قد يبدو الأمر غير بديهي بالنسبة للمشغلين الذين هم على دراية بأساليب إدارة الشبكة التقليدية، ولكن المفتاح لتحقيق الاستقرار في التأثيرات المزعزعة للاستقرار لمزيد من مصادر الطاقة المتجددة على الشبكة هو المزيد من مصادر الطاقة المتجددة.
يعد الحفاظ على استقرار الشبكة هو الأولوية الأولى لمشغلي الشبكات، وعلى مدار القرن الماضي، ظهرت تقنيات واستراتيجيات مختلفة وتم تنفيذها للمساعدة في إدارة الأحمال وتنظيم التردد والقدرة على البدء الأسود، من بين أمور أخرى. تم تصميم معظم هذه الحلول للعمل مع شبكة تتميز بالقصور الذاتي العالي الذي توفره المولدات الدوارة. ومع ذلك، مع زيادة عدد موارد الطاقة الشمسية الكهروضوئية وغيرها من موارد توليد الطاقة القائمة على العاكس على الشبكة، فإنها غالبًا ما تحل محل المولدات الدوارة، مصدر القصور الذاتي العالي، مما يترك مشغلي الشبكات الذين لديهم أنظمة صغيرة ومجزأة لإدارة شبكات منخفضة القصور الذاتي باستخدام أدوات مصممة للشبكات ذات القصور الذاتي العالي. هذا لا يعمل.
إحدى المشاكل الكبيرة التي تواجه أنظمة الجزر ذات القصور الذاتي المنخفض هي أن معدل تغير التردد (RoCoF) يكون أسرع على شبكة منخفضة القصور الذاتي مقارنة بالشبكة ذات القصور الذاتي العالي. وهذا يعني أن معدل الاستجابة لتصحيح انحراف التردد يجب أن يحدث خلال أجزاء من الثانية على شبكة منخفضة القصور الذاتي، في حين يمكن للشبكة ذات القصور الذاتي العالي الاعتماد على هذا القصور الذاتي لحملها خلال أول خمس إلى عشر ثوانٍ قبل الحاجة إلى إعادة التوازن. إن الطرق التقليدية لتنظيم التردد، مثل استجابات المولدات وفصل الأحمال، ليست بالسرعة الكافية للشبكات ذات القصور الذاتي المنخفض.
ولمكافحة هذه المشكلة، يلجأ مشغلو الشبكات ذات القصور الذاتي المنخفض إلى الحلول التقليدية، مثل زيادة عدد مولدات الغزل التي تعمل بالوقود الأحفوري للتعويض عن الانخفاض في قصور النظام. بعد ذلك، نظرًا لأنهم بحاجة إلى الحفاظ على تشغيل المولد الإضافي حتى يكون جاهزًا للاستجابة لمثل هذا الحدث، وهذا المولد ينتج الكهرباء، يلجأ المشغلون إلى تقليص الطاقة المتجددة المولدة من مواردهم القائمة على العاكس لأن لديهم الآن فائضًا من إمدادات الطاقة. بالإضافة إلى إهدار الطاقة المتجددة المولدة، يخلق هذا النهج حلقة مفرغة تضيف التكرار والنفقات غير الضرورية، وتتعارض مع المبادرات البيئية ومبادرات الاستدامة.
قد يبدو الأمر غير بديهي بالنسبة للمشغلين الذين هم على دراية بأساليب إدارة الشبكة التقليدية، ولكن المفتاح لتحقيق الاستقرار في التأثيرات المزعزعة للاستقرار لمزيد من مصادر الطاقة المتجددة على الشبكة هو المزيد من مصادر الطاقة المتجددة. والمفتاح لإدارة المزيد من مصادر الطاقة المتجددة هو وجود برمجيات على شكل وحدة تحكم دقيقة وعالية السرعة. يمكن لمصادر الطاقة المتجددة تعويض القصور الذاتي المفقود من خلال تقديم القصور الذاتي الاصطناعي (synthetic inertia) في شكل استجابة ترددية سريعة أو سريعة، ووحدة التحكم هي العقل المدبر وراء اكتشاف اضطرابات الشبكة وضمان إرسال الموارد القائمة على العاكس في غضون أجزاء من الثانية لإعادة توازن أي انحرافات.
جزء مهم من هذا النهج هو دمج نظام تخزين طاقة البطارية (BESS). يعمل BESS كممتص للصدمات قادر على امتصاص أو إطلاق الطاقة من/إلى الشبكة للتعويض عن التغيرات في الإنتاج أو الحمل أو التردد. عندما يتم إقران BESS مع وحدة تحكم متطورة عالية السرعة، يمكن استدعاء BESS لأداء وظائف إضافية لإدارة الشبكة، مما يزيد من عائد الاستثمار الخاص بها. تتضمن وظائف BESS الإضافية ما يلي:
- تحويل الطاقة (Energy shifting): امتصاص الطاقة الشمسية الكهروضوئية الزائدة خلال فترات الإنتاج العالي وإرسالها خلال فترات الإنتاج المنخفضة. وهذا يقلل من الحاجة إلى التقليصات، ويستحوذ على الطاقة المولدة التي كان من الممكن أن تُفقد لولا ذلك، ويزيد من القدرة على الاستجابة لارتفاع الطلب.
- التحكم في المنحدر (Ramp control): إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية متقطع ويمكن أن يكون متغيرًا بدرجة كبيرة أثناء الأحداث الجوية عندما يمكن أن يتسبب الغطاء السحابي في ارتفاع وانخفاض سريع في إنتاج الطاقة. يمكن لـ BESS أن يمتص تلك القمم ويصعد الوديان لتسهيل واستقرار إنتاج الطاقة.
- تنظيم التردد (Frequency regulation): يعد توفير استجابة تردد سريعة لمعالجة RoCoF الحاد على الشبكات ذات القصور الذاتي المنخفض بمثابة مفاجأة حيث يمكن إرسال طاقة BESS على الفور لمعالجة انحراف التردد.
يتطلب الأمر وحدة تحكم متعددة المستويات وعالية السرعة لإدارة جميع حالات الاستخدام هذه في بطارية واحدة. يجب أن تكون وحدة التحكم قادرة على إنشاء خطة مسبقًا تأخذ في الاعتبار متطلبات أحمال الشبكة المتوقعة وتكون قادرة على تكييف تلك الخطة استجابة للأحداث الجارية. بدون هذا النوع من قدرة المعالجة المتوازية التي يمكنها التعلم والتخطيط والفرز والأوامر، قد يكون BESS ممتلئًا عندما يحتاج إلى الاستيعاب ويستنزف عندما يحتاج إلى الإرسال. بالطبع، من الممكن أن يكون لديك وحدات BESS مخصصة لكل حالة استخدام، ولكن نظرًا لمقدار وقت التوقف عن العمل الذي تقضيه BESS في وضع الخمول بين حالات الاستخدام، فمن المنطقي تجميع جميع حالات الاستخدام في حالة واحدة. وهذا يوفر التكاليف الرأسمالية ويساعد في الحالات التي قد تكون هناك قيود مادية تمنع تركيب وحدات BESS المتعددة.
لقد كشفنا حتى الآن أن “السر” في الحفاظ على استقرار الشبكة المتجددة للغاية هو دمج وحدة تحكم BESS + متعددة المستويات وعالية السرعة في الشبكة. هل ستساعد محولات تشكيل الشبكة (grid-forming)؟
عندما يتعلق الأمر بالأدوات المصنوعة لشبكة القرن الحادي والعشرين، فإن محولات تشكيل الشبكة تظهر الكثير من الأمل. على عكس العاكسات التي تتبع الشبكة، لا تتطلب محولات تشكيل الشبكة شبكة تعمل بكامل طاقتها “للمتابعة” لتحديد نقاط التحديد الخاصة بها. وهذا يجعلها رائعة لإدارة الموارد القائمة على العاكس على شبكات منخفضة القصور الذاتي.
عند إقرانها بموارد متجددة مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو BESS، يمكن أن تساعد محولات تشكيل الشبكة في خدمات دعم الشبكة مثل البداية السوداء وإدارة التردد. ومع ذلك، هناك بعض الخدمات التي لا يمكنهم المساعدة فيها، والأسوأ من ذلك، عندما يتم تكوين محولات متعددة لتشكيل الشبكة على الشبكة، يمكنهم التنافس مع بعضهم البعض لمحاولة إعادة استقرار الشبكة بعد حدوث اضطراب، مما يؤدي إلى المزيد من زعزعة الاستقرار. لذلك، لا يمكنهم تقديم حل كامل لمشاكل الشبكة ذات القصور الذاتي المنخفض.
ما تحتاجه العواكس هو شيء مسؤول عنها جميعًا. وهنا يأتي دور وحدة التحكم متعددة المستويات مرة أخرى. تعمل وحدة التحكم متعددة المستويات وعالية السرعة على إنشاء وفرض تسلسل هرمي للتحكم على جميع موارد الطاقة في الشبكة، مما يمكّن كل مورد من المساهمة عند الحاجة، وفقًا لتوجيهات وحدة التحكم. يمكن أن تعمل مع كل من العاكسات التي تشكل الشبكة والتابعة وتتكامل مع الموارد الحالية للشبكة. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت وحدة التحكم على دراية بالشبكة والمعدات، فستضمن بقاء العمليات ضمن قيود النظام.
ومن خلال الرؤية على الشبكة بأكملها ومواردها، يمكن لوحدة التحكم متعددة المستويات اتباع نهج شامل واتخاذ قرارات في الوقت الفعلي تأخذ في الاعتبار قيود الشبكة وأولويات المشغل. ويؤدي ذلك إلى انقطاعات أقل وعمليات استعادة أسرع عند حدوث انقطاعات لا يمكن تجنبها.
يتعين على الجزر (Islands) الراغبة في تقليل اعتمادها على توليد الطاقة من الوقود الأحفوري أن تتخلى عن أساليب إدارة الشبكة التقليدية وأن تتبنى أدوات شبكة القرن الحادي والعشرين. تعد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وتوليد الرياح، والعاكسات عالية السرعة، وأنظمة BESS كلها جزءًا من مزيج التكنولوجيا الجديد، وعندما يتم دمجها مع وحدة تحكم متعددة المستويات وعالية السرعة، فقد تم إثباتها في بيئات الجزيرة في العالم الحقيقي.
في الختام، يتضح أن التحديات التي تواجه مشغلي الشبكات في الجزر ذات القصور الذاتي المنخفض يمكن تجاوزها باستخدام تقنيات حديثة وابتكارات متطورة. من خلال دمج أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS) مع وحدات التحكم متعددة المستويات وعالية السرعة، يمكن تحقيق استقرار الشبكة بفعالية وتعزيز الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة. كما أن استخدام محولات تشكيل الشبكة (grid-forming) يسهم في تحسين إدارة الشبكات منخفضة القصور الذاتي، مما يعزز من قدرتها على التعامل مع التحديات المستجدة في توليد الطاقة. تبرز هذه الحلول الحاجة إلى تبني أدوات وتقنيات القرن الحادي والعشرين لضمان استقرار وكفاءة الشبكات الكهربائية، مما يدفع نحو مستقبل أكثر استدامة وابتكارًا في مجال الطاقة المتجددة.
