sk = 1) ،و (T1 ، T3)، كما ويتم تشغيل (T2) يتم إجراء الصمام الثنائي (D3) ويكون (D2) متحيزاً عكسياً لمنع جهد البطارية، وبالتالي يطلق المكثف الطاقة إلى محول (DC-DC)، وذلك لتشغيل المضخة المتداولة، كما ويتم عزل كومة البطارية عن محول (DC-DC) بواسطة الثنائيات.

وخلال هذه الفترة يتم تشغيل (MOSFET-T2) ويقوم بتزويد محول (DC-DC)، بحيث يأتي تيار (MOSFET iT2) من المكثف الحالي (iC) ويساوي تيار (DC-DC) الحالي (iDC − DC)، لذلك يتناقص جهد المكثف (uC) مع وقت التفريغ، وفي الوقت نفسه؛ فإن كلا من (iT1 ،iT3) الحاليين من (MOSFET) كلاهما صفر بسبب إيقاف تشغيل (T1 ، T3).

لذلك من السهل معرفة أن تيار الإدخال للوحدة الفرعية (iBATT) متقطع بسبب إجراء التحويل، لكن تيار الخرج (iDC-DC) لا يزال مستمراً لأنه يتأثر بتأثير التحرك الحر. بالإضافة إلى ذلك، بحيث يتم دائماً عزل البطارية ومحول (DC-DC) بواسطة الثنائيات، وبمعنى آخر تتبادل البطارية ومحول (DC-DC) الطاقة فقط من خلال الوصول التشاركي للوقت للمكثف.