فهم الدور الجوهري للخدمات الإضافية في محاجر الطاقة الحديثة

وفي كل مرة تبدل فيها الضوء، تتوقع أن تتحول الأضواء فورا، وخلف ذلك العمل البسيط يكمن في عمل مركب ومتوازن في الوقت الحقيقي يقوم به مشغلي الشبكات، ويجب أن يحافظ نظام الطاقة على توازن دقيق بين الجيل والاستهلاك، وهو أمر معقد بسبب تقلبات الطلب غير المتوقعة، والناتج المتغير للمصادر المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، وهذا هو المكان الذي تتحول فيه خدمات الدعم إلى وظائف غير مسبوق بها.

وتشمل الخدمات الإضافية مجموعة من القدرات التقنية التي تكفل تشغيل نظام الطاقة السائبة في حدود مادية آمنة، وهي ليست الكهرباء نفسها، بل هي الطاقة التفاعلية ، ، القدرة الاحتياطية ، [[FAIT:4]]، إعادة تنظيم التوقيت الإلكتروني

وتوفر هذه المادة لمحة عامة شاملة وتقنية وإن كانت متاحة على الرغم من ذلك عن الخدمات الإضافية: ما هي، ولماذا هي، وكيف تتطور، والتحديات والفرص المقبلة، وسنتوسع في كل فئة رئيسية، والتكنولوجيات الناشئة التي تعيد تشكيل تقديم الخدمات، وآليات السوق التي تكفل توافر هذه الوظائف الأساسية عند الحاجة.

ما هي الخدمات الإضافية؟

وفي نظم الطاقة التقليدية، تنتج المولدات الكهرباء بوتيرة مطردة (نحو 50 أو 60 هرتز). أما الخدمات الفرعية فهي خدمات الدعم [(FLT:0] ] المطلوبة للحفاظ على التردد والسيطرة على التطاير، وضمان قدرة النظام على مواجهة حالات الطوارئ مثل خلل المولدات أو خط انتقال العدوى، وهذه الخدمات أساسية للحفاظ على موثوقية نظام الطاقة، وهي مكلفة بموجب مدونات الشبكة.

Indetrequency regulation (both primary, secondary, and tertiary control)
] - Voltage and reactive power control
- Operche reserves (spinning, non-spinning, and supplemental)
-

وهذه الخدمات يتم الحصول عليها عادة من خلال أسواق تنافسية أو عقود ثنائية، وتتماشى التكلفة بين جميع مستهلكي الكهرباء لأن كل مستخدم يستفيد من شبكة مستقرة، ومع زيادة تعميق التعمق، ستتضح التفاصيل التقنية وتصميمات السوق.

لائحة التردد: الجريدو 817؛

ومن الملاحظ أن تنظيم التردد هو أكثر الخدمات الإضافية أهمية، إذ يجب أن يظل تردد الشبكة في نطاق ضيق (مثل 60 0.036 هرتز في الوصل الشرقي للولايات المتحدة).

Primary frequency response] occurs automatically within seconds via birth governors that adjust output based on droop settings. This arrests the frequency change after a disturbance. ] Secondary frequency response [often managed by Automatic Generation Control, AGC] restores frequency over generationminal minutes

With solar and wind displacing coal and gas, the amount of inertia on the grid is declining. Inertia from sening electricitys naturally slows frequency changes. To compensate, grid operators now purchase synthetic inertia] from bat storage and converter- frequency to renewable plants. For instance, [FLT guidance:17]

مراقبة التذبذب ودعم الطاقة التفاعلية

ويجب أن يظل التحلل في حدود التشغيل الآمنة عبر شبكة النقل والتوزيع، وعلى عكس التردد، الذي هو مظلة على نطاق المنظومة، فإن الفولطية ظاهرة محلية، ويدار عن طريق التحكم في حقن أو استيعاب [الطاقة التفاعلية] ولا تؤدي القوة التفاعلية عملاً مفيداً بل هي مطلوبة للحفاظ على مستويات الفولطية التي تسمح بالتدفق الحقيقي.

وتوفر المولدات، والمكثفات المتزامنة، والمحاسبين الثابتين في مجال التحقق من النتائج، والأجهزة المرنة لبث المواد الوسيطة (FACTS) القدرة على الاسترجاع، وفي العديد من الأسواق، لا يتم شراء الدعم بالفولط من خلال الأسواق، بل يتم دمجه في اتفاقات ربط المولدات الكهربائية أو تكليف من جانب مشغلي النظم، وتختبر بعض الأسواق الناشئة أسواق خدمات متطورة تعمل على تحويل مسارات الطاقة إلى أسواق مركبة، لا سيما في تحفيز توفيرها الأمثل.

وتمنع المراقبة السليمة للفولط من إلحاق أضرار بالمعدات، وتخفض الخسائر في خطوط النقل، وتسمح بالعمل المستقر لممرات النقل، وبدون دعم كاف من طراز VAR، يمكن حدوث انهيار في الفول، مما يؤدي إلى انقطاع الكهرباء مثل انقطاع الكهرباء عن الشمال الشرقي في عام 2003، وتعتمد الشبكات الحديثة على مصادر القدرة التفاعلية الدينامية مثل STATCOMs وأجهزة التصدير على وجه السرعة.

