طوبولوجيا واستراتيجيات التحكم الكهربائي والتوقعات المستقبلية

تحليل طوبولوجيا واستراتيجيات التحكم الكهربائي والتوقعات المستقبلية

من السنوات القليلة الماضية، أدت المخاوف المتزايدة بشأن الآثار البيئية بسبب استنفاد الوقود الأحفوري إلى التحول نحو مصادر الطاقة المتجددة لتلبية الطلب العالمي على الطاقة، كما وقد اجتذبت الصداقة البيئية وقابلية التوسع والميزات الواسعة الأخرى لـ (RES) انتشارها في القطاعات التجارية والصناعية والسكنية.

كما ويدعم هذا أيضاً التطور السريع في إلكترونيات القدرة، والذي يساعد على التحكم الكامل في (RES) الذي يحده الظروف الطبيعية العشوائية، وعلاوة على ذلك؛ فإن (RES) لها قيود مختلفة مثل ضعف الحمل وتوليد الطاقة المتقطع والطبيعة غير القابلة للتشتت، وبسبب هذه العوامل؛ فإن تنسيقها في نظام الشبكة يعد مهمة صعبة للتشغيل الفعال، خاصة للأنظمة عالية السعة، كما تتمثل التحديات الملحوظة التي تمت مواجهتها أثناء تكامل (RES) في عدم استقرار الجهد وتباين الحمل وتقلب التردد الكهربائي.

كما يعد تكامل (ESS) حلاً واعداً للتغلب على هذه القيود وتسهيل التشغيل المستقر للشبكة الكهربائية، بحيث يمكن أن يؤدي دمج (ESS) مع (RES) في الشبكة الصغيرة إلى تجنب تقلبات الطاقة وتحسين جودة الطاقة وتنظيم التردد وتمكين الخدمات الإضافية الإضافية، لذلك تم تطوير العديد من تقنيات (ESS) في السنوات الأخيرة، والتي يمكن تصنيفها على أنها أنظمة تخزين كهربائية وكهروكيميائية وكيميائية وميكانيكية.

كذلك (ESS) المستخدمة على نطاق واسع هي (SC ، SMES)، كذلك دولاب الموازنة، وتخزين الهيدروجين بالضخ والبطاريات (CAES) وخزانات الهيدروجين، ومن بين هذه التقنيات؛ فإنه يتم التعامل مع البطاريات باعتبارها واحدة من أهم المعايير البيئية والاجتماعية الواعدة للحفاظ على استقرار شبكات أنظمة الطاقة الكهربائية.

وعلاوة على ذلك، يلعب (ESS) في النظام خارج الشبكة دوراً حيوياً في إدارة تقلبات الطاقة اللحظية ونوعية الطاقة، وبناءً على تحليل مختلف (ESS)، كما يتم سرد خصائصها المهمة في الجدول التالي (1)، وفي الوقت نفسه، يتم عرض الأنواع المختلفة المعروفة من البطاريات جنباً إلى جنب مع التطبيقات والقيود والميزات المناسبة في الجدول التالي (2)، وعلاوة على ذلك يلعب (ESS) دوراً مهماً في تطوير أنظمة الطاقة الكهربائية.

دور سوق الطاقة الكهربائية في إدارة التقلبات الناتجة

يتزايد سوق تخزين الطاقة العالمي بشكل كبير منذ العقد الماضي، كما من المتوقع أن يزيد سوق (ES) في المبيعات السنوية بأكثر من (26) مليار دولار أمريكي بحلول عام 2022م، وذلك بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ (46.5٪)، بحيث تركز دول مثل أستراليا والولايات المتحدة الأمريكية والهند والمملكة المتحدة وتشيلي واليابان وإيطاليا وكوريا الجنوبية وألمانيا على التقنيات الرائدة لأنظمة تخزين البطاريات.

إلى جانب ذلك؛ فإن السياسات والإعانات الوطنية التي تقدمها البلدان المختلفة تعمل على تسريع نمو الخدمات البيئية والاجتماعية، بحيث يمكن أن يؤدي الجمع بين (RES ، ESS) إلى تقليل الاعتماد على استيراد الطاقة وتحسين مرونة وموثوقية النظام وأيضاً المساعدة في التحرك نحو إزالة الكربون من الشبكة.

وعلاوة على ذلك، تتجه الدول النامية نحو المدن الذكية لتحقيق أهدافها مثل الاستدامة البيئية وإمدادات الطاقة الكافية والتنقل الفعال واعتماد المركبات الكهربائية، حيث تلعب (RES) و (ESS) دوراً مهماً، كما تتزايد قدرة (ESS) بشكل كبير، والتي تضاعفت خلال عام (2017)م ، (2018)م إلى (8) جيجاوات ساعة، كما يوضح الشكل التالي (2) السعة العالمية المثبتة الحالية لـ (ESS)، وبالإضافة إلى ذلك يعرض الشكل اعتماد (ESS) لتطبيقات مختلفة.

