التحكم في تبادل الطاقة في الشبكات صغيرة المتعددة

في السنوات الأخيرة، أدى ظهور الشبكات الصغيرة التي تحتوي على عدد كبير من مصادر الطاقة المتجددة إلى ظهور بعض التحديات الأساسية في التحكم في تجارة الطاقة وتنسيقها وإدارتها بين الشبكات الصغيرة وشبكة الكهرباء، وللاستجابة لهذه التحديات تم اقتراح بعض التقنيات للتحكم في تقاسم الطاقة، مثل تكنولوجيا الطاقة المتعدية (TE).

أهمية التحكم في تبادل الطاقة في الشبكات صغيرة المتعددة

في الوقت الحاضر، يتزايد استخدام المعدات الكهربائية بسبب المزايا الاقتصادية والبيئية الكبيرة للطاقة الكهربائية، بحيث يجب زيادة تشغيل محطات الطاقة التقليدية لتوفير طاقة كافية بهدف تغطية الزيادة في استهلاك الكهرباء جنباً إلى جنب مع الأنظمة الكهربائية الجديدة الناشئة، بحيث تؤدي زيادة إنتاج محطات الطاقة التي تعتمد على الوقود الأحفوري أو بناء وحدات جديدة فيها إلى بعض المخاوف الأساسية مثل الاحتباس الحراري وتقليل مصادر الطاقة غير القابلة للتجديد.

كما تصبح هذه المخاوف دافعاً محدداً للباحثين لاقتراح حلول معقولة للتحديات ذات الصلة، لذلك يتم إدخال مصادر الطاقة المتجددة (RESs) كوحدات إنتاج الطاقة النظيفة في شبكة الطاقة، ونظراً للمزايا الاقتصادية والبيئية لـ (RESs)، بحيث يتم تطوير تقنياتها مثل توربينات الرياح والألواح الكهروضوئية الشمسية (PV) بسرعة لاستخدامها على نطاق واسع في عملية توليد الكهرباء.

كما تشير الدراسات الحديثة إلى أن زيادة تغلغل (RESs) في نظام الطاقة يمكن أن يعزز بشكل فعال موثوقية النظام واستقرار، حيث أدت هذه الطفرة في مجال النظام الكهربائي إلى تطوير مفاهيم جديدة فيما يتعلق بإدارة الطاقة في الشبكة الذكية وتكامل الشبكة بالإضافة إلى تقييماتهم، وفي هذا الصدد يتم تقسيم الشبكة الذكية ذات الاختراق العالي لـ (RESs) إلى شبكات صغيرة متعددة من أجل تحسين إمدادات الطاقة للمستهلكين وزيادة كفاءة النظام وموثوقيته مع تسهيل تشغيل وتكامل موارد الطاقة الموزعة (DERs).

وبعبارة أخرى يمكن تبادل الطاقة في شبكات صغيرة متعددة مع شبكة الطاقة الحديثة لتحقيق بعض المزايا الرئيسية مثل الصداقة البيئية والفوائد الاقتصادية والكفاءة والموثوقية وكذلك تحسين التشغيل والتحكم في النظام، ومع ذلك فقد طرحت فترات التقطع في توليد الطاقة المتجددة تحديات أساسية فيما يتعلق بالجدولة المثلى لنظام الطاقة الكهربائية.

الدراسات الخاصة في عملية تبادل الطاقة في الشبكات الصغيرة

في الآونة الأخيرة، حققت العديد من الدراسات في تحليل تبادل الطاقة في الشبكات الصغيرة. لقد استخدم كل منهم أساليب وتقنيات مختلفة للتحكم في تداول الطاقة في الشبكات الصغيرة، على سبيل المثال  يستخدم صياغة لعبة ثابتة قائمة على نظرية الاحتمالات لتبادل الطاقة بين الشبكات الصغيرة المتصلة بمحطة الطاقة، كما يتم إنشاء سيناريوهات مختلفة للتوازن.

أيضاً يتم استخدام نهج نظرية اللعبة لتشجيع الشبكات الصغيرة على تداول الطاقة فيما بينها من خلال توفير برامج الحوافز، وفي هذا الطرح تم النظر في الآلية الموزعة المقترحة لتبادل الطاقة للشبكة الصغيرة في سوق تنافسي، وذلك من حيث التفاعلات بين الشبكات الصغيرة المترابطة تهدف إلى تطوير استراتيجيات تداول الطاقة والجدولة.

وعلى غرار ذلك يستخدم أيضاً البرامج القائمة على الحوافز لتداول الطاقة للشبكات الصغيرة لزيادة الفوائد، بحيث تم اقتراح إدارة الطاقة الذكية متعددة الأغراض (MIEM) وتطبيق تقنيات الذكاء الاصطناعي لتقليل تكلفة تشغيل الشبكات الصغيرة، كما يتم استخدام نظام خبير المنطق الضبابي ويمكن التعامل مع جميع المعلمات غير المؤكدة بناءً على النهج المقترح.

أيضاً يتم تقديم إستراتيجية مشتركة من مرحلتين لتبادل الطاقة من خلال اعتبار المركبات الكهربائية كأجهزة تخزين لنظام الشبكات الصغيرة المتعددة، وبالإضافة إلى ذلك يتم استخدام العديد من المتغيرات المزدوجة لتحديث السعر جنباً إلى جنب مع تقديم إستراتيجية جدولة لامركزية استناداً إلى إشارات الأسعار لوحدة تحكم الشبكة الصغيرة.

صياغة المشكلة الخاصة بالشبكات الصغيرة من خلال الهندسة الوصفية

في هذه الدراسة تم النظر في أربع شبكات صغيرة بافتراض أنها مجهزة فقط بـ (RESs) للإنتاج الكهربائي بحيث تم تصميم الألواح الشمسية الكهروضوئية وتوربينات الرياح وتخزين البطاريات كنظام لتوليد الطاقة النظيفة، بحيث يتم توضيح تداول الكهرباء بين الشبكات الصغيرة المتصلة ببعضها البعض وشبكة الطاقة في الشكل التالي (1)، بحيث يتم توفير إمكانية تبادل الطاقة للشبكات الصغيرة ليس فقط لتقاسم الطاقة مع الشبكة الرئيسية ولكن أيضًا لتبادل الطاقة فيما بينها على المستوى المحلي.

كذلك يمكن إعادة إنتاج توربينات الرياح واللوحة الكهروضوئية الشمسية إلى شبكة الطاقة أو استخدامها في سوق تبادل الطاقة المحلي (LEEM) وتخزين البطاريات والطلب على الكهرباء، بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه لا يمكن لمخزن البطارية التفريغ فقط لموازنة العرض والطلب على الطاقة في حالات الطوارئ ولكن أيضاً تلقي أو توصيل الطاقة لشحنها أو تفريغها من شبكة الطاقة و (LEEM) (شبكات ميكروية أخرى).

تأثير البنية التحتية للشبكات الصغيرة على سوق الطاقة

تسمح البنية المقترحة للشبكات الصغيرة بالتداول في الطاقة بطرق متعددة، وعلى سبيل المثال وفي البداية؛ فإنه يمكن للشبكات الصغيرة أن توفر الطلب على الطاقة من خلال إنتاج الطاقة المولدة بواسطة (RESs) داخلها، لذلك إذا كان إنتاج الطاقة للشبكات الصغيرة غير كافٍ لتلبية الطلب على الطاقة؛ فيمكن الحصول على الطاقة المطلوبة من الشبكات الصغيرة الأخرى في (LEEM).

وفي الواقع تم تصميم (LEEM) لتحقيق إرشادات (TE) بناءً على تعريف (TE) العام، بحيث يعتبر (LEEM) لتلبية الطلب على الطاقة للشبكات الصغيرة بهدف تقليل اعتمادها على الشبكة الرئيسية وكذلك موازنة الطاقة الديناميكية، والتي تتناسب مع الجزء الأول من تعريف (T)، بحيث يتم ذلك مع الأخذ في الاعتبار تقليل إجمالي تكلفة الطاقة للشبكات الصغيرة مع تحسين توفير التكلفة في تفاعلات السوق.

ونظراً لاستخدام (RESs) لإنتاج الطاقة (الجانب البيئي) وتقليل تكلفة الطاقة للشبكات الصغيرة (الجانب الاقتصادي)؛ فإنها تتناسب أيضاً مع الجزء الثاني من تعريف (TE)، لذلك؛ فإن (LEEM) هي آلية مناسبة لتحقيق الأهداف الاقتصادية والبيئية للنظام المقترح بناءً على بنية (TE)، وعلاوة على ذلك، ونظراً لأن مبادئ (TE) تتحقق في الحالات المقترحة بناءً على تعريف (TE) العام؛ فإنه يتم أخذ الآلية في الاعتبار كنموذج إدارة الطاقة (TE)، والذي يمكن تطبيقه للتحكم في تبادل الطاقة للشبكات الصغيرة المتعددة في الشبكة الذكية.

وخيراً في هذه الدراسة؛ فإنه تم اعتبار عشرة شبكات صغيرة لتحليل تكنولوجيا (TE) في مشاركة طاقة الشبكة مع حالات التشغيل الثلاث المقترحة، أيضاً؛ فإن كل واحدة من الشبكات الصغيرة مجهزة فقط بـ (RESs) لتوليد الطاقة، وبالتالي؛ فإن إنتاج الطاقة منها لا يعاني من أي مشاكل بيئية، بحيث تظهر نتائج المحاكاة لثلاث حالات أن جميع الشبكات الصغيرة يمكن أن تحقق توفيراً في التكلفة إذا كانت تعمل مع بنية (TE).

وبالإضافة إلى ذلك، تم تقليل التكلفة الإجمالية للشبكات الصغيرة من (137.261inCase1) إلى (115.806) في الحالة الثانية، بحيث يمكن أن تدعم إمكانية تداول الطاقة الحرة، والتي يتم تحديدها بين الشبكات الصغيرة على أساس بنية (TE)، كذلك الشبكات الصغيرة في جميع الأوقات (خاصة في الذروة- load time) لتلبية احتياجاتهم من الطاقة وبيع الطاقة لشبكة الطاقة لتعظيم أرباحهم.