معالجة انخفاض الكفاءة الكهربائية في الشبكات الصغيرة

في شبكات التوزيع الكهربائي، يتطلب العدد المتزايد باستمرار من أجهزة توليد الطاقة القائمة على مصادر الطاقة المتجددة الانتقال من “نموذج التوليد المركزي” إلى نموذج التوليد الموزع، وفي الواقع يمكن التحكم في حقن الطاقة من موارد الطاقة الموزعة (DERs) بشكل انتقائي لتحقيق أهداف أخرى تتجاوز الأحمال الداعمة، مثل تقليل فقد الطاقة على طول خطوط التوزيع.

أهمية معالجة انخفاض الكفاءة الكهربائية في الشبكات الصغيرة

في شبكات الطاقة التقليدية؛ يظهر تحديان رئيسيان، وهما زيادة الطلب على الطاقة والحقن غير المنسق للطاقة الكهربائية من المولدات الموزعة، ومن ناحية أخرى يستدعي الطلب المتزايد باستمرار على الطاقة تغييرات جذرية في كيفية توليد الطاقة وتسليمها إلى المستخدمين النهائيين، كذلك؛ فإن الحقن غير المنسق للطاقة الكهربائية من المولدات الموزعة القائمة على مصادر الطاقة المتجددة، كما يميل إلى زعزعة استقرار شبكة الطاقة، مما قد يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي.

ولمعالجة هذه المشاكل؛ أظهر العمل الأخير أنه يمكن استخدام موارد الطاقة الموزعة (DERs) بشكل فعال لتعزيز كفاءة الشبكة الكهربائية، كما نتج عن هذا العمل البحثي اقتراح العديد من تقنيات تحسين الشبكة وكل منها يستغل بعض البنية التحتية للاتصالات الحالية ويعتمد على إجراءات القياس الذكية، والسمة المشتركة لهذه التقنيات هي أن التحكم المنسق والذكي في قدرات التوليد الموزعة (من مصادر الطاقة المتجددة) لديه القدرة على تعزيز أداء الشبكة الكهربائية.

أثر الأحمال الكهربائية المنزلية على انخفاض جودة الطاقة

في هذا البحث، نستهدف الشبكات الصغيرة السكنية حيث يتصرف بعض المستخدمين النهائيين مثل (DERs)، وذلك من خلال استغلال الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والكتلة الحيوية و”الطاقة الحرارية الأرضية” وما إلى ذلك، وفي هذه الشبكات الصغيرة؛ فإنه يتم تجهيز كل (DER) عادةً بتخزين الطاقة الجهاز (أي بطارية) ويفترض أنه يلبي طلب الطاقة الخاص به.

وبالإضافة إلى ذلك، وخلال كل دورة شبكة؛ فإنه يمكن أن تقرر (DER) بشكل مستقل إما بيع جزء من الطاقة المخزنة لمورد الطاقة الرئيسي، والذي يتم تناوله كنقطة اقتران مشترك (PCC) أو مباشرة إلى بعض المستخدمين النهائيين المختارين (الأحمال)، وبدون بدون أي تنظيم إضافي؛ تبيع (DERs) كل طاقتها إلى الوكلاء لضمان أعلى الإيرادات.

ومع ذلك قد يؤدي ذلك إلى نقاط تشغيل غير فعالة للشبكة، على سبيل المثال فقدان طاقة التوزيع العالي أو مشاكل عدم الاستقرار، بحيث يمكن لتقنيات التحكم (DERs) منع ذلك عن طريق تقليل فقد طاقة التوزيع بشكل كبير وإراحة (PCC) من بعض حمل الطاقة ومنح الاستقرار، ووفقاً لهذه الاستراتيجيات، وبعد الرضا عن الحمل المحلي؛ يقوم المستخدمون النهائيون بضبط حقن الطاقة الخاصة بهم في شبكة الكهرباء لتقليل فقد طاقة التوزيع وإجمالي الطلب على الطاقة من التيار الكهربائي.

نموذج النظام الكهربائي وحالات الاستخدام المطلوبة

في هذا القسم، يتم تقديم سيناريوهات الكهرباء والاتصالات والسوق، بحيث تم وصف بعض حالات الاستخدام ذات الصلة، والتي توضح كيف يمكن توصيل تقنيتي التحسين الكهربائي من الدراسات في إطار التحسين المقترح على وجه الخصوص، بحيث نحدد متطلبات الاتصال والبنية التحتية اللازمة لدعم النموذج المقترح، كما ونناقش التفاعلات بين الوكلاء المعنيين.

نظرة عامة على طراز النظام الكهربائي المقترح

قبل الخوض في التفاصيل العملية للبنى التحتية للكهرباء والاتصالات والسوق، بحيث يتم تقديم نظرة شاملة لنموذج النظام، كما يوضح الشكل التالي (1) مثالاً عالي المستوى للسيناريو الذي تم تناوله في هذه الدراسة، كما من المفترض أن يكون (PCC) لديه سعة توليد طاقة غير محدودة، ولهذا السبب؛ فإنه لا يتم النظر في حالات انقطاع التيار الكهربائي في الحالات التالية.

كما يريد (PCC) أيضاً تعزيز كفاءة شبكة الطاقة وفقاً لهدف محدد يتم تحديده وكذلك وفقاً لحالة الاستخدام المحددة، على سبيل المثال تقليل خسائر توزيع الطاقة واستقرار التردد الكهربائي والطلب على الطاقة ومستوى الذروة وما إلى ذلك.

• تحليل النطاق الكهربائي: هنا نعتبر شبكة صغيرة ذات جهد كهربائي منخفض الحالة ثابتة (1)، ولسهولة الحساب وبدون فقدان التعميم؛ تم تصميم الشبكة المدروسة كشجرة موجهة، بحيث يمثل جذر الشجرة نقطة اقتران مشترك (PCC) وتمثل العقد الأخرى الأحمال الكهربائية وموارد الطاقة الموزعة (DERs).

كما يتم نمذجة الأحمال إما عن طريق ممانعات معقدة ثابتة أو بمصادر تيار ثابت، بحيث يتم نمذجة (PCC) كمولد جهد يحدد مراجع الجهد والطور للشبكة الكهربائية بأكملها، بينما يتم نمذجة (DERs) إما كمولدات طاقة أو تيار، وهنا  يتم افتراض أن (PCC) قادر دائماً على تزويد الشبكة بالطاقة اللازمة.

كما يوضح الشكل التالي (2) مثالاً لشبكة الطاقة، كما يتم الإشارة إلى (DER i = 1،2) والحمل (j = 1،2) على التوالي بواسطة (Gi ،Lj)، كما من المفترض أن يكون لخطوط التوزيع قسم ثابت، وبالتالي فإن؛ لكل خط مقاومة ثابتة لكل وحدة طول، بحيث يتم الإشارة إلى طول خط التوزيع (z -th) بواسطة (Bz)، كما تم تجهيز كل (DER) بجهاز تخزين طاقة بحجم محدود، على سبيل المثال بطارية قابلة لإعادة الشحن، بحيث يحدد حجم أجهزة تخزين الطاقة المقدار الإجمالي للطاقة المتاحة.

• نطاق الاتصال: تم تجهيز كل عقدة، أي الأحمال (DERs ،PCC) في الشبكة بجهاز إرسال واستقبال، بحيث يعتمد أداء الاتصال الخاص به على متطلبات تقنية التحسين الكهربائي المختارة، ومع ذلك لا يتم اعتبار هذه التفاصيل هنا ولا أساسية لحل مشكلة التحسين المقدمة، وفي الواقع يعد إطار التحسين الخاص بنا مستقلاً عن تقنية الاتصالات والبنية التحتية المحددة، طالما أنها تسمح بالاتصال ثنائي الاتجاه في الوقت المناسب بين كل زوج من العقد.

• نطاق السوق: نقترح سيناريو السوق حيث يمكن لكل (DER) إما بيع قوتها الفائضة إلى (PCC) أو مباشرة إلى الأحمال، بحيث يتم تحديد الإيرادات النقدية التي يحصل عليها كل (DER) عن طريق بيع جزء من طاقته إلى (PCC) من خلال سعر الشراء الأحادي الذي تفرضه (PCC)، كما يتم تحديد الإيرادات النقدية التي يحصل عليها كل (DER) عن طريق بيع طاقته مباشرة إلى حمولة معينة من خلال سعر البيع الأحادي الذي يفرضه (DER)، بحيث يمكن لكل (DER) تحديد سعر بيع مختلف لكل حمل، أي أن هذا السعر لا يتحكم فيه (PCC).

وأخيراً في هذه الدراسة تم تقديم نموذج السوق الأصلي للشبكات الذكية، بحيث يراعي الإطار المقترح بشكل مشترك الفوائد الاقتصادية للمستخدمين النهائيين وتعظيم كفاءة الشبكة الكهربائية، كما تم وصف هذا النموذج رسمياً على أنه مشكلة تحسين متعددة الأهداف غير محدبة، والتي تم تحويلها بعد ذلك إلى مشكلة محدبة من خلال تحويل حيوي قائم على البرمجة الهندسية، بحيث تم وضع سياسات التداول والخصم الأمثل باريتو من خلال حل الصيغة المحدبة المكافئة، كما تم ابتكار حل مركزي ولا مركزي فيما بعد.