ومن الجدير بالذكر أن لكل (ESS) حدوده الخاصة التي تحصر نطاق تطبيقاته، حيث يتطلب التطبيق المثالي طاقة عالية وقدرة عالية، ومع ذلك؛ فإن (ESS) محدودة إما بقوتها أو قدرتها على الطاقة، وبالتالي من الضروري بناء نظام بمزيج من اثنين أو أكثر من المعايير البيئية والاجتماعية (ESS) لتشكيل (HESS)، على سبيل المثال تتميز البطاريات بخصائص الطاقة النوعية المنخفضة والطاقة النوعية العالية ودورة حياة أقل وقدرة أقل على التفريغ الذاتي وأقل تكلفة لكل واط.

كما أن فوائد تطبيق (HESS) هي:

• يقلل التكلفة الأولية المتناقضة مع نظام تخزين طاقة واحد (بسبب فصل الطاقة والطاقة، بحيث يجب أن يغطي نظام التخزين الثانوي فقط متوسط الطلب على الطاقة).

• يعزز كفاءة النظام بشكل عام.

• يحسن سعة التخزين وعمر المصنع (يقلل الضغط الديناميكي لنظام التخزين الثانوي ويحسن التشغيل).

طوبولوجيا الترابط الخاصة واستراتيجيات التحكم الكهربائي

تحدد طوبولوجيا التوصيل البيني لـ (HPS ، HES) مرونة التحكم والأداء الديناميكي والكفاءة وعمر (ESS)، بحيث يمكن توصيل (HPS ، HES) بالنظام مباشرة أو من خلال محولات الطاقة الكهربائية، كما يوفر الاتصال المباشر بنية نظام بسيطة وتكلفة منخفضة وتعقيد التحكم، وعلى الرغم من أن استخدام محولات الطاقة يضمن التحكم المنفصل عن (HPS و HES) ويوفر تنظيماً محسناً للطاقة.

كما يمكن توصيل (HESS) إما بتفرعات (DC) أو استخدام محول (DC-AC) منفصل للاتصال بناقل التيار المتردد، كما يمكن تصنيف طوبولوجيا التوصيل البيني إلى سلبية وشبه نشطة ونشطة، بحيث يختلف اختيار الهيكل بشكل كبير بناءً على متطلبات النظام ووظائف نظام إدارة الطاقة، كما يعرض الجدول الثالث تحليلاً نقدياً لطوبولوجيا التوصيل البيني.

النطاق السلبي (غير النشط): تعتبر العمارة المنفعلة هي الطريقة البسيطة لربط (HPS ، HES) بالنظام، وذلك حسب الشكل التالي (4)، كما يتم توصيل (ESS) معاً بشكل مباشر دون استخدام محولات الطاقة، كما تعتبر مطابقة مستويات الجهد لـ (ESS) مع جهد ناقل التيار المستمر أو جهد الحمل شرطاً أساسياً للتوصيل المباشر، كما  تشبه البنية المنفعلة المولدات المتزامنة العاملة المتوازية، حيث يتم مشاركة الحمل بناءً على نسبة الممانعة.

النطاق شبه النشط: يعتبر هذا الهيكل هو امتداد للطوبولوجيا السلبية مع محول طاقة واحد للتحكم في (HPS)، حيث يتم استخدام محول (DC-DC) ثنائي الاتجاه للتحكم في القدرة المتبادلة بواسطة (HPS) جنباً إلى جنب مع خوارزمية تحكم مناسبة (الشكل 5)، كما يتم إعطاء القوة المتبادلة بواسطة (HESS) مع هذا الهيكل بواسطة المعادلة التالية، حيث تشير (α) إلى إمكانية التحكم في (HPS) وتحدد حصة الطاقة لـ (HPS).

النطاق النشيط: يستخدم الهيكل النشط محول (DC-DC) ثنائي الاتجاه منفصل للتحكم في (HPS، HES) (الشكل 6)، كما يوفر هذا الهيكل أعلى إمكانية تحكم ممكنة مع التحكم المنفصل لكل من (ESS)، بحيث يسهل استراتيجية إدارة الطاقة لاستغلال الخصائص التكميلية لـ (HPS ، HES)، وعلاوة على ذلك؛ فهي تستوعب اعتماد مجموعة واسعة من استراتيجيات التحكم.

ومع ذلك، تأتي كل هذه المزايا على حساب الخسائر المتزايدة في تحويل الطاقة والتكلفة العالية للمحولات الكهربائية، بحيث يتم إعطاء القوة المتبادلة بواسطة (HESS) مع هذا الهيكل بواسطة المعادلة التالية، بحيث يمثل المتغيران (α) و (β) قابلية التحكم في (HPS ، HES) على التوالي، بحيث تحدد استراتيجيات التحكم هذه المتغيرات بناءً على عدة عوامل مثل (SOC) وتكرار تغير الطاقة ومعدل تدهور البطارية.

إلى حد بعيد، تم استخدام هذا الهيكل على نطاق واسع في تطبيق (HESS) في نظام الطاقة، كما يمكن تقسيم هذا إلى طوبولوجيا نشطة متوازية وسلسلة نشطة، بحيث توظف الطوبولوجيا المتوازية مجموعتين منفصلتين من المحولات لربط (HPS ، HES) بالتوازي.