الموثوقية والجدوى المالية للشبكة الصغيرة للطاقة الكهربائية

تقييم الموثوقية والجدوى المالية للشبكة الصغيرة للطاقة الكهربائية

أدى الطلب المتزايد باستمرار على الكهرباء بسبب النمو السكاني العالمي و”التوسع الاقتصادي” إلى زيادة الطلب على مصدر طاقة موثوق به، كما أن هناك تحديات بسبب النضوب السريع للرواسب العالمية للوقود الأحفوري، بحيث أدى “التلوث البيئي” وتغير المناخ بسبب انبعاثات غازات الاحتباس الحراري إلى جانب أسعار الوقود غير المتوقعة إلى استغلال مصادر الطاقة المتجددة (RESs) كبدائل موثوقة ومستدامة وغير ملوثة.

كما أن توفير مصادر طاقة عالية الجودة وموثوق بها للمستهلكين بتكلفة معقولة هو توقع كل مرفق، ومن ثم فقد حددت المرافق العالمية دمج الموارد المائية كخيار معقول لوضع مثل هذه الأحكام، كما أنه من المتوقع أن يزداد تغلغل مصادر الطاقة المتجددة في أنظمة الطاقة من (25٪) في عام 2017م إلى 85٪ في عام 2050م، كما ويتم هذا في الغالب من خلال استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية (الطاقة الشمسية الكهروضوئية) ومحطات الرياح (WP).

بحيث يعد التزويد بالكهرباء الموثوق به بمثابة داعم للتنمية الاجتماعية والنمو الاقتصادي والصحة والرفاهية المادية للأمة، بحيث تلعب الموثوقية دوراً مهماً في تصميم وتنفيذ وتشغيل نظام كهربائي، بحيث يمكن قياس أداء النظام الكهربائي بواسطة المرافق التي تستخدم مؤشرات الموثوقية، وهناك 80٪ من انقطاعات نقاط التحميل ناتجة عن فشل نظام التوزيع بدلاً من فشل الإرسال والتوليد.

أيضاً يمكن أن يكون تأثير الانقطاع شديداً على كل من المرافق والمستهلكين، بحيث تعاني المرافق من خسارة اقتصادية وتضرر سمعتها بينما يمكن أن يعاني المستهلكون من تلف معداتهم، كما ويمكن أن يتعرضوا لتلف المواد الخام ويعانون من فقدان الإيرادات والعمل، ونتيجة لذلك؛ فإن موثوقية نظام التوزيع تستحق الاهتمام في النظام الكهربائي، كما من الضروري إجراء مزيد من التحسينات على موثوقية نظام التوزيع.

كذلك تعمل الموثوقية كمعيار لتزويد الهيئات التنظيمية بالمعلومات الضرورية في البيئة غير الخاضعة للرقابة، بحيث يمكن أن تكون أنظمة التوزيع الشعاعي التقليدية أقل موثوقية بسبب مصدرها الوحيد، أيضاً يمكن أن يؤدي عطل في أي جزء من الشبكة إلى انقطاع النظام بأكمله بسبب عدم وجود جيل بديل، وبالتالي غالباً ما تكون مدة الانقطاع أطول في نظام التوزيع التقليدي أحادي الطور.

نمذجة النظام قيد الدراسة العلمية

تم تصميم ديناميكيات النظام لشبكة الشبكة الصغيرة، وذلك باستخدام مولد ديزل مع (RESs) و (BESS)، وذلك في بيئة (MATLAB / Simulink) في هذا العمل، كما تم التحقق من موثوقية نظام الطاقة في شبكة الشبكة الصغيرة باستخدام التقنية المقترحة، بحيث تم فحص أداء أربع دراسات حالة: مولد الديزل و مولد الديزل والطاقة الشمسية الكهروضوئية ومولد الديزل ومحطة الرياح ومولد الديزل والطاقة الشمسية الكهروضوئية.

كما وتجدر الإشارة إلى أن الطاقة المولدة من مصادر الطاقة المتجددة أثناء التشغيل العادي للشبكة الصغيرة لا تلبي الطلب، ومن هنا تم ادراج مولد ديزل في جميع الأحوال، كما أن هذا بمثابة دعم لـ (BESS)، بحيث يخزن (BESS) الطاقة الزائدة التي يتم استخدامها أثناء عجز التوليد، أيضاً يتم توصيل الوحدات بنواقل التيار المستمر باستخدام مكونات الطاقة الإلكترونية.

جدولة الطاقة لوحدة التحكم التنبؤية للنموذج التكيفي

يستخدم (AMPC) أفكاراً مشتركة في معالجة مشاكل الشبكات الدقيقة المعقدة ويستخدم هياكل شاملة في أشكال منظمة، كما يعتمد هذا العمل على تقنية التحكم في الشبكة الصغيرة بشكل تكيفي من أجل ضمان تحسين موثوقية مصدر الطاقة للمستهلك، بحيث تعمل وحدة التحكم التكيفية على مواءمة الطاقة في الشبكة، مما يسمح بالتوليد الأمثل لمصدر الطاقة من كل وحدة شبكة صغيرة.

