فوائد التكوين الموزَّع من أجل تحقيق الاستقرار في النظام

مقدمة

وتواجه شبكات الطاقة الحديثة ضغوطا غير مسبوقة حيث أن مصادر الطاقة المتجددة تحل محل المصانع التقليدية للوقود الأحفوري، فاللوحات الشمسية، والاضطرابات الريحية، وتخزين البطاريات تتكاثر على مستوى التوزيع، ولكن طبيعتها المتقطعة واللامركزية تنطوي على تحديات جديدة للاستقرار، كما أن تجميع الجيل الموزع يوفر حلا واعدا: تجميع موارد الطاقة الصغيرة الحجم في شبكات منسقة تتصرف مثل كيان واحد يمكن التحكم فيه.

ما هو التكوين المُشَرَّع؟

ويشير التكتل الموزع إلى التجميع الاستراتيجي لمصادر الطاقة الصغيرة المتعددة - التي تقل عادة عن 10 ميغاوات لكل مجموعة منسقة يمكن إدارتها كمورد واحد، وخلافا للنموذج التقليدي لمحطات الطاقة الكبيرة والنائية التي تغذي نظاماً لنقل الطاقة من اتجاه واحد، فإن المجموعات تتيح تدفقات الطاقة ذات الاتجاهين والتوازن المحلي.

• صفائف التصوير الفلكي الشمسية ذات النطاقات الحرارية والكهربائية
• توربينات الرياح (على الشاطئ وبحر صغير)
• نظم تخزين الطاقة في البطاريات
• وحدات الحرارة والطاقة المشتركة
• محطات توليد الطاقة الكهرمائية الصغيرة
• خلايا الوقود والميكروتوربينات

وهذه الموارد مرتبطة بالهياكل الأساسية المتقدمة للاتصال والمراقبة، مما يتيح لها العمل بصورة متوحيدة لدعم تواتر الشبكة، والفولط، ونوعية الطاقة، ويمكن أن تحدث التكتلات في مغذي واحد، عبر مظلة فرعية، أو حتى عبر منطقة جغرافية أوسع، حسب الأهداف، وهي تحول في جوهرها إلى مجموعة غير متكافئة من المولدات غير القابلة للتنبؤ إلى أصول يمكن تشغيلها ويمكن أن يعتمد عليها مشغلو الشبكات.

How Clustering Differs from Traditional Aggregation

كما أن التجميع التقليدي، مثل محطات توليد الطاقة الافتراضية، يجمع أيضاً بين وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة، ولكن التجميع يركز بدرجة أكبر على ] التقريبية و التنسيق المحلي .

استحقاقات استقرار النظام

ويشتمل استقرار الأحشاء على استقرار التكرار واستقرار الترددات واستقرار الزوايا المزروعة، ويحسن التكتل الموزع بشكل مباشر جميع الأبعاد الثلاثة من خلال تنسيق قدرات الرقابة والاستجابة السريعة.

اللائحة المعززة للمجلد

(ب) إن التغير في التقلبات هو مشكلة مشتركة في شبكات التوزيع ذات التغلغل العالي في وحدات خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن تغيرات في الحمولات، حيث يمكن مثلاً أن ترفع نسبة التراكم في مجموعات من المواد الغذائية الشمسية (الكهرباء) خلال فترات التحميل الثقيلة

دعم الترددات وعزلة النزلة

(أ) استقرار الترددات مهدد عندما تكون المولدات التقليدية الكبيرة التي توفر دواراً في المياه الداخلية مشردة من الموارد القائمة على اللافقاريات، ويمكن للمجموعات أن تُحدث نقصاً في الخزن بواسطة أجهزة الصنع السريع وأجهزة التخصيب الاصطناعية، حيث يمكن للمجموعات أن تستجيب في الثانية عشرة، أو أن تُستخدم في تواتر أو استيعاب الطاقة الفعالة للاعتقال بمعدل التغير في القدرات الكلية (Rod).

انخفاض عدد حالات الاختزال

ويحدث ازدحام في نقل الطاقة عندما يتجاوز الطلب على النقل بالسلطة القدرة على الانتقال، مما يؤدي إلى اختناقات وفشل محتمل في التكتل، ويخفف التوليد الموزع من هذا الوضع من خلال تلبية الطلب المحلي بالعرض المحلي، وعندما توفر المجموعة مركز تحميل قريب، يقل التدفقات الحالية من خلال خطوط نقل بعيدة المدى، مما يقلل من الحمولات الحرارية وانخفاضات الفولطية، وهذا لا يؤدي فقط إلى تحسين الاستقرار بل يؤجل الحاجة إلى زيادة تكاليف النقل.

تحسين القدرة على التكيف من خلال الجزر

ومن أكثر الفوائد التي ينطوي عليها التجميع، القدرة على قطع الوصل عن قصد من الشبكة الرئيسية والعمل بصورة مستقلة أثناء الاضطرابات، ويمكن للمجموعة التي تم تصميمها جيدا أن تكتشف خطأ، وتفتح نقطة الانقلاب المشتركة، وتواصل خدمة حمولاتها الداخلية باستخدام الجيل المحلي والتخزين، مما يحول دون انتشار المرافق الأساسية ويكفل وجود مرافق حرجة، ونباتات معالجة المياه، وملاجئ الطوارئ التي لا تزال محتفظة بالطاقة.

تسكين جيل متجدد قابل للتغير

(د) يمكن تجميع مجموعات تجمع بين الموارد التكميلية - مثلاً البطارية الشمسية زائد البطارية أو الرياح بالإضافة إلى ملامح الإنتاج السلس الهيدروكاني الصغيرة، ويمكن أن تُحمَّل البطارية أثناء التكاثر الزائد والتصريف أثناء التلويث، في حين يمكن تجميع أنواع مختلفة من الموارد (مثل الرياح الليلية والشمس أثناء النهار) لتقليل الفرق الكلي.

الآليات التقنية

ويعتمد التجميع الفعال على عدة تكنولوجيات أساسية واستراتيجيات للمراقبة، فهم هذه الآليات أمر حاسم للتنفيذ.

الهياكل الأساسية للمراقبة المتقدمة

وتُستخدم ثلاثة نماذج رئيسية للتحكم في التجمعات: مركزية ]، ]، وتتوقف كل منها على عدم المركزية ، و]]]) تُوزَّع .

بروتوكولات الاتصالات والطابع

ويتطلب التنسيق في الوقت الحقيقي الاتصالات المنخفضة الدقة، إذ أن البروتوكولات مثل الاتفاقية الدولية للتداول بالمنح الفرعية، ورقم 3 من أجل الإدارة العامة للحسابات القومية، ورقم IE 2030.5 لإدارة وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة، هي بروتوكولات مشتركة، وتستخدم نهج جديدة 5G أو شبكات خاصة من أجل الانتقال إلى مرحلة الانتقال لتحقيق درجة حرارة دون العاشرة، وهي ذات أهمية حاسمة بالنسبة للاستجابة الأولية للتواتر، ويجب أيضا أن يتزامن مع تزامن الطوابع الزمنية باستخدام النظام العالمي لتحديد المواقع أو بروتوكول الحد الأقصى (Precision Time).

أجهزة إلكترونية وأجهزة إلكترونية ذكية

(ب) معظم وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة عن طريق المحافير، والمتحولين الذكيين هي الآفاق المستخدمة في التجميع، ويمكن للمتحولين الحديثين أن يضبطوا إنتاج الطاقة الحقيقي والرد الفعلي في غضون مهل زمنية مليئية، وأن يستجيبوا للقيادات المباشرة من متحكم في المجموعات، أو يعملون في أسلوب التحكم في الدروود (ترد على المولدات).

تخزين الطاقة كجهاز تثبيت

وكثيراً ما يكون تخزين البطاريات هو حجر الزاوية في مجموعة ما لأنه يمكن أن يستوعب الطاقة ويحقنها بسرعة، ويوفر التخزين استجابة سريعة للتواتر، وييسر الإنتاج المتجدد، ويمكِّن الجزر من ذلك، وفي مجموعة ذات تغل شمسي مرتفع، يمكن للبطارية التي تُبث في 20 إلى 30 في المائة من القدرة على إنتاج الفلول المضغوط أن تزيل على نحو فعال التقلبات القصيرة الأجل، ولكن التكنولوجيات الناشئة مثل البطاريات التدفقية وأجهزة التي توفر منافع تخزينية أطول مدة أو أعلى، مما توفره، مما يتيحه، مما يتيح إمكانية تحقيقه، مما يتيحه، مما يتيحه، مما يتيحه، مما يتيحه، ويزيد من فوائد.

الاستحقاقات الكمية لمشغلي النظام

وبالإضافة إلى المزايا النوعية، فإن التجميع يحقق تحسينات قابلة للقياس في قياسات الأداء الشبكي.

• Reduction in average voltage deviation:] 30-50% in distribution feeders with high DER penetration.
• Lower rate of change of frequency (RoCoF):] Clusters with storage can reduce RoCoF by 50-70% during contingencies, preventing under-frequency load shedding.
• Improved system average interruption frequency index (SAIFI):] Clustering with islanding capacity can lower SAIFI by 20-40% in areas with frequent weather-related outages.
• Reduction intom transmission loading:] Local clustering can cuttom loading on upstream transformers by 15-25%, reducing congestion costs.
• Economic savings:] Deferred transmission and distribution upgrades, reduced reserve requirements, and lower fuel costs from efficient local generation can save millions annually for large facilities.

وهذه الفوائد ليست نظرية، فقد أظهرت المشاريع الرائدة في أوروبا وأمريكا الشمالية وجود مجموعات تحسن استقرار الشبكة مع الحفاظ على التكاليف التشغيلية أو تخفيضها، وعلى سبيل المثال، قامت المجموعة التي تُشغل في بورسيلي ] (هولندا) بتجميع الرياح البحرية مع تخزين البطاريات لتوفير إنتصاب اصطناعي، مما أدى إلى تحسن بنسبة 60 في المائة في الازدواج التواتري عقب انقطاع مولد محاكا.

التحديات

ورغم المزايا الواضحة، فإن نشر جيل موزع على نطاق واسع يواجه عقبات عديدة.

تعقيد التنسيق التقني

ويقتضي تنسيق العشرات أو المئات من وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة المختلفة مقاييس متطورة، والاتصال الموثوق به، ومعدات للمراقبة القوية، وضمان أن تستجيب جميع الأجهزة استجابة صحيحة أثناء عمليات النقل السريع، عدم حدوث تداخل بين مختلف من يستعملون الصانعين منحرفين ومراقبين، مما يتطلب في كثير من الأحيان وصلات بينية أو مبرمجيات متوسطة، كما أن الأمن الحاسوبي حرج أيضاً: يمكن أن يؤدي وجود جهاز متحكم في المجموعات إلى انتشار عدم الاستقرار في الفترة من عام 2020(47).

الحواجز التنظيمية والأسواق

وقد صُممت أسواق كثيرة للكهرباء لتوليد الكهرباء بصورة مركزية وقابلة للإرسال، وقد لا تلائم المجموعات الهياكل التعريفية القائمة أو تعاريف الخدمات الإضافية، فعلى سبيل المثال، قد تحتاج مجموعة توفر استجابة أولية للتواتر إلى موافقة خاصة أو تصنيف جديد للخدمات، وكثيرا ما تكون قواعد القياس الصافية، ومتطلبات الترابط، وعمليات تخطيط المرافق العامة وراء التكنولوجيا، كما أن هناك حاجة إلى إصلاحات تنظيمية للسماح للمجموعات بالمشاركة في أسواق الجملة، والحصول على تعويض عن خدمات الاستثمار في إطار الهياكل الأساسية.

القدرة الاقتصادية على تحمل التكاليف

ويتطلب التجميع رأس المال الأولي لمعدات الاتصالات، والمراقبين، وربما التخزين الإضافي، وفي حين أن الفوائد الطويلة الأجل كبيرة، فإن التكاليف الأولية يمكن أن تكون باهظة بالنسبة للمرافق الأصغر أو المشاريع المجتمعية، وعلاوة على ذلك، فإن تخصيص التكاليف والفوائد بين المشاركين في المجموعات والشبكة الأوسع نطاقاً معقد، وبدون آليات منصفة لتقاسم التكاليف، قد يعارض بعض أصحاب المصلحة التكتلات.

أمن الفضاء الحاسوبي وخصوصية البيانات

وتزيد المجموعات الموزعة التي تحتوي على العديد من الأجهزة المرابطة على الإنترنت من مساحة الهجوم على التهديدات الإلكترونية، ويمكن للتدخل الناجح أن يتلاعب بالأماكن اللافقرية، أو يعطل التنسيق، أو حتى يسبب ضررا ماديا، وتشمل التخفيف التشفير، وتقسيم الشبكات، وكشف الاقتحام، وتأمين تحديثات البرمجيات، إضافة إلى جمع البيانات المفصلة عن إنتاج الطاقة واستهلاكها، وزيادة الشواغل المتعلقة بالخصوصية.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وتوضح عدة مشاريع رائدة الفوائد العملية للتجمع من أجل استقرار النظام.

Microgrid Clusters in California

ولم يمول برنامج كاليفورنيا للحوافز الذاتية () مجموعات متعددة من المصائد الصغيرة تجمع بين الطاقة الشمسية وخزن البطاريات والمولدات الاحتياطية، ومن الأمثلة البارزة على ذلك شبكة بوريغو سبرينغز الصغرى في مقاطعة سان دييغو، التي تعمل كمجموعة خلال فترات انقطاع الطاقة الكهربائية في القطاع العام.

المجموعات الأوروبية لمحطة الطاقة الافتراضية

وفي ألمانيا، تجمع شركة " فوستر " (FLT:0) (Next Kraftwerke) ) آلاف الغازات الأحيائية الصغيرة والشمس ووحدات الرياح في مجموعة تشارك في سوق الخدمات المساعدة الألمانية، وتوفر المجموعة طاقة متوازنة سلبية وإيجابية، وكثيرا ما تستجيب بسرعة أكبر من محطات الفحم التقليدية، وفي عام 2021، قدمت مجموعة من وحدات الاحتياط التقليدية التي تقل عن 10 ثوان لاحتواء عوامل الاحتباس الحراري.

تشكيل مجموعات منحرفين في هاواي

وقد قامت شركة هاواي، بشبكات جزرها وارتفاع معدل التغلغل الشمسي، بدور رائد في مجموعات المحارق التي تعمل على شبكة الإنترنت، حيث تعمل شركة كواي آيلاند للكهرباء (KIUC) على إنشاء مجموعة من 28 ميغاواط من مجموعة المواد الشمسية - المزودة بأجهزة تخزين تعمل بالطاقة الشمسية تستخدم أجهزة تحويل الشبكات لخلق مرجع ثابت للمجموعة بأكملها خلال ساعات الليل، وقد ألغت المجموعة الحاجة إلى محطات احتياطية للديزلت 30 في المائة.

التوقعات المستقبلية

وسيتوسع دور التكتلات الموزعة مع نمو التكنولوجيا وتراكم السياسات، وسيمكن التقدم في الاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلاتي من التنبؤ بالأخطاء التي تنجم عن التكتلات، والموارد التي تسبق الفرز قبل حدوث الاضطرابات، ويمكن أن تتيح تجارة الطاقة القائمة على السلاسل إمكانية نقل خدمات الاستقرار مباشرة مع مشغلي الشبكات أو حتى المجموعات المجاورة، مما يؤدي إلى إيجاد سوق للطاقة لا مركزية تماماً، بالإضافة إلى أن دمج المركبات الكهربائية في الحد الأقصى المتحرك.

وتتطور رموز نظام نقل الانبعاثات في جميع أنحاء العالم بحيث تتطلب قدرات ذكية منحرفة، ولتمكين المجموعات من تقديم خدمات مساعدة، وتقوم الشبكة الأوروبية لمشغلي نظام تحويل الانبعاثات (مركز التشغيل الوطني) بوضع نهج " نظام النظم " يعامل المجموعات كبنات بناء أساسية، وفي الولايات المتحدة، ييسّر الأمر 222 المتعلق بتجميع وحدات خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات في الأسواق الكلية، مما يمهد الطريق لتجميعها في الأسواق الأكبر.

بيد أن تحقيق هذا المستقبل يتطلب استمرار الاستثمار في أمن الفضاء الإلكتروني، والمعايير المشتركة، والتدريب على القوة العاملة، ويجب أن تنتقل المرافق من النظر إلى وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة بوصفها تهديدات محتملة لدمجها كأصول للاستقرار، مع التخطيط والتنفيذ المناسبين، يمكن أن يؤدي توزيع التكتلات إلى تحويل شبكات التكتلات الهشّة والعالية الثقيلة إلى شبكات مرنة وقابلة للتكيف قادرة على التعامل مع ما يؤدي إليه انتقال الطاقة.

وباختصار، فإن التجميع ليس مجرد ضرورة استراتيجية للشبكات التي يجب أن تدمج مصادر أكثر قابلية للتجديد مع الحفاظ على الموثوقية، كما أن الفوائد التي تعود على دعم استقرار النظام، وتنظيم التردد، والإغاثة في الازدحام، والقدرة على التكيف، هي تحديات حقيقية ولكن يمكن التغلب عليها، وكما تبين الدراسات الإفرادية التي تجري من كاليفورنيا إلى هاواي إلى ألمانيا، فإن العمل التكنولوجي واضح.