د. الرقاد محمد سيد إبراهيم
ملخص
يمكن أن تمثل الشبكات المصغرة المعزولة القائمة على مصادر الطاقة المتجددة حلا اقتصاديا فعالا بالنسبة للمناطق النائية والمعزولة التي تنعدم فيها الشبكة الرئيسية. تشكل تغيرات التردد والضغط عوائق رئيسية بالنسبة للشبكات المصغرة بسبب الطبيعة المتقطعة للموارد المتجددة مثل سرعة الرياح وإشعاع الطاقة الشمسية الكهروضوئية. ينبغي المحافظة على تغيرات التردد والطاقة ضمن انحرافات ضعيفة بهدف الاشتغال الثابت لنظام الشبكة المصغرة. يتركز هذ البحث حول دراسة الشبكات الصغيرة وإبراز أهميتها في مجال انتاج الطاقة كونها حل فعال لمشاكل انقطاع الكهرباء وتزويد المناط المعزولة بطاقة نظيفة صديقة للبئه.
Abstract
The isolated Microgrid based renewable energy sources can be considered as a suitable and efficiency economical solution for the remote area where the main grid is not available. The frequency and power deviation is a serious problem for the microgrid system because of the intermittent nature of renewable energy generation such as wind speed and solar radiation. The frequency and power fluctuation must be kept within small deviations in the object the correct operation of microgrid. This paper is focused on the study of the microgrid and it’s important in the domain of the power production and as efficiency solution of the power interruption and to supply the isolated area by the green and renewable power.
1. مقدمة:
تعتبر البلدان النامية مثل البلدان الواقعة في أفريقيا وجنوب الصحراء،أقل استفادة من الحصول على الكهرباء. في هذه المرحلة من التطور ، حتى لو تم تنحية مخاوف البيئة والسلامة المتعلقة بالكهرباء على نطاق واسع باستخدام الوقود الأحفوري والطاقة النووية ، فإن الاستثمار الرأسمالي المطلوب لتوسيع نظام الطاقة المركزية التقليدية للوصول إلى معظم السكان يجعل مثل هذا الاقتراح محظورًا يعيق التنمية بسبب نقص القدرة الشرائية وانخفاض مستويات متوسط الاستهلاك بين السكان غير العاملين
تم تطوير تطبيقات مماثلة لتقنيات الطاقة المتجددة مثل الخلايا الكهرومائية الصغيرة والخلايا الكهروضوئية ومولدات الرياح صغيرة النطاق جيدًا وتم نشرها على نطاق واسع في العالم النامي ن أجل حل مشاكل الطاقة في المناطق البعيدة المعزولة والفقيرة. أصبحت التقنيات والنماذج التشغيلية لمولدات محركات الاحتراق التقليدية القائمة على الوقود المتجدد مثل الكتلة الحيوية والديزل الحيوي والنفايات الزراعية قابلة للتطبيق من خلال العديد من المشاريع الإيضاحية. علاوة على ذلك ، تم استخدام أنظمة هجينة صغيرة تعتمد على تشغيل مولدات محركات الديزل جنبًا إلى جنب مع أنظمة الطاقة الشمسية و / أو طاقة الرياح على نطاق واسع في التطبيقات السكنية خارج الشبكة. حتى في عدم وجود مواقع بعيدة، بدلاً من توسيع الشبكة الكلية، تعد الشبكة الصغيرة المستقلة بالفعل خيارًا مفضلًا لتوسيع نطاق وصول الكهرباء إلى السكان ذوي القوة الشرائية المحدودة. يصاحب الحصول على الكهرباء في هذه المرحلة من التنمية مستويات متواضعة من الاستهلاك الفردي وعوامل قدرة منخفضة للمعدات، ولكن في الوقت نفسه، يعتبر الإمداد بالكهرباء عاملاً رئيسيًا لتحقيق أهداف تنموية أوسع بما في ذلك التعليم والرعاية الصحية والتجارة. علاوة على ذلك، فإن الانتشار المحدود للشبكة الصغيرة المستقلة المحلية لا يمنع التوسع المستقبلي للشبكة العامة. الأكثر إثارة للاهتمام من منظور الهندسة الكهربائية هو السؤال عن كيفية تطور الشبكة العامة بشكل مختلف في مثل هذه البيئة.
كيف ستبدو الشبكة العامة كحل لاحتياجات الطاقة في منطقة نائية؟ ما هي التحديات التي تواجه تكامل المصادر المتجددة ؟ ما هي استراتيجيات التحكم المثلى في نظام طاقة الشبكة الصغيرة؟
2. تعريف الشبكات الصغيرة
يمكن تعريف Microgrid على أنه ربط بين مصادر الطاقة الموزعة والأحمال الموزعة محليًا ، مثل مولد توربينات الرياح ، والنظام الكهروضوئي ، والتوربينات الصغيرة ، وأنظمة طاقة التخزين. يعرض الشكل 1 بنية بسيطة لشبكة يتكون من مجموعة من المغذيات الشعاعية كجزء من نظام التوزيع. يمكن تقسيم الحمل المحلي إلى أحمال حساسة / حرجة ولا توجد أحمال حساسة / غير حرجة عبر مغذيات منفصلة. تحتوي كل وحدة تغذية على وحدة تحكم في تدفق الطاقة وقاطع دائرة بأمر من مدير الطاقة أو وحدة التحكم المركزية. تقوم نقطة اقتران مشتركة (PCC) بتوصيل Microgrid بنظام التوزيع عبر مفتاح ثابت (SS) ، ويمكن لهذا الأخير ربط MG عند حدوث أعطال أو حدوث طارئ أو لأغراض الصيانة.
3.مزايا الشبكات الصغيرة
واحدة من أكثر مزايا أنظمة Microgrid هي تركيبها في أماكن مطالب تجعلها اقتصادية وصديقة للبيئة حيث يتم إنتاج الكهرباء بواسطة وحدات توليد الطاقة المتجددة مثل مولد توترات الرياح والنظام الكهروضوئي وخلية الوقود وما إلى ذلك. [3 ، 23]. لتصميم نظام Microgrid ، يوجد جيلان أو أكثر من أجيال الطاقة المتجددة جنبًا إلى جنب دائمًا مع أجهزة التخزين والمصادر التقليدية لتوصيل الكهرباء إلى الحمل المتصل وضمان استمرارية الخدمة [4].
الظروف الجوية أساسا الإشعاع الشمسي وسرعة الرياحوالحمل المتقطع والمتغير مع مرور الوقت كلها عوامل يجب أخذها بعين الاعتبار في انشاء الشبكة الصغيرة التي تعتمد علي مصادر الطاقة المتجددة . يؤثر التغيير في التردد والطاقة المنتجة بسببظروف الطقس والطلب على الطاقة المتعلقةبظروف حياة الإنسان علي استقرار واستمرارية تشغيل الشبكة الصغيرة. تمت مناقشة هذه القضايا من خلال بعض الدراسات كما في [23-24] والتي توضح فائدة الجمع بين أكثر من مصدر للطاقة المتجددة جنبًا إلى جنب مع أجهزة التخزين والمصادر التكميلية مثل محرك الديزل وخلية الوقود. تظهر العديد من التكوينات على أنها أفضل تكوين لشبكة تضمن استمرارية الخدمة الكهربائية مع حساسية أقل لتغير ظروف الطقس واضطرابات الأحمال. يعزز استخدام نظام تخزين الطاقة من استقرار الشبكة الدقيقة عن طريق امتصاص فائض الطاقة الذي يمكن أن يؤدي إلى عدم التوازن بين التوليد والأحمال ويطلقون الطاقة المخزنة لاحقًا عندما يكون حمل الطاقة أقل من التوليد أثناء الليل أو في الأيام الملبدة بالغيوم . من ناحية أخرى ، يتم استخدامها للتحكم في انحرافات التردد والطاقة في ظل تغير الأحمال ومشاكل المناخ. المصادر اللينة المستخدمة لمساعدة المصادر المتجددة الأولية لضمان استمرارية النظام في انتاج الطاقة .
4. تحديات ومشاكل الشبكات الصغيرة
مشاكل التحكم في Microgrid المتعلقة بمراحل مختلفة من التشغيل في كل من النموذج المعزول والوضع المتصل. على الرغم من أن تطوير وتركيب الشبكات الصغيرة لا يزال في مرحلة التطور ، إلا أنه توجد بالفعل خطط يتم وضعها لتوسيع العمليات الاقتصادية على مستوى النقل باستخدام مشغلي نظام النقل (TSOs) إلى مشغلي أنظمة التوزيع (DSOs) حيث يمكن أن تعمل كمحطة توليد من حيث عملها. من حيث المبدأ ، يمكن أن تساهم DERs في توفير جميع الخدمات الكهربائية التي تقدمها TSOs. الدراسات السابقة المنجزة التي حددت أربعة تحديات تنظيمية رئيسية بسبب معدلات الصرف الموزعة: حساب الأجر المسموح به لشبكات التوزيع في ظل وجود أعداد كبيرة من معدلات الصرف الموزعة ، وحساب رسوم الشبكة لمجموعة متنوعة من مستخدمي الشبكة الذين لديهم قيود وصفية محددة ، وتعريف مناسب للجديد. دور DSOs مع توفير خدمات الكهرباء ، مع العديد من الجهات الفاعلة الجديدة على الموردين والمستهلكين ، وأخيراً إدارة المستوى الجديد من التعقيد في تنسيق DSOs و TSO.
يمكن تلخيص هذه المشاكل في ثلاثة محاورين:
- مشاكل تذبذبات التردد شدة الكهرباء
- عشوائية الطاقة الواردة من مصادر الطاقة المتجددة
- مشاكل حماية الشبكات الصغيرة
5.الخاتمة
تنتج الشبكات الكهربائية التقليدية طاقة كهربائية باستخدام وحدات طاقة مركزية ، مثل الزيت النووي أو الحراري أو الأحفوري. في هيكل الشبكة المركزي هذا ، تستضيف شبكات التوزيع المستهلكين فقط وتتدفق الطاقة من مستويات الجهد العالي نحو نقاط الجهد المنخفض. وبالتالي، فإنه يمنع فقط مشغلي النظام من ضبط مستوى الجهد في اتجاه تدفق طاقة واحد.
تعتبر الشبكات الصغيرة المعتمدة علي مصادر الطاقة المتجددة حلا نموذجيا لمشاكل انتاج وتوزيع الطاقة علي نطاق واسع.
6.المراجع
1] Arra, Ankith Reddy. Modelling and stability analysis of AC and DC microgrids. Diss. 2015.
[2] Su, Wencong. Microgrid modeling, planning and operation. Diss. Virginia Tech, 2009.
[3] Sen, Sachidananda, and Vishal Kumar. "Microgrid modelling: A comprehensive survey." Annual Reviews in Control (2018).
[4] Zohuri, Bahman. Hybrid energy systems: Driving reliable renewable sources of energy storage. Springer, 2017.
[5] Rashid, Muhammad H., ed. Power electronics handbook. Butterworth-Heinemann,2018, Pages 725-765
[6]Coal Facts 2006 Edition with 2005 Data, Technical Annual Report of World Coal Institute, 2006.
[7] International Energy Outlook, Technical Report by the Energy Information Administration, Official Energy Statistics Direct Federal Financial Interventions and Subsidies in Energy in Fiscal Year 2016 April 2018
[8] Bevrani, Hassan, et al. "Intelligent frequency control in an AC microgrid: Online PSO-based fuzzy tuning approach." IEEE transactions on smart grid 3.4 (2012): 1935-1944.
[9]Sechilariu, Manuela, and Fabrice Locment. Urban DC Microgrid: intelligent control and power flow optimization. Butterworth-Heinemann, 2016.
[10] Wang, Baochao. Intelligent control and power flow optimization of microgrid: energy management strategies. Diss. Compiègne, 2013.
[11] El-Hendawi, Mohamed, et al. "Control and EMS of a grid-connected microgrid with economical analysis." Energies 11.1 (2018): 129.
[13] Department of Energy, Loan Program Office, http://energy.gov/lpo/loan-programs-office, accessed January 20, 2015 and EIA, Direct Federal Financial Interventions and Subsidies in Fiscal Years 2010, July 2011, Table 29.
[14] De Castro, Carlos, et al. "Global wind power potential: Physical and technological limits." Energy Policy 39.10 (2011): 6677-6682.
[15] De Castro, Carlos, et al. "Global solar electric potential: A review of their technical and sustainable limits." Renewable and Sustainable Energy Reviews 28 (2013): 824-835.
[16] Global, British Petroleum. "BP statistical review of world energy June 2017." Relatório. Disponível em: http://www. bp. com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy. html (2017).
[17 ] Bevrani, Hassan, Masayuki Watanabe, and Yasunori Mitani. "Microgrid Control: Concepts and Classification." (2014).
[18] Bevrani, Hassan, Bruno François, and Toshifumi Ise. Microgrid dynamics and control. John Wiley & Sons, 2017.chapter Microgrids: Concept, Structure, and Operation Modes
[19] Moreira, C. L., and JA Peças Lopes. "Microgrids operation and control under emergency conditions." Smart Power Grids 2011. Springer, Berlin, Heidelberg, 2012. 351-399.
[20] Magdy, Gaber, et al. "Supplementary Frequency Control in a High-penetration Real Power System by Renewables Using SMES Application." Journal of Electrical Systems 15.4 (2019).
[21] Gandomi, Amir Hossein, et al. "Metaheuristic algorithms in modeling and optimization." Metaheuristic applications in structures and infrastructures (2013): 1-24.
[22] Li, Minqi. "World energy 2017-2050: Annual report." Department of Economics, University of Utah (2017).
[23]Boden, Tom A., Gregg Marland, and Robert J. Andres. "Global, regional, and national fossil-fuel CO2 emissions." Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy, Oak Ridge, Tenn., USA doi 10 (2009).
[24] H. Bevrani, Robust power system frequency control, Switzerland, 2nd edition, 2014
[25] Venkataramanan, Giri, and Chris Marnay. "A larger role for microgrids." IEEE power and energy magazine 6.3 (2008): 78-82.
الكاتب:
الركاد محمد سيد إبراهيم حاصل على درجة الماستر بتقدير مشرف جدا والمرتبة الأولي علي دفعته في مجال أنظمة الهندسة الكهربائية من جامعة معسكر بالجزائر في عام 2016. وحاصل علي شهادة الدكتوراه في الطاقة الكهربائية والجهد العالي من جامعة حسيبة بن بوالي الشلف بالجزائر بتقدير مشرف جدا. تركز اهتماماته البحثية على النموذجة والتحكم الأمثل لنظام الطاقة الكهربائية ، إلى جانب تقنيات وخوارزميات التحسين المتقدمة.
كانت إسهاماته البحثية هي تصميم ونموذجة الشبكة الصغيرة القائمة على مصادر الطاقة المتجددة التحكم الأمثل(Optimal Control)في أنظمة الطاقة الهجينة. وقد حصل على العديد من الخبرات التعليمية والإرشادية الغنية والمجزية خلال الدراسات العليا. ونشر عدة بحوث في مجلات دولية محكمة وشارك في ملتقيات دولية ووطنية حول الطاقة المتجددة والتحكم الأمثل في مصادر الطاقة باستعمال الذكاء الاصطناعي.