احتياطيات التشغيل: شبكة الأمان للقرّ

احتياطي التشغيل هو القدرة الاحتياطية المتاحة للاستجابة عندما يفشل المولد أو خط النقل، وهي مقسمة إلى:
- [FLT:] احتياطيات التعبئة : قدرة الضبط المتزامنة والشبكة الإلكترونية، قادرة على التمزق في غضون 10 دقائق (أو أقل في بعض وحدات التبريد ISOs).

ويتوقف مقدار الاحتياطيات المطلوبة على حجم أكبر احتياطي واحد (مثلاً، محطة نووية كبيرة أو متقطعة) ومعايير الموثوقية مثل معيار N-1، وبالنسبة للشبكات ذات التغل المتجدد العالي، كثيراً ما تُزاد الاحتياجات الاحتياطية لتسديد الانخفاض غير المتوقع في إنتاج الرياح أو الطاقة الشمسية، فعلى سبيل المثال، نفذت المنظمة الدولية لتوحيد المقاييس (CAISO) [المنتج القابل للتداول]

الأهمية الحاسمة للخدمات الإضافية مع التكامل المتجددة

فالانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية يطرح تحديات كبيرة أمام استقرار الشبكة، وهذه المصادر هي غير قابلة للزراعة وغير مؤكدة ] - ولا تشرق الشمس دائماً، كما أن الرياح لا تهب دائماً، كما أنها قائمة على اللافقاريات [FLT frequency:3]، مما يعني أنها تفتقر إلى المزامنة المادية التي توفر المتزامنة التقليدية.

(أ) أن تصبح الخدمات الإضافية جسراً يسمح بارتفاع حالات الاختراق من مصادر الطاقة المتجددة دون التضحية بالموثوقية، مثلاً عندما يخفض مصرف السحاب فجأة الإنتاج الشمسي بمئات من الميغاوات، فإن احتياطيات التنظيم السريع - غالباً ما تكون من البطاريات - يجب أن تتراكم في ثوانٍ لمنع حدوث انخفاض في الترددات، وبالمثل، يمكن أن توفر أجهزة توليد الطاقة المتجددة الذكية دعماً تفاعلياً حتى عندما يكون إنتاج الطاقة الحقيقي منخفضاً.

وقد أظهرت الدراسات التي أجريت من مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) أنه مع تصميم السوق المناسب ونشر التكنولوجيا، يمكن للرياح والطاقة الشمسية أن توفر في حد ذاتها العديد من الخدمات الفرعية، مما يقلل الحاجة إلى توليد الطاقة التقليدية، وهذا عامل تمكين رئيسي لشبكة الطاقة النظيفة بنسبة 100 في المائة.

التحديات التي ينطوي عليها انخفاض معدلات الإصابة بالمرض وتسارع وتيرة الاضطرابات

As the share of inverter-based resources grows, the grid experiences faster frequency changes following disturbances. In continental Europe, grid operators have observed rate of change of frequency (RoFF) values that exceed traditional limits. This requires faster-acting reserves and new protection schemes. The solution includes:
-

كما يعيد مشغلو النظام تحديد منتجاتهم من الخدمات الإضافية بحيث تشمل الاستجابة السريعة جداً (<1 second) and ramping capabilities. For example, the UK National Grid has introduced ]]) للاحتواء الديناميكي ] - وهي خدمة تتطلب أصولاً للاستجابة في أقل من ثانية واحدة وتستمر لمدة 15 دقيقة، وهذه الخدمة تُقدم أساساً بواسطة البطاريات اليوم، مع بيان كيفية تطور الأسواق لتلبية احتياجات الاستقرار.

آليات السوق والمشتريات

Ancillary services can be purchasedd through several models, depending on the regulatory structure and market maturity:
- ]Vertically integrated facilities often include ancillary services as part of their planning and operations, with costs rolled into rates.[FLT frequency3] - [RCFLT:4]

وقد فتح أمر الاتحاد 888 (1996) والأمر 2000 الوصول إلى النقل وشجعا أسواق الخدمات المساعدة التنافسية، ومنذ ذلك الحين أصبحت الأسواق أكثر تطوراً، حيث أدخلت أسعاراً هامشية للمحميات في الموقع، ودمج الطاقة والخدمة المساعدة في الاستخدام المشترك للتقليل إلى أدنى حد من مجموع التكاليف، وفي عام 2024، نفذت الإدارة العامة المؤقتة Frequency Response قواعد السوق، التي تعكس التطور.

كما أن تخصيص تكاليف الخدمات الإضافية موضوع نقاش، ويدفع البعض بأن المولدات المتجددة ينبغي أن تدفع تكاليف الاحتياطيات اللازمة لدعمها، بينما يدعو آخرون إلى توسيع التكاليف الاجتماعية لأن الاستقرار يعود بالفائدة على الجميع، ويجب أن يتوازن تصميم السوق بين الكفاءة والإنصاف.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

وتتحول عدة تكنولوجيات إلى كيفية تقديم الخدمات المساعدة:

Battery Energy Storage Systems (BESS)

وقد أصبحت بطاريات الليثيوم -يون المصدر الغالب للتنظيم السريع للتواتر في أسواق كثيرة، ويمكنها الاستجابة في الألف ثانية، وتوفير التنظيم على حد سواء، وهي نموذجية وقابلة للتكدس، كما تستخدم شركة BESS في الاحتياطي العمودي، ودعم الفولط، ومرض الصدر الاصطناعي، حيث تستمر التكاليف في الانخفاض، فإنها تتنافس بشكل متزايد مع أجهزة ذروة الغاز التقليدية في القدرة الاحتياطية.

رد الطلب (التقرير الدوري الشامل)

ويمكن أن توفر الحمولات الصناعية الكبيرة والمباني التجارية وحتى الأجهزة المنزلية الذكية المجمعة خدمات مساعدة جانبية من الطلب، وبخفض الاستهلاك استجابة للإشارات الشبكية، تعمل إدارة السجلات والمحفوظات كمولد " افتراضي " ويمكن للبرامج أن توفر التنظيم (التعديلات المستمرة) والاحتياطيات الطارئة، ويتسارع نمو محطات توليد الطاقة الافتراضية في هذا الاتجاه.

مولدات كهربائية قابلة للتجديد تقدم خدمات المساعدة

ولدى توربينات الرياح الحديثة واللافتات الشمسية قدرات على التحكم في الطاقة التفاعلية، والحد من معدلات السطوح، بل وحتى توفير الاستجابة الأولية للتواتر باستخدام التداخل الاصطناعي (التي تُعدّ تحت الرقابة المتأنية على الإنتاج). وتحتاج الرموز المُحتَجَمة في العديد من البلدان الآن إلى هذه القدرات بالنسبة للنباتات الجديدة. يمكن أن توفر الطاقة الكهربائية الأولية التحكم في الترددات باستخدام التحكم في الإنتاج المكتشف بطريقة دينامية.

التلقائية المتقدمة، وتعلم الآلات

ويستخدم القائمون على إدارة شؤون المظالم نظام المعلومات الإدارية المتكامل لتحقيق الحد الأمثل من الجدول الزمني للخدمات الفرعية وإرسالها، والتنبؤ بالاحتياجات الاحتياطية استنادا إلى توقعات الطقس والحمولة، وتحديد أكثر مزيج من الموارد فعالية من حيث التكلفة، مثلا، يمكن لنماذج التعلم الآلي أن تتوقّع على نحو فعال مقابر الرياح واحتياطيات ما قبل الترسبات، وهذا أمر يصبح أساسيا مع تزايد عدد الموارد الموزعة.

مركبات كهربائية كقاعدة موارد

وتتيح تكنولوجيا المركبات إلى الشبكة إمدادات الطاقة الكهربائية أو امتصاص الطاقة لدعم الشبكة، وفي حين أن هذه المركبات لا تزال في مراحل مبكرة، فإنها توفر مصدراً هائلاً من القدرات المرنة التي يمكن أن توفر احتياطيات تنظيمية وحمولة بعد ذلك، إلا أن التحديات تشمل تدهور البطاريات، والتجميع، وقواعد المشاركة في السوق.

التحديات التي تواجه إدارة الخدمات المساعدة

وعلى الرغم من التقدم التكنولوجي، لا تزال هناك تحديات عديدة:

  • Market design complexity:] Attributing costs and benefits to different resources, especially when a single asset can provide multiple services, is difficult.
  • Regulatory fragmentation:] Different grid operators have different definitions and requirements for ancillary services, complicating cross-border coordination and investment decisions.
  • Aging infrastructure:] Many transmission networks lack the capacity to support large transfers of reserves over long distances, requiring investments in new lines and control systems.
  • Cybersecurity:] As ancillary services become more automated and rely on communication networks, the risk of cyberattacks on control systems and inverter-based resources increases.
  • Forecasting uncertainty:] Predicting the exact need for reserves in high-renewable grids is challenging. Over-procurement wastes money; under-procurement risks blackouts.

الاستنتاج: مؤسسة لجريمة موثوقة ومستدامة

فالخدمات الإضافية ليست إضافة اختيارية إلى نظام الكهرباء؛ فهي الأساس الذي تقوم عليه الموثوقية، وبما أننا نتقدم نحو مستقبل للطاقة المنزوعة الكربون ويهيمن عليه المتغيرات المتجددة، فإن أهمية هذه الخدمات لن تنمو إلا، وسوف تعتمد شبكة الغد على مزيج متنوع من الموارد - بما في ذلك البطاريات، والاستجابة للطلب، والمتحولون الذكاء، والجيل التقليدي المرن - الذين يعملون في إطار متضافر للحفاظ على الاستقرار من جانب متعهديول البرمجيات الثانية،

For further reading, refer to the FERC ancillary services overview and the ]U.S. Energy Information Administration’s reports on wholesale electricity markets].