Multi-Time-Scale Coordinated Planning of Distribution Networks with High Penetration of Distributed Renewable Energy Considering Active–Reactive Power Coupled Flexibility and Voltage Risk
تقترح هذه الورقة طريقة تخطيط منسق متعدد المقاييس الزمنية لشبكات التوزيع النشطة تدمج مرونة القدرة الفعالة وغير الفعالة المقترنة والتحكم في مخاطر الجهد لتعزيز استيعاب الطاقة المتجددة بشكل كبير، وتقليل الهدر، وخفض إجمالي التكاليف السنوية على الرغم من زيادة الاستثمار.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تشهد الشبكة الكهربائية التي تغذي منازلنا وأعمالنا تحولاً هادئاً ولكنه عميق. لعقود من الزمن، كان تدفق الكهرباء يسير في اتجاه واحد: من محطات الطاقة الضخمة، عبر شبكة من الأسلاك، وصولاً إلى المستهلك. صُمم هذا النظام ليكون قابلاً للتنبؤ، حيث يعرف المهندسون بدقة مقدار الطاقة التي ستكون مطلوبة في أي ساعة معينة. أما اليوم، فقد أصبح هذا التدفق ثنائي الاتجاه وأقل قابلية للتنبؤ بكثير. فالألواح الشمسية فوق الأسطح وتوربينات الرياح المحلية تضخ الطاقة عائدة إلى الشبكة، لكن الشمس لا تشرق دائماً، والرياح لا تهب دائماً. وهذا يخلق تحدياً جديداً للأشخاص الذين يديرون هذه الشبكات: كيف يمكن الحفاظ على استمرار الإضاءة واستقرار الجهد الكهربائي عندما يكون مصدر الطاقة متغيراً باستمرار؟ لا يكمن الحل فقط في إضافة المزيد من الأسلاك أو البطاريات، بل في فهم الرقصة الدقيقة والسريعة بين الطاقة التي يتم إنتاجها والقوى غير المرئية التي تبقي تلك الطاقة تتحرك بأمان عبر الأسلاك.
قام فريق من الباحثين من شركة "State Grid Chengdu Power Supply" بتطوير طريقة جديدة للتخطيط لهذا المستقبل المليء بعدم اليقين. لقد ركزوا على مشكلة محددة: عندما تكون شبكة التوزيع مليئة بالطاقة المتجددة، فإن مجرد موازنة إجمالي كمية الكهرباء المنتجة والمستهلكة لم يعد كافياً. وجد الباحثون أن السرعة التي تتغير بها الطاقة تهم بقدر أهمية إجمالي كمية الطاقة نفسها. فمرور سحابة مفاجئة فوق مزرعة شمسية يمكن أن يسبب انخفاضاً سريعاً في الطاقة خلال ثوانٍ، بينما قد يحدث تغير بطيء في الطلب على مدار ساعات. وإذا لم تستطع موارد الشبكة الاستجابة بالسرعة المناسبة، فقد يرتفع الجهد أو ينخفض بشكل حاد، مما قد يؤدي إلى تلف المعدات أو حدوث انقطاعات في التيار. علاوة على على ذلك، فإن الأجهزة التي تولد هذه الطاقة، مثل العواكس (inverters) الموجودة في الألواح الشمسية، لها حد فيزيائي في كمية القدرة الفعالة (الطاقة التي تقوم بالعمل) والقدرة غير الفعالة (الطاقة التي تحافظ على استقرار الجهد) التي يمكنها توفيرها في آن واحد. فإذا كان اللوح الشمسي يعمل بكامل طاقته لإنتاج الطاقة، فإنه يمتلك قدرة أقل على المساعدة في استقرار الجهد.
ولحل هذه المشكلة، ابتكر الباحثون طريقة تخطيط تنظر إلى الشبكة عبر ثلاثة مقاييس زمنية مختلفة في وقت واحد: سريع، ومتوسط، وبطيء. لقد تعاملوا مع الشبكة ليس كنظام ثابت، بل كنظام ديناميكي يحتاج إلى أدوات مختلفة لسرعات تغيير مختلفة. بالنسبة للتقلبات السريعة التي تحدث في كل ثانية، اعتمدوا على العواكس الذكية والبطاريات سريعة الاستجابة. أما بالنسبة للتحولات الأبطأ التي تحدث ساعة بساعة، فقد استخدموا توربينات الغاز والاستجابة للطلب، حيث يوافق المستهلكون على تقليل استخدامهم عند الحاجة. ومن الأهمية بمكان أن نموذجهم يأخذ في الاعتبار أن هذه الموارد مرتبطة ببعضها البعض؛ فزيادة مخرجات القدرة الفعالة لجهاز ما غالباً ما تقلل من قدرته على توفير القدرة غير الفعالة اللازمة للحفاظ على استقرار الجهد. ومن خلال التخطيط لهذه الروابط مسبقاً، تمكنوا من تحديد مكان وضع المعدات الجديدة بدقة ومدى حجمها للتعامل مع السيناريوهات الأكثر صعوبة.
