نظم ربط المولدات الكهربائية وتقنيات النسيق المزدوج

أدى استنفاد الطاقة الطبيعية واحتياطيات النفط إلى ظهور مفهوم أنظمة الطاقة المتجددة (RESs)، وقد أدى ذلك إلى توسيع رؤية قطاع الطاقة نحو شبكة طاقة متنوعة مع إدخال موارد الطاقة الموزعة (DERs) والتوليد الموزع (DG)، وعلى الرغم من أن هذا التنويع يتم تحقيقه من خلال إضافة مصادر طاقة؛ إلا أنه يفتح قناة الإنتاج والتداول باستخدام تنسيقات طاقة التيار المتناوب (AC) والتيار المباشر (DC).

تحليل نظم ربط المولدات الكهربائية وتقنيات النسيق المزدوج

تزداد أهمية أنظمة الطاقة المتجددة (RESs) خلال العقدين الماضيين، كما ويرجع ذلك إلى المخاوف الخطيرة المتمثلة في:

• استنفاد موارد الطاقة التقليدية مثل الفحم والديزل والنفط والغاز.

• الحصول على بيئة نظيفة وصحية.

• زيادة الطلب على الطاقة مع النمو السكاني وتغير نمط الحياة.

ونظراً لأن معظم (RES) تعتمد بطبيعتها على (DG)؛ فإن الموارد مثل الألواح الكهروضوئية (PV) وتوربينات الرياح ،والمحطات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة (ESSs) يمكن ربطها مباشرة بمديرية عامة في (DER)، كذلك يمكن إدارة مستويات الجهد بسهولة، ومن ناحية أخرى في نظام شبكة التيار المتردد التقليدي تُستخدم المحولات للتنازل عن مستويات الجهد الكهربائي، كما ويمكن تغيير مستويات جهد التيار المستمر باستخدام محول (DC-DC).

علاوة على ذلك، لا تتطلب أنظمة طاقة التيار المستمر أي تعويض للقدرة التفاعلية ولا تتحمل تأثيرات القشرة. بحيث يمكن رؤية نظرة مفاهيمية لنظام توليد الطاقة الموزعة في الشكل التالي (1.1) يقوم (DER)، وذلك بتوليد طاقة (DC) أو (AC) ويقوم بتفاعل الطاقة مع موارد الطاقة المتجددة وشبكة التيار المتردد، وذلك من خلال محولات التوزيع ومحول الطاقة الإلكتروني (PEC).

كذلك يدعو المفهوم إلى تكامل جميع عناصر أنظمة الكهرباء لتحسين العمليات والكفاءة والمرونة مع تقليل خسائر التحويل والتوزيع، بحيث يتضمن ذلك التكامل مع:

• وحدات توليد الطاقة والحرارة المركزية، والتي توفر الطاقة لـ (DERs) باستخدام تحويل الى (AC-AC).

• تكامل موارد الطاقة المتجددة باستخدام التحويل الى (DC-DC).

• تكامل ثنائي الاتجاه مع النقل والتوزيع الذكي (EMS ، ESS)، وكهربة النقل باستخدام تحويل (DC-DC).

• تكامل أجهزة التخزين مثل التخزين المائي والبطاريات التي تستخدم تحويل (DC-DC).

وعلى الرغم من أن أنظمة (DG) لا تحصل على طاقة فورية من شبكة التيار المتردد؛ إلا أن نظام الاتصال لتبادل المعلومات الفوري قد يبقى في متناول اليد أثناء تقطع الطاقة لاتخاذ قرار بشأن إعادة توصيله بمصدر التيار المتردد لتبادل الطاقة.

معالجة الطبيعة المتفرقة لسلوك توليد مصادر الطاقة المتجددة

استناداً إلى الاتصال الفوري، هناك عنصر آخر يمكن أن يعالج الطبيعة المتفرقة لمصادر الطاقة المتجددة والاختلاف في العرض والطلب وهو المعيار البيئي والاجتماعي (ESS)، بحيث يمكن لـ (ESS) تخزين الطاقة المستندة إلى التيار المستمر بسهولة في بطاريات التيار المستمر، كما أن هذا لمعالجة والتحكم في تذبذب الطاقة خلال الفترات غير المنتظمة وتوصيل (RES) في (DER).

وعلى الرغم من الجدوى التي قدمتها (ESS) تجاه تقطع (RES)؛ إلا أن هناك بعض القيود التي يمكن مواجهتها بسبب تأثير البيئة وتقادم التكلفة والتكنولوجيا في متناول اليد، كما أنه يجب استخدام البدائل للتغلب على هذه القيود، وبالنسبة لمحطات الطاقة المتجددة الكبيرة، مثل مزارع الرياح والطاقة الشمسية؛ فإن محطة تخزين الطاقة الكهرومائية التي يتم ضخها وبطاريات الرصاص الحمضية هي على التوالي أفضل البدائل لتخزين الطاقة.

وفيما بعد لوحظ أن البديل “للطاقة الكهرومائية” التي يتم ضخها للتخزين يمكن أن يكون عبارة عن مزيج من خلايا الوقود والمحللات الكهربائية لخزانات الهيدروجين، بحيث يمكن للتقنيات البديلة والتوافر الفوري للطاقة من شبكة التيار المتردد تعزيز تنسيق (DERs) من خلال الحفاظ على مستويات مقبولة من الجهد واستقرار التردد الكهربائي في أنظمة توزيع الطاقة، ومع ذلك؛ فإنه يتطلب بنية تحتية اتصالات موثوقة لتحسين استخدام أنظمة الطاقة المتجددة لمستويات اختراق عالية.

تطور نطاق التحكم التسلسلي الخاص بنظم ربط المولدات الكهربائية

في الحقبة السابقة، تم التعامل مع هذا الاتصال في أنظمة الطاقة عن طريق التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA) لنقل البيانات بين الأجهزة الميدانية ووحدات التحكم وأجهزة الكمبيوتر في غرف (SCADA) المركزية، كما تم تقديم نظام حلقي لربط (DGs) بالمستهلكين عن طريق شبكة الربط، وفي وقت لاحق تم تقديم وحدات إدارة المشروع أيضاً لتحسين (SCADA) في شبكة الطاقة الذكية.

كما أنه يمكن استخدام تقنيات المعلومات والاتصالات (ICT) في أنظمة (DG) و (DER) من أجل التدفق الأمثل والآمن للطاقة ثنائي الاتجاه بأحمال ديناميكية، ومع ذلك يجب أن تلبي أنظمة الاتصالات في شبكات (DC) الصغيرة وأنظمة الشبكة الذكية بعض المتطلبات المحددة بناءً على تطبيقات الشبكة مثل الموثوقية والكمون وعرض النطاق الترددي والأمن.

أيضاً يمثل اختيار شبكة الاتصال المناسبة تحدياً كبيراً في الإدارة العامة بسبب العديد من المتغيرات ومتطلبات المكونات المختلفة، والتي تعتمد على التطبيقات وتوقعات المرافق، كما يوضح الشكل التالي (2) جدولاً زمنياً موجزاً لاستخدام وتطورات تكنولوجيا نظام الاتصالات في المديريات العامة حتى الآن.

وأخيراً تتمثل المساهمة الرئيسية لهذه الدراسة في استكشاف وتحديد تطوير البنى التحتية للاتصالات في أنظمة (DG)، بحيث تهدف المقالة إلى سد فجوة التطبيقات المختلفة لأطر الربط في (DGs) من خلال البنية التحتية للاتصالات والتمثيل الرياضي لهذه البنية التحتية والشبكات والتقنيات المعنية، وأيضاً تحليل مناهج التحقق المختلفة التي تنفذها تطبيقات مختلفة.