كيف يدعم تخزين البطاريات على نطاق الشبكة أنظمة الطاقة الحديثة؟

يُعد تخزين الطاقة بالبطاريات على نطاق الشبكة أحد أصول نظام الطاقة القابلة للتحكم، حيث يمكنه امتصاص الكهرباء وتخزينها لاستخدامها لاحقًا، وإعادتها عند حاجة الشبكة للطاقة أو عند حدوث تغيير في التيار الكهربائي. ولا يقتصر دوره على تخزين فائض الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح فحسب، بل قد يلتزم المشروع أيضًا بتعليمات التشغيل، أو يدعم التردد أو الجهد، أو يدير قيودًا محلية، أو يحفظ سعة احتياطية لأحداث تشغيلية محددة. والسؤال المهم ليس فقط حجم البطارية، بل كيفية عمل قدرتها وطاقتها وأنظمة التحكم فيها وربطها بالشبكة معًا.

ما الذي يميز تخزين الطاقة بالبطاريات على نطاق الشبكة؟

عادةً ما تخدم أنظمة التخزين التجارية مبنىً أو مصنعًا أو مجمعًا سكنيًا خلف عداد الكهرباء الخاص بالعميل. أما أنظمة تخزين البطاريات على نطاق الشبكة، فتعمل عادةً كأصل متصل مباشرةً بعداد الكهرباء أو كجزء من محطة توليد طاقة. وقد تخضع قرارات الشحن والتفريغ فيها لتعليمات شركة الكهرباء، أو جداول السوق، أو إنتاج الطاقة المتجددة، أو ظروف الشبكة، بدلاً من فاتورة الكهرباء الخاصة بموقع واحد.

يعتمد التمييز على طبيعة العمل والربط، وليس على عتبة سعة موحدة. يمكن لبطارية مصنع كبيرة أن تبقى خلف العداد، بينما قد تؤدي منشأة أصغر في محطة فرعية محدودة القدرة وظيفة الشبكة. وتؤثر قواعد الحماية والقياس وتصميم المحولات والاتصالات والربط البيني جميعها على ما يمكن أن يفعله المصنع.

كيف تنتقل الكهرباء عبر نظام تخزين الطاقة بالبطاريات على نطاق الشبكة؟

تسري الطاقة عبر مسار كهربائي، بينما تسري تعليمات الإرسال عبر مسار تحكم. ويجب أن يظل كلاهما متناسقًا. لا يمكن لأمر صحيح أن يُنتج الاستجابة المطلوبة إذا وصلت البطارية أو نظام تحويل الطاقة أو المحول أو لوحة التوزيع أو وصلة الشبكة إلى حدها الأقصى.

مسار الشحن

أثناء الشحن، قد تأتي الكهرباء من الشبكة أو من محطة طاقة شمسية أو رياح قريبة. في نظام التوصيل بالتيار المتردد، يصل التيار المتردد إلى نظام تحويل الطاقة عبر معدات التوصيل. يقوم نظام تحويل الطاقة بتحويله إلى تيار مستمر ضمن حدود جهد وتيار البطارية. أما محطات الطاقة المتجددة المتصلة بالتيار المستمر فتستخدم مسار تحويل مختلف. يقوم نظام إدارة البطارية بفحص جهد الخلية ودرجة حرارتها وتيارها وحالة شحنها وأي أعطال قبل السماح بالطلب.

لا يرتبط تحديد أسعار الطاقة دائمًا بانخفاض الأسعار. قد تستوعب محطة توليد الطاقة إنتاجًا متجددًا كان سيتم تقليصه لولا ذلك، أو تتبع جدولًا زمنيًا محددًا، أو توفر مساحة قبل ذروة الإنتاج المتوقعة. ويحدد الهدف مقدار الطاقة التي يجب أن تبقى متاحة.