اختبر الفريق طريقتهم على نسخة محاكاة لشبكة توزيع حقيقية، وهي نظام تغذية مكون من 69 حافلة (bus feeder) يمثل شبكة محلية نموذجية. واستخدموا تقنيات حاسوبية متقدمة لتوليد آلاف الأنماط المحتملة للطقس والاستخدام، بما في ذلك الأحداث النادرة والخطيرة مثل الغطاء السحابي المفاجئ أو التغيرات السريعة في الأحمال. ومن بين هذه الأنماط، اختاروا 27 سيناريو ممثلاً لتوجيه تخطيطهم. وقارنوا نهجهم الجديد الواعي بالمخاطر بالأساليب القديمة التي كانت تكتفي بالنظر في الظروف المتوسطة أو تعاملت مع القدرة الفعلة وغير الفعالة بشكل منفصل. وكانت النتائج مذهلة؛ فبموجب الطريقة الجديدة، استطاعت الشبكة استيعاب كمية أكبر بكثير من الطاقة المتجددة. فقد زادت سعة طاقة الرياح من 0.96 ميجاوات إلى 1.18 ميجاوات، ونمت سعة الطاقة الشمسية من 0.56 ميجاوات إلى 0.74 ميجاوات.
وعلى الرغم من أن هذا التطوير تطلب استثماراً أولياً أعلى — حيث ارتفع من 1.05 مليون دولار إلى 1.39 مليون دولار — إلا أن التوفير على المدى الطويل كان كبيراً. فقد انخفضت التكلفة السنوية الإجمالية لتشغيل الشبكة بنسبة 18.16%، حيث تراجعت من 2.83 مليون دولار إلى 2.316 مليون دولار. وجاء هذا الانخفاض من التراجع الهائل في الطاقة المهدورة وتكلفة الإخفاقات المحتملة. كما انخفضت كمية الطاقة المتجددة التي كان يجب التخلص منها (curtailed)، أو إهدارها لأن الشبكة لا تستطيع التعامل معها، بنسبة 85.2%. وانخفض خطر عدم القدرة على تزويد العملاء بالطاقة بنسبة 92.4%. ولعل الأهم من ذلك هو أن النظام أصبح أكثر مرونة تجاه مشايات الجهد؛ فقد قاس الباحثون مخاطر انحرافات الجهد باستخدام مقياس يركز على أسوأ السيناريوهات، ووجدوا أن طريقة التخطيط الجديدة قللت بشكل كبير من احتمالية حدوث هذه الارتفاعات والانخفاضات الخطيرة في الجهد.
كما كشفت الدراسة أيضاً كيف يتغير تكوين الشبكة عند مراعاة هذه العوامل. فالخطة الجديدة اعتمدت بشكل أقل على توربينات الغاز الكبيرة بطيئة الاستجابة، وبشكل أكبر على الموارد الموزعة وسريعة الاستجابة مثل البطاريات والاستجابة للطلب. كما استدعت زيادة كبيرة في قدرات القدرة غير الفعالة للعواكس نفسها، مما يضمن أنه حتى عندما تنتج الألواح الشمسية أقصى طاقة لها، يمكنها المساعدة في استقرار الشبكة. ووجد الباحثون أنه من خلال تنسيق هذه الموارد المختلفة عبر المقاييس الزمنية السريعة والمتوسطة والبطيئة، يمكن للشبكة التعامل مع مستويات أعلى بكثير من الطاقة المتجددة دون المساس بالسلامة. وتشير النتائج إلى أن مستقبل الكهرباء الموثوقة لا يكمن في بناء أنظمة أكبر وأبطأ، بل في إنشاء شبكة مرنة، مستجيبة، ومدركة للعلاقة المعقدة بين الطاقة التي نستخدمها واستقرار الأسلاك التي تحملها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.