محركات الاحتراق كمصدر جديد لتعزيز مرونة التوزيع الكهربائي

يعد تعزيز مرونة نظام التوزيع تحدياً جديداً للمهندسين الكهربائيين، كما يعد توريد أحمال التوزيع وخاصة العملاء المقيمين والأحمال ذات الأولوية العالية بعد الكوارث؛ أمراً حيوياًً لهذا الغرض، في هذه الدراسة تم تقديم مركبات محرك الاحتراق الداخلي (ICE) أولاً كمصادر طاقة احتياطية قيمة في أعقاب الكوارث.

تعزيز دور محركات الاحتراق الداخلي لتعزيز مرونة شبكة التوزيع الكهربائية

بسبب التغيرات المناخية الأخيرة؛ أصبحت الكوارث الحتمية أكثر تواتراً وشدة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في شدة وتواتر انقطاع التيار الكهربائي، بحيث حفزت التجارب من الحالات الأخيرة لانقطاع التيار الكهربائي في العالم مثل إعصار ساندي الذي أدى إلى انقطاع التيار الكهربائي عن (7.5) مليون عميل في جميع أنحاء واشنطن و (15) ولاية إلى إدخال مفهوم المرونة لاستكمال مشكلات نظام الطاقة الأخرى مثل الموثوقية والمخاطر والأمان والاستقرار في دراسة الحوادث عالية التأثير منخفضة الاحتمالية (HILP).

ونتيجة للكوارث مثل الزلازل والأعاصير والفيضانات والعواصف الثلجية وغيرها من الظواهر المتطرفة؛ فإن العدد المتزايد من الانقطاعات زاد من أهمية المرونة احتمالية أن يتسبب الطقس القاسي في حدوث انقطاع التيار الكهربائي في مجموعة متنوعة من الكوارث الطبيعية، كما أن (87٪) من حالات انقطاع التيار الكهربائي في الولايات المتحدة هي نتيجة لكوارث الطقس وأنظمة التوزيع هي الأكثر عرضة لمثل هذه الأحداث.

كما أن حوالي (90٪) من حالات انقطاع التيار الكهربائي في الولايات المتحدة تحدث في أنظمة التوزيع، وكما هو مذكور فإن “مرونة النظام هي القدرة على الاستعداد والتكيف مع الظروف المتغيرة والتحمل والتعافي بسرعة من الاضطرابات”، وبناءً على هذا التعريف تشتمل مرونة النظام على ثلاثة أجزاء رئيسية، وهي الوقاية والبقاء والتعافي، لذلك تحاول هذه الورقة تقديم طريقة جديدة لزيادة القدرة على البقاء باستخدام محركات الاحتراق الداخلي (ICE) في أنظمة التوزيع كمصدر احتياطي.

دمج مولدات الديزل في عملية تعزيز مرونة التوزيع الكهربائي

تعد مولدات الديزل وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) والمولدات الموزعة من موردي الطاقة النموذجيين في حالات الطوارئ في المناطق السكنية، ومع ذلك يتم تثبيتها عادة في أحمال حرجة مثل المستشفيات ومراكز الشرطة، لذلك؛ فإن استخدامها ليس واسع النطاق حالياً، ومن ناحية أخرى تحظى سيارات (ICE) بشعبية في جميع أنحاء العالم. على الرغم من زيادة شعبية السيارات الكهربائية (EVs) بشكل كبير؛ إلا أن عدد سيارات (ICE) سيبقى كبيراً في المستقبل.

كذلك تتمتع تقنية المركبة إلى الشبكة (V2G) بقدرة كبيرة على توفير الطاقة لشبكات الطاقة، ومع هذه التكنولوجيا توفر المركبات الكهربائية حلولاً فعالة من حيث التكلفة لتزويد الأحمال السكنية في حالات الطوارئ، كما تم إجراء بحث جدير بالملاحظة حول مفهوم (V2G)، وعلى سبيل المثال تم النظر في التحكم في الجهد والتردد من خلال (V2G)، كما وتمت دراسة التخزين والطاقة المتجددة مع تكامل مفاهيم (V2G).

انقطاع التيار الكهربائي في أنظمة التوزيع

يمكن التنبؤ بانقطاع التيار الكهربائي الناتج عن الكوارث الناجمة عن الطقس ويمكن حله عادةً في أقل من يوم واحد، وذلك كما هو موضح في الجدول التالي:

لذلك يجب تصميم الاستراتيجيات المستخدمة لتزويد المناطق المنزلية بالطاقة على أساس هذه الفترات الزمنية، وكما ورد سابقاً؛ فإنه يمكن استخدام مركبات (ICE) كقوة احتياطية للطوارئ وتتطلب عدة دقائق لإعدادها، ووفقاً لإمكانية التنبؤ بالكوارث القائمة على الطقس الموضحة في الجدول الأول، لا توجد مشكلة في توصيل مركبات (ICE) بأنظمة (V2H).

وفي هذه الدراسة تم تقديم طريقة للكوارث ذات الوقت القصير، والتي من خلالها يتم استعادة نظام الطاقة بسرعة، بحيث لوحظ أن وقت التأثير يمكن التنبؤ به لخبراء نظام الطاقة وفقاً لمستوى الأضرار في أنظمة التوزيع، كما تركز الطريقة المقترحة على توفير أقصى قدر من الطاقة للشبكة الكهربائية الرئيسية بالإضافة إلى توفير الطاقة للأجهزة المنزلية، مما يساعد مشغل نظام الطاقة على استعادة النظام بسرعة أكبر من ذي قبل وتقليل انقطاع التيار بشكل كبير.

تشغيل (V2H / V2G) تحت انقطاع التيار الكهربائي

في هذا البحث، يتم استخدام مركبات (ICE) كمصادر طاقة طارئة في المنزل الذكي لحقن الطاقة في الشبكة بالإضافة إلى إمداد استهلاك المنزل، وفي هذا القسم يتم تقديم صياغة المشكلة بهدف أن يكون نموذج التحسين هو تعظيم الطاقة المحقونة في الشبكة الرئيسية أثناء حالات الطوارئ، وكما هو موضح في الشكل التالي (1)؛ فإنه يتم تحويل الطاقة الموجودة في خزان الوقود أولاً إلى طاقة التيار المتردد باستخدام المولد، بحيث ثم يتم تحويلها إلى طاقة تيار مستمر باستخدام شاحن بطارية وتخزينها في البطارية.

ولاستخدام مركبات (ICE) كطاقة احتياطية؛ فإنه يتم تحويل الطاقة المخزنة في البطارية إلى طاقة التيار المتردد باستخدام عاكس منزلي وتزويد الأجهزة المنزلية، ومن الجدير بالذكر أن شواحن البطاريات عادة ما تكون مدمجة مع المولدات الكهربائية، وعادة ما يكون خرج المولدات هو طاقة التيار المستمر.

تشمل الأجهزة المنزلية المستخدمة في المنزل الذكي مثل الثلاجة وسخان المياه ومكيف الهواء والفرن والأجهزة الإلكترونية، حيث أنه المفترض أن نظام (BEMS) يتحكم فقط في الأجهزة التي يمكن التحكم فيها وليس لديه القدرة على التحكم في الأحمال الأخرى، كما تشمل الأجهزة التي يمكن التحكم فيها في هذا الطراز الغسالة والمجفف وغسالة الأطباق.

لذلك يقوم نظام (BEMS) بتشغيل نموذج التحسين لتحديد وقت استخدام الأحمال التي يمكن التحكم فيها، وكما ورد سابقاً؛ فإن الهدف من استخدام محركات الاحتراق الداخلي في هذه الورقة هو توفير أقصى طاقة احتياطية في حالات الانقطاع خلال فترة قصيرة، وفي الواقع يعتبر الهدف الرئيسي في هذه الدراسة ليس زيادة مدة الاحتفاظ بالطاقة، وذلك على الرغم من أنه سيتم النظر في قدرة مركبات (ICE) على توفير أقصى مدة لحفظ الطاقة.

وفي فترات الانقطاع القصيرة؛ يعد حقن المزيد من الطاقة أكثر أهمية من زيادة مدة الاحتفاظ بالبيانات التي تخص الطاقة، ومن منظور مشغلي أنظمة التوزيع، ونظراً لأن مشغلي نظام التوزيع يرغبون في تقليل عدد حالات انقطاع التيار الكهربائي؛ فإن مصدر القلق الرئيسي بالنسبة لهم في فترات الانقطاع القصيرة هو الطاقة التي يتم توفيرها.

وأخيراً يعد توفير الطاقة الكهربائية الاحتياطية بعد الكوارث الشديدة أمراً حيوياً لتعزيز مرونة نظام التوزيع وتوفير الأحمال الحرجة، وفي هذه الدراسة تم التحقيق في جدوى استخدام مركبات (ICE) كمثال هندسي عابر في توفير الطاقة للمنزل ونظام التوزيع، بحيث تم تقديم صيغة جديدة لزيادة الطاقة المحقونة للشبكة الكهربائية الرئيسية.

ومن خلال الطريقة المقترحة؛ سيتمكن ملايين العملاء من الحصول على طاقة احتياطية في حالات الطوارئ وتزويد الطاقة لأجهزتهم الخاصة، كذلك ضخ الطاقة الإضافية في الشبكة الرئيسية لمساعدة مشغلي نظام التوزيع، ولزيادة دقة المحاكاة؛ فإنه يتم استخدام الخصائص التفصيلية للأجهزة الرئيسية، بحيث تظهر نتائج المحاكاة فاعلية الطريقة المقترحة في زيادة الطاقة الكهربائية المحقونة في الشبكة الرئيسية.