أيضاً تقدم (AMPC) حلاً من خلال تشكيل التصميم الأمثل للتوليد والطلب وتخزين الطاقة لكل مثيل عينة تحسين، كما يقدم مثيل العينة التالي حلاً أمثلاً جديداً باستخدام الإخراج من الحل السابق كمدخل جديد، ومن الناحية النظرية، تولد آلية التغذية الراجعة تصميماً مثالياً يعتني بالاضطرابات التي تعمل على الشبكة الصغيرة، حيث أن المصادر الرئيسية لعدم اليقين أو الاضطرابات في نظام الشبكة الصغيرة هي الطاقة المولدة من مصادر الطاقة المتجددة (الناتجة عن سرعة الرياح والإشعاع الشمسي) والطاقة المطلوبة.

أيضاًِ؛ فإن وحدة التحكم التنبؤية النموذجية التقليدية (MPC) غير قادرة على إدارة الاختلافات في (RESs)، وبالتالي؛ فإن (AMPC) أكثر ملاءمة، بحيث يعمل هذا عن طريق تحديث النظام بالتغييرات التي تطرأ على ظروف التشغيل الداخلية، كما يوضح الشكلان (1 و 2) معمارية (AMPC) ومخطط انسيابي للخوارزمية، كما وتُعطى تعبيرات فضاء الحالة المستخدمة غالباً لنموذجة (AMPC).

حيث أن [x (t) و u (t) و y (t)] هي حالة شحن (BESS)، كما وتولد متغيرات متجهية للوحدات ومتجه الإخراج لحالة النظام على التوالي.

لذلك يصعب التنبؤ بالقوى المولدة والمطلوبة التي تسبب اضطراباً في الشبكات الصغيرة أثناء العمليات العادية، كما وتختلف مع الوقت ولا يمكن معالجتها بواسطة وحدة التحكم لأنها مدخلات خارجية في النظام، ومن ثم؛ فإن الاضطراب هو مشكلة يجب على وحدة التحكم التغلب عليها، بحيث يمكن دمج تأثيرات الاضطرابات على المخرجات في النموذج الديناميكي للسماح لوحدة التحكم بالتنبؤ بتأثيرها على أداء النظام، أيضاً يمكن إدراج تأثير الاضطراب [d (t)] في تصميم فضاء الحالة (AMPC).

لذلك يمكن التعبير عن معادلة النظام الديناميكي على النحو التالي:

حيث أن (Ed) هي المصفوفة التي تحسب تأثير الاضطرابات على الدول، كما أنه من خلال التفريق بين المعادلتين السابقتين بعينة زمنية (Ts)، يكون نموذج الفضاء الزماني المنفصل هو:

حيث تكون تعبيرات الوقت المنفصلة هي [x (t + 1) ، x (t) ،d (t) ، u (t) ، y (t)] أيضاً، (Ad ، Bd ، Ed) هي (eATs) و (∫Ts0eATsBdt) و (∫s0eATsEdt) على التوالي، للتصبح:

وأخيراً فقد تم اعتماد (RESs) (في شكل شبكة صغيرة) باستخدام طريقة (AMPC) من أجل الموثوقية والتحسينات الاقتصادية، بحيث توصف الشبكة الصغيرة بأنها كيان صغير لشبكة كهرباء ذات مصدر محلي يمكن أن يعمل بشكل مستقل (وضع الجزر) أو بالاشتراك مع الشبكة المركزية، كما يمكن أن يكون هذا أيضاً قائماً بذاته وهو مفيد للاستخدام في المناطق النائية المعزولة عن الشبكة المركزية بسبب الحواجز التشغيلية مثل المسافة وتكلفة الربط.

لذلك يعمل التشغيل القائم على الجزر على توفير المرافق من الخسائر الاقتصادية بالإضافة إلى تحسين موثوقية النظام والمنظور البيئي، بحيث تتمثل المزايا الاقتصادية للشبكة الصغيرة في أنها لا تتطلب استثمارات طويلة في خطوط النقل إذا كانت قائمة بذاتها وتكاليف تشغيلها وصيانتها منخفضة، بالإضافة إلى ذلك هناك خفض للانبعاثات.

بحيث تتكون شبكة الشبكة الصغيرة من الأحمال ووحدات التحكم والمصادر (على شكل محطة رياح أو توربينات غازية صغيرة أو الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو الطاقة الكهرومائية أو مولدات الديزل أو غيرها من المولدات)، كما يتكون نظام الشبكة الصغيرة المقترح في هذه الدراسة من مولدات الديزل والطاقة الشمسية الكهروضوئية ومحطة الرياح.