التحكم الكهربائي في أنظمة تخزين بطاريات الشبكة

يعد تخزين الطاقة أحد الوسائل الرئيسية لتحسين المرونة والاقتصاد والأمن في نظام الطاقة، كما أنه مهم في تعزيز استهلاك الطاقة الجديد، لذلك من المتوقع أن يدعم تخزين الطاقة الموزعة والشبكة الصغيرة ويعزز المشاركة المفتوحة والتجارة المرنة لإنتاج الطاقة واستهلاكها، كما وتحقيق التنسيق متعدد الوظائف.

أهمية التحكم الكهربائي في أنظمة تخزين بطاريات الشبكة

تعد أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESSs) طريقة مهمة لتخزين الطاقة بتكويناتها المرنة لمتطلبات التطبيقات المختلفة دون شروط جغرافية رسومية، بحيث يمكن لاستجاباتهم السريعة إدخال أو إخراج الطاقة النشطة أو التفاعلية في نفس الوقت، وبالمقارنة مع أنظمة الطاقة الأخرى؛ فإن (BESS) لديها كفاءة طاقة أعلى نسبياً، بحيث تجعل المزايا المذكورة (BESS) خياراً لا يمكن الاستغناء عنه في تكامل الطاقة الجديدة المركزية والموزعة وعمليات الشبكة المساعدة.

ومع التطور السريع في صناعة السيارات الكهربائية (EV) في السنوات الأخيرة؛ حققت التقنيات المتعلقة بتصنيع البطاريات والتطبيقات تقدماً كبيراً،  ولقد تحسنت مشكلات عمر البطارية والتكلفة بشكل أكبر، مما جعل تخزين البطاريات أكثر أنواع تقنيات تخزين الطاقة شيوعاً والأسرع نمواً.

وفي الوقت الحالي، يكون حجم التطبيق والسيناريوهات الخاصة بـ (BESS) أكبر وأكثر تنوعاُ، بحيث يساهم ظهور (100) ميغاوات (BESS) دوراً إيجابياً في التكامل على نطاق واسع لهذه الطاقة الجديدة جنباً إلى جنب مع التشغيل الآمن والمستقر لشبكة الطاقة، وذلك تخزين الطاقة الموزعة والمتنقلة هو أيضاً تقنية سريعة التطور في مجال الإدارة الذكية لشبكة التوزيع لمورد طاقة متجددة والنقل الذكي.

ومع التطور والتحسين السريع؛ فإنه من المتوقع أن يكون لأنظمة تخزين الطاقة ذات التكامل واسع النطاق والتطبيقات الموزعة أوضاع تطبيق متعددة وتطبيقات متنوعة، بحيث يعد ضمان الدور الإيجابي لـ (BESS) المركزي أو الموزع في دعم تكامل الطاقة الجديد والتحكم في سلامة الشبكة وتحقيق أهداف متعددة والتحكم في التحسين التعاوني متعدد المستويات والتشغيل الفعال هدفاً مهماً للتطوير المستقبلي لـ (BESS).

نظرة عامة على مراقبة وتطبيقات (BESS)

تعتبر بطاريات الليثيوم أيون وكربون الرصاص وكبريت الصوديوم وبطاريات تدفق الأكسدة والاختزال هي تقنيات البطاريات الرئيسية المستخدمة لتخزين الطاقة، ومع الإصدار المستمر لسياسات الدعم والتحسينات في عمليات التصنيع، بحيث تطورت تقنية بطاريات تخزين الطاقة بسرعة ولقد تحسنت بشكل كبير مؤشراته الفنية الرئيسية، مثل سلامة البطارية وعمر الدورة وكثافة الطاقة.

من ناحية أخرى؛ انخفضت تكاليف التطبيق بشكل كبير، وعلى هذا الأساس حافظ حجم تطبيقات تخزين الطاقة العالمية على نموه السريع، وذلك حسب الشكل التالي (1) مما خلق آفاقاً متفائلة للتكنولوجيا.

كما تم استخدام (BESSs) على نطاق واسع في جميع جوانب أنظمة الطاقة وأصبحت نقطة تركيز جديدة في تطوير صناعة الطاقة، ووفقاً لتجربة تطبيقات تخزين الطاقة العالمية، بحيث يمكن تقسيم سيناريوهات تطبيق تخزين الطاقة إلى ثلاث فئات و (16) نوعاً وفقاً لجانب مصدر الطاقة وجانب شبكة الطاقة وجانب توزيع الطاقة حسب الشكل التالي (2).

الجانب الحقيقي لمزود الطاقة الكهربائية من خلال BESS

ينقسم تطبيق (BESSs) في جانب مصدر الطاقة بشكل أساسي إلى فئتين، وهما التشغيل المشترك لـ (BESS) والطاقة الجديدة لتخفيف تقلبات الإخراج وتتبع الإخراج المخطط له وما إلى ذلك والتشغيل المشترك لـ (BESS) ووحدة الطاقة الحرارية التقليدية لتحسين القدرة على تنظيم التردد الكهربائي والجهد لوحدات الطاقة الحرارية التقليدية.

نظام التقلب السلس في خرج الطاقة الكهروضوئية

تتميز مصادر الطاقة الجديدة، مثل طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية بالعشوائية والتقطع في إنتاجها، بحيث سيكون للتكامل المباشر لمعدات توليد الطاقة الجديدة ذات السعة الكبيرة تأثير كبير على عمليات إرسال الشبكة والتحكم فيها، كما ويمكن أن يؤدي إلى حوادث تتعلق بالسلامة أو عدم الاستقرار، أيضاً يمكن الجمع بين جهاز (BESS) وجهاز توليد الطاقة المتجددة تحويل طاقة الإخراج المتغيرة العشوائية إلى خرج مستقر نسبياً، مما يساعد على تلبية المتطلبات الفنية المختلفة لاتصال الشبكة.

كما ركزت العديد من الأساليب النظرية، وذلك جنباً إلى جنب مع الأبحاث والتحليلات وعلى تطبيقات (BESS) لتنعيم توليد الطاقة الجديدة بحيث يعد إنشاء مصدر طاقة جديد ونموذج مشترك لـ (BESS) هو المشكلة الأولى التي يجب معالجتها. المراجع، كذلك نمذجة شبكة متصلة بتوربينات الرياح (PMSG) مدمجة مع (BESS) لتحليل الأداء في نظام حقيقي.

تتبع المخرجات والإرسال الاقتصادي الخاص بـ (BESS)

إن إخراج أنظمة توليد الطاقة الجديدة متقطع بشكل عام ويصعب للغاية التنبؤ بدقة، حيث أن هذه المشكلة متجذرة في خطط الإنتاج العلمية والعقلانية القادمة وداخل اليوم والوقت القصير للغاية (في الوقت الفعلي) التي تضمن التصدير الفعال للطاقة الجديدة في إطار فرضية تلبية الجدول الزمني وقيود التخزين.

وفي مجال تتبع المخرجات فإنه يمكن تقسيم الطرح الحالي إلى ثلاثة جوانب، وهي تتبع المخرجات في اليوم السابق وضمن اليوم والوقت القصير جداً (في الوقت الفعلي)، حيث اقترحت الدراسات باستخدام خطة الإخراج اليومية، منها طرق التحكم التعويضية لأجهزة تخزين الطاقة لتوليد الطاقة الجديدة ولمعالجة خطط الطاقة النشطة والمتفاعلة على التوالي.

كذلك تم تحقيق نتائج جيدة في تحويل ذروة الحمل وتحسين تدفق الطاقة، بحيث ركزت خطة الإخراج خلال اليوم على تقديم وظيفة مؤشر الأداء الأمثل بناءً على سعر الكهرباء في الوقت الفعلي والطلب على الحمل ومخرجات الطاقة الجديدة لتحقيق الهدف الإضافي المتمثل في إطالة عمر البطارية أثناء تتبع خطة الإخراج، وبالنسبة للإنتاج في الوقت الفعلي؛ فإنه من الضروري تقليل خطأ التنبؤ اليومي قصير المدى للطاقة الجديدة كأهداف للتحكم.

تنظيم التردد الكهربائي مع مصادر الطاقة الكهروضوئية

توفر القدرة المركبة المتزايدة لنظام (BESS) على نطاق المرافق حلولاً أكثر قابلية للتطبيق في مراجعة استراتيجيات تنظيم التردد وتحسين استقرار أنظمة الطاقة، كما أنه يمكن تنظيم حالات الشذوذ في ملف تعريف تردد النظام واستعادتها من خلال دمج (BESS)، حيث يمكن أن تعمل كمخزن مؤقت للطاقة، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (4)؛ فإن الاستجابة بالقصور الذاتي ضرورية للحفاظ على استقرار تردد أنظمة القدرة.

t يخزن الطاقة الحركية في كتلة دوارة للمولد المتزامن التقليدي (SG) والتي يمكن إطلاقها لإيقاف معدل تغير التردد (ROCOF) أثناء الاختلالات المفاجئة بين العرض والطلب على الطاقة [24] – [26]. اقترح الباحثون العديد من خوارزميات القصور الذاتي الافتراضية وأنظمة التحكم في المولدات المتزامنة الافتراضية لأنظمة تحويل إلكترونيات الطاقة لتحقيق انتقال أكثر سلاسة إلى نظام يهيمن على الطاقة المتجددة.

كما يخزن الطاقة الحركية في كتلة دوارة للمولد المتزامن التقليدي (SG) والتي يمكن إطلاقها لإيقاف معدل تغير التردد (ROCOF) أثناء الاختلالات المفاجئة بين العرض والطلب على الطاقة، بحيث اقترح الباحثون العديد من خوارزميات القصور الذاتي الافتراضية وأنظمة التحكم في المولدات المتزامنة الافتراضية لأنظمة تحويل إلكترونيات القدرة لتحقيق انتقال أكثر سلاسة إلى نظام يهيمن على الطاقة المتجددة.

وأخيراً قدمت هذه الدراسة تطوير تطبيقات (BESS) وتكنولوجيا المراقبة، بحيث تم أيضاً تحليل تطبيق تقنية تخزين الطاقة في نظام الطاقة بالتفصيل من جانب مزود الطاقة وجانب شبكة الطاقة وجانب توزيع الطاقة، ومن خلال تخطيط وبناء (BESSs) على نطاق واسع أو كبير جداً وكذلك التطوير المستمر للأحجام والسعات الموزعة المختلفة وأنظمة (BESS) للتوصيل والتشغيل المحمولة.