ذروة الأحمال الكهربائية التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية

تقدم هذه الدراسة خوارزمية قائمة على إطار عمل الجدولة لتقليل أحمال الذروة في فريق من المباني الذكية المتعاونة (TCM) التي تعمل بالطاقة، والتي تستفيد من مفهوم السيارة إلى المبنى (V2B) والمرونة التشغيلية للمركبات الكهربائية (EVs)، بحيث تتضمن كل الشبكات الميكروية الكهروضوئية الأحمال والقياس المتقدم والبنية التحتية للاتصالات.

تحليل ذروة الأحمال الكهربائية التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية

خضعت أنظمة الطاقة لتغيير جذري في العقود الأخيرة، بحيث تواجه شبكات الطاقة الحديثة العديد من أوجه عدم اليقين، والتي ترتبط بشكل أساسي بالاختراق العالي للطاقات المتجددة والسيارات الكهربائية؛ فضلاً عن دمج المولدات الكهربائية الموزعة، بحيث يمكن اعتبار أن للشبكات الذكية دور حاسم في تحسين أمن وموثوقية الإمداد وتعزيز لامركزية الإنتاج والسماح بإدخال البنية التحتية للقياس والاتصالات المتقدمة وتقنيات الطاقة الصافية.

وفي نموذج الشبكات الذكية؛ تتحول المباني إلى فاعل نشط في شبكة الطاقة، بحيث يمكن اعتبار المباني الذكية بمثابة شبكات طاقة صغيرة تدمج تقنيات تخزين الطاقة والمولدات المتجددة الموزعة والأحمال ووحدات التحكم والبنية التحتية للقياس والاتصالات.

كما أن الهدف الرئيسي هو تزويد العملاء بالأدوات الفنية اللازمة التي تسمح لهم بالتصرف تلقائياً بناءً على طلبهم والمشاركة بنشاط في إدارة استهلاكهم، وفي الواقع حظي تجميع المركبات الكهربائية في المباني باهتمام كبير وبُذلت جهود كبيرة لتسهيل تغلغلها في الشبكة الذكية، وقد أدت هذه التوسعات إلى ظهور مفاهيم متقدمة للمركبة إلى الشبكة (V2G) والمركبة إلى المبنى (V2B).

تحقيق التكامل في الأحمال الكهربائية للمباني السكنية

تم تكريس جهود كبيرة في الدراسات للتحقيق في تكامل المركبات الكهربائية في المباني وتطوير أنظمة إدارة الطاقة للشبكات الصغيرة، كما تمت مناقشة شحن العديد من المركبات الكهربائية الهجينة الموصولة بالكهرباء في المبنى، بالإضافة إلى ذلك قام الباحثون بفحص العديد من استراتيجيات الشحن، كما تم تقديم إطار عمل جدولة لنظام إدارة الطاقة القائم على إمداد الحمل الكهربائي.

كما تم تثبيت استراتيجيات شحن المركبات الكهربائية الهجينة في بناء الشبكات الصغيرة، كما وتم اقتراح تصميم نظام ذكي لإدارة الطاقة في المنزل يحسب كل من الأحمال وإنتاج الطاقة، وذلك على أمل حل مشكلة جدولة الحمل للمركبات الكهربائية باستخدام تحلل (Dantzig-Wolfe)، كذلك تم الوصول الى مستهلكي نظام إدارة الطاقة للمباني السكنية.

أيضاً يتم استخدام نهج الآلية القائمة على الحوافز، وذلك لإثارة راحة الساكنين في المبنى، كما تم التحقيق في إدارة الطاقة المتكاملة لمجموعة نقل الحركة وتنسيق المركبات للمركبات الكهربائية الهجينة المتعددة المتصلة، بحيث تم تحسين تشغيل العديد من المباني باستخدام إطار عمل برمجة غير خطي ذو عدد صحيح ومختلط لإدارة طاقة المبنى للمستخدمين المجمعين.

أنظمة التوصية الخاصة بتنظيم ذروة الأحمال الكهربائية السكنية

تم اقتراح مخطط إدارة رسوم المعاملات في الوقت الحقيقي للمعاملات، كما تم وضع مخطط إدارة ذكية للطاقة في المباني تستند إلى نظام توصية منطقي جديد قائم على الحالة، بحيث يتم تقديم إدارة الطاقة الحرارية السكنية في الوقت الحقيقي المثلى لتحويل ذروة الحمل، كذلك التحسين المشترك للمركبات الكهربائية والبطاريات في اليوم التالي.

أيضاً تم التحقق تحقق من ذروة الحمل في مبنى ذكي مستقل على سبيل التجربة، كما تم تطوير مخطط تحكم تنبؤي لأحمال الطاقة الحرارية في شبكة مكاملة للمباني، حيث  استخدم الخبراء نموذجاً إنتاجياً للتحقيق في عمليات تبادل تدفق الطاقة في شبكة من الشبكات الصغيرة، بحيث يأخذ إطار العمل في الاعتبار بيانات تسعير الطاقة وإنتاج الطاقة وكذلك تنبؤات الطلب على الطاقة.

كذلك يتم اختبار نهج التحكم عبر عمليات محاكاة مكثفة لإثبات أدائه، بحيث تم تصميم وحدة تحكم مركزية، وللتحكم الأمثل في تشغيل الشبكات الصغيرة المترابطة، كما تمت صياغة النهج المقترح كمشكلة خطية تربيعية تسمى (Gaussian – LQG) وهي بمثابة نهج التحكم الموزع القائم على إطار عمل النمذجة لفريق من الشبكات الصغيرة المتصلة.

المباني الذكية والنمذجة الصغيرة المتكاملة

الهندسة المعمارية لـ (Microgrid)

في هذه الدراسة؛ فإنه من المفترض أن تتكون كل شبكة ميكروية من ألواح شمسية على السطح ونظام تخزين الطاقة وأحمال المركبات الكهربائية وبنية تحتية متطورة للقياس والاتصال كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كما ترتبط الشبكات الصغيرة فيما بينها مما يسمح بتبادل طاقة منسق بهدف توفير خفض أو التقليل من الذروة في فترات الذروة وتلبية أحمال طاقة المركبات الكهربائية، وعلاوة على ذلك من المفترض أن يتم اعتبار كل شبكة ميكروية كنظام جرد، حيث يكون إنتاج الطاقة المتجددة المحلية وقوة الحمل القصوى من العمليات العشوائية.

كما أنه من المفترض أن أحمال الطاقة الكهربائية للشبكات الصغيرة التي تعمل بالطاقة في المباني يجب أن تكون راضية تماماً عن المرافق الكهربائية، بحيث يتميز كل مخزون بتقنية معينة تنفذ نظام تخزين الطاقة الذي قد يحسن الاستقرار وجودة الطاقة وموثوقية الإمداد.

المولد الكهروضوئي للـ (Microgrid)

يمكن تحديد نقطة التشغيل المثلى الحالية (Ipv) والجهد الكهربائي (Vpv)، والتي تزيد من إنتاج الطاقة إلى أقصى حد في كل لحظة لكل شبكة ميكروية على النحو التالي:

حيث أن:

حيث أن:

(Isc ، ref ، Imp ، ref): هي على التوالي دائرة قصر الوحدة وتيارات الطاقة القصوى.

(Vmp ، ref ، Voc ref): هي على التوالي الحد الأقصى للطاقة وجهد الدائرة المفتوحة للوحدة.

(Gin ، m ،Gst): هي على التوالي الإشعاع الشمسي وشدة الضوء القياسية.

نموذج فريق (Microgrids)

في التصميم المقترح، يمكن اعتبار فريق المباني الذكية المتعاونة التي تعمل بالطاقة (TCM) بمثابة شبكة طاقة صغيرة تتميز بهندسة معمارية وطوبولوجيا محددة مسبقاً تحدد الترابط بين الشبكات الصغيرة، بحيث يتضمن كل ارتباط طاقة يربط شبكتين صغيرتين عامل ارتباط طاقة (PLA).

كما يتم تعريف البنية التقليدية على أنها رسم بياني متصل موجه (G = {M ، L})، حيث (M = {1 ، .. M}) هي مجموعة الرأس التي تحدد الشبكات الصغيرة، كذلك (L = {1، .. L}) هو عدد وصلات الطاقة التي تربط الشبكات الصغيرة وتصف طوبولوجيا البنية التقليدية.

وعلاوة على ذلك؛ فإنه من المفترض أن يتم اعتبار روابط الطاقة هذه روابط بيانات، بالإضافة إلى توصيل كل شبكة ميكروية بأخرى، وعلاوة على ذلك يتم تعريف المركبات الكهربائية المتوفرة في (TCM) بواسطة (SOCevm ، n)، حيث (m∋ [1، .. M])، كما تمثل عدد الشبكة الصغيرة و (n∋ [1، .. Nev، m])، بحيث تمثل عدد المركبات الكهربائية، كذلك تم تصميم نموذج البنية التقليدية وفقاً لميزان الطاقة التالية:

وأخيراً بحثت هذه الدراسة في مشكلة التحكم في الجدولة لمبادلات الطاقة في الشبكات الصغيرة المتعاونة، بحيث قدم الإطار الذي تم تطويره منهجاً للتحكم في الجدولة المقيدة يركز على نهج قرار الفريق التعاوني لتقليل أحمال الذروة في (TCM).

كما أن الهدف هو تقليل أو إزالة أحمال الذروة في شبكة تعاونية من المباني الذكية التي تعمل بالطاقة الصغيرة والشبكات مع مراعاة مزايا مفهوم (V2B) والمرونة التشغيلية للمركبات الكهربائية، بحيث تمت صياغة إطار التحكم للتحكم على النحو الأمثل في تشغيل (TCM) وتدفقات الطاقة، حيث يكون الهدف هو تقديم خدمات عالية الجودة من حيث تخفيضات أحمال الذروة الكهربائية.