مسار التفريغ

أثناء التفريغ، تنعكس العملية. تُزوّد ​​البطارية طاقة التيار المستمر ضمن الحدود التي يحددها نظام إدارة البطارية (BMS). يقوم نظام تحويل الطاقة (PCS) بتحويل هذه الطاقة إلى تيار متردد متوافق مع الشبكة ويتحكم في خرج الطاقة الفعال وغير الفعال. ثم يمر التيار الكهربائي عبر مفاتيح التبديل، وأجهزة القياس، وأجهزة الحماية، وعادةً عبر محول رفع الجهد قبل الوصول إلى المحطة الفرعية أو نقطة الربط البيني.

لا يمكن للمحطة تصدير أي قيمة مطلوبة ببساطة. فتقييم نظام تحويل الطاقة، وحالة البطارية، وسعة المحول، والاستهلاك الإضافي، وإعدادات الحماية، واتفاقية الربط البيني، كلها عوامل تحدد النطاق العملي. ولا تؤكد الطاقة الاسمية وحدها القدرة الكهربائية القابلة للتوصيل عند نقطة الربط بالشبكة.

مسار التحكم

قد تُصدر جهة تشغيلية، أو منصة سوق، أو وحدة تحكم في المصنع هدفًا تشغيليًا. يقوم نظام إدارة الطاقة (EMS) بترجمته إلى تعليمات شحن، أو تفريغ، أو وضع الاستعداد، أو الاحتياطي. يوفر نظام التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) حالة المصنع، والإنذارات، والتواصل مع المشغل. يُحدد نظام إدارة البطارية (BMS) حدود البطارية الآمنة، وينفذ نظام التحكم في الطاقة (PCS) الأمر المعتمد.

إذا تجاوز طلب نظام إدارة الطاقة (EMS) الطاقة المسموح بها بناءً على درجة حرارة البطارية أو حالة شحنها، فإن الحد الآمن له الأولوية. ولا يمكن لهدف الشبكة تجاوز حماية البطارية. وينطبق التسلسل الهرمي نفسه على الطاقة التفاعلية، والجهد، والتحكم في معامل القدرة، وحدود التصدير.

ما هي تطبيقات تخزين الطاقة في الشبكة التي تتطلب أوضاع تشغيل مختلفة؟

لا تفرض تطبيقات تخزين الطاقة في الشبكة نفس القدر من المتطلبات على البطارية. فبعضها ينقل الطاقة لساعات، بينما يتطلب البعض الآخر تغييرات متكررة في الطاقة. يجب أن تحدد مواصفات المشروع المهمة الأساسية وتوضح كيفية توزيع المهام الثانوية للسعة.

تحويل الطاقة ودمج مصادر الطاقة المتجددة

تُخزّن تقنية تحويل الطاقة الكهرباء في فترة زمنية وتُطلقها في فترة أخرى. في حالة الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، يمكن للبطارية امتصاص جزء من فائض الإنتاج وتفريغه بعد انخفاض الإنتاج. وتعتمد قيمة تخزين الطاقة المتجددة على نطاق الشبكة على عوامل مثل الإنتاج، وسعة الشبكة، وتقليص الإنتاج، وقواعد التوزيع، والمدة الزمنية.

لا يضمن تخزين الطاقة المتجددة في البطاريات استمرارية توليد الطاقة المتغيرة. فالطاقة المخزنة محدودة، وقد تتجاوز فترات انخفاض الإنتاج الممتد فترة التفريغ المخطط لها. لذا، تبقى التوقعات وإعدادات الاحتياطي مهمة.

استجابة التردد واحتياطيات التشغيل

يتطلب دعم التردد تغييرات في الطاقة الفعالة استجابةً لإشارة الشبكة. قد يزيد النظام من التفريغ، أو يقلل من الشحن، أو يمتص طاقة إضافية، وذلك بحسب الحدث وقواعد السوق. كما تتطلب احتياطيات التشغيل الاحتفاظ بالقدرة بدلاً من استخدامها في تداول الطاقة الروتيني.

تتطلب هذه الخدمات ضوابط معتمدة، واتصالات موثوقة، وعدادات مناسبة، وسعة كافية في كلا الاتجاهين. لا تستطيع البطارية المشحونة بالكامل استيعاب المزيد من الطاقة، بينما لا تستطيع البطارية ذات الشحن الأدنى تحمل المزيد من التفريغ.

دعم الجهد والشبكة

قد يقوم نظام التحكم في الطاقة بتنظيم القدرة التفاعلية أو العمل على تحقيق هدف الجهد أو معامل القدرة عندما تسمح بذلك المعدات واتفاقية الشبكة. تُعتبر القدرة الفعالة والقدرة التفاعلية متغيرات تحكم منفصلة. يُعد التحكم في معامل القدرة هدفًا يتم تحقيقه بشكل أساسي عن طريق تغيير القدرة التفاعلية؛ ولا يحل محل توزيع القدرة الفعالة.

تشمل تطبيقات تخزين الطاقة في الشبكة الأخرى سعة الذروة، وإدارة الازدحام، والتحكم في زيادة الطلب. ولا يُفترض بدء التشغيل من الصفر، أو التشغيل المستقل، أو الانتقال السلس. فهي تتطلب قدرة على تشكيل الشبكة، ومعدات تحويل، ومنطق حماية، وطاقة مساعدة، وتسلسلًا معتمدًا.

لماذا تُعتبر كل من الميغاواط والميغاواط ساعة والمدة مهمة بشكل منفصل؟

تقيس الميغاواط القدرة: أي سرعة شحن النظام أو تفريغه. بينما تقيس الميغاواط ساعة الطاقة: أي كمية الكهرباء المتاحة على مدار فترة زمنية. ويربط بينهما عامل المدة. ببساطة، تُحسب ساعات التشغيل عند تلك القدرة بقسمة الطاقة القابلة للاستخدام على قدرة التفريغ، قبل احتساب الفاقد ومتطلبات الاحتياطي.

لهذا السبب، يُعدّ الفرق بين الميغاواط والميغاواط ساعة في تخزين البطاريات مسألة تصميم مشروع وليست مجرد مصطلحات. قد يتطلب استجابة التردد طاقة عالية مع حركة طاقة محدودة. وقد يتطلب تحويل الطاقة المتجددة في المساء فترة تفريغ أطول. كما أن النظام المصمم لغرض معين قد لا يمتلك نسبة الطاقة إلى القدرة المناسبة لغرض آخر.

يجب تقييم الميغاواط مقابل الميغاواط ساعة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة في الوقت المناسب. يؤثر كل من خرج نظام تحويل الطاقة، وفقدان الطاقة في المحول، والأحمال المساعدة، ونطاق الشحن المتاح، والاحتياطي على كمية الطاقة التي تصل إلى الشبكة. ينبغي على المشترين مقارنة الأداء المضمون في ظل ظروف تشغيل محددة، وليس سعة الخزان فقط.

كيف يتم توصيل أنظمة تخزين البطاريات على نطاق المرافق العامة والتحكم بها؟

يُحدد الاتصال الكهربائي الحدود المادية؛ بينما تُحدد بنية التحكم كيفية عمل المحطة داخلها. ويجب تصميم كليهما وفقًا لقواعد الشبكة نفسها، وواجبات التشغيل، وتوزيع المسؤوليات.

التوصيل والحماية الكهربائية

تتضمن الوصلة النموذجية صناديق أو حاويات البطاريات، ووحدات تحويل الطاقة، والمحولات، ومفاتيح الجهد المتوسط ​​أو العالي، ومرحلات الحماية، والعدادات، والطاقة الاحتياطية، وواجهة المحطة الفرعية. ويعتمد الترتيب الدقيق على جهد المشروع، وسعته، وتصميم الموقع، ووجود أنظمة احتياطية، والمتطلبات المحلية.

ينبغي أن توفر الحماية عزلاً للأعطال دون انقطاعات غير ضرورية على مستوى المصنع بأكمله. يجب أن تدعم أنظمة القياس عمليات التسوية وفحوصات الأداء. في حال تقييد التصدير، يستخدم نظام التحكم في الطاقة العكسية العدادات ومنطق التحكم للكشف عن الاتجاه وتعديل الخرج قبل تجاوز الحد المتفق عليه.

الإرسال والإشراف وحدود التشغيل

تشكل أنظمة إدارة الطاقة (EMS) وأنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) وأنظمة إدارة المباني (BMS) وأنظمة التحكم الشخصية (PCS) طبقات تحكم مترابطة ولكنها متميزة. شرح واضح لـ أدوار PCS وBMS وEMS يساعد ذلك على منع تداخل المواصفات. ثم يضيف نظام SCADA الإشراف على مستوى المصنع، وإمكانية وصول المشغل، وسجلات الأحداث، والتواصل مع أنظمة التحكم الخارجية.

ينبغي أن يحدد تصميم نظام التحكم ملكية الأوامر، وأولوية الحدود، وسلوك فقدان الاتصال، والعودة إلى الخدمة بعد انقطاع الاتصال. كما ينبغي أن يوضح ما إذا كان يتم التحكم في القدرة الفعالة، أو القدرة غير الفعالة، أو الجهد، أو التردد، أو معامل القدرة. ويمكن أن تصف المسميات المتشابهة مهامًا مختلفة.

ما الذي يحد من أداء تخزين الشبكة في العالم الحقيقي؟

لا يمكن لأنظمة تخزين البطاريات واسعة النطاق تخصيص نفس السعة لجميع الخدمات في الوقت نفسه. فالطاقة المحجوزة لذروة الاستهلاك المسائية لا تُتاح للتفريغ المبكر إلا إذا تغير الجدول الزمني. وقد يؤدي تخصيص هامش احتياطي للاستجابة للتردد إلى تقليل حجم تداول الطاقة. لذا، يتطلب تجميع الخدمات تحديد أولويات واضحة.

يمكن أن تؤدي درجة الحرارة، وحالة الشحن، وتوازن الخلايا، والتقادم، وحدود نظام تحويل الطاقة، وحمل المحول، والطلب على الطاقة الإضافية إلى انخفاض الإنتاج. كما أن دورات الشحن والتفريغ المتكررة تُغير السعة القابلة للاستخدام. لذا، ينبغي مراعاة زيادة السعة، والاحتياطي، وسهولة الوصول للصيانة، وضمانات التوافر قبل تثبيت التصميم.

تُشكّل ظروف الشبكة حداً آخر. فقد تمنع شروط الربط البيني، وقواعد السوق، والاتصالات، أو القياس، محطةً قادرةً على تقديم الخدمة. وتتطلب عمليات تشكيل الشبكة، ودعم الجهد، ووظائف الاستعادة، هندسةً وموافقةً منفصلتين.

ما الذي يجب على المطورين تحديده قبل اختيار النظام؟

قبل مقارنة المعدات، يجب على فريق المشروع تحديد ما يلي:

• الخدمة الأساسية وأي إيرادات ثانوية أو واجبات تتعلق بالموثوقية؛
• الميغاواط المطلوبة، والميغاواط ساعة القابلة للاستخدام، ومدة التفريغ، وحالة الشحن الاحتياطية؛
• الدورات المتوقعة، ونمط التدرج، ومدخلات الشحن؛
• جهد الشبكة، ونقطة الربط البيني، وحدود التصدير، ونطاق الحماية؛
• متطلبات القدرة الفعالة، والقدرة غير الفعالة، والجهد، ومعامل القدرة؛
• واجهات نظام إدارة الطوارئ ونظام التحكم الإشرافي وجمع البيانات، وسلوك فقدان الاتصال، وملكية البيانات؛
• الحدود البيئية، والإدارة الحرارية، والحماية من الحرائق، وإمكانية الوصول إلى الخدمات؛
• افتراضات التدهور، واستراتيجية التحسين، وطريقة اختبار الأداء.

في شركة صن واي، نستخدم مدخلات المشروع هذه لتضييق نطاق التصميم المعماري قبل اختيار تصنيفات المعدات. ويمكن للمطورين مراجعة نطاق أوسع. خيارات تخزين الطاقة على نطاق المرافق بمجرد أن يصبح واجب التشغيل وواجهة الشبكة واضحين.

خاتمة

يدعم تخزين الطاقة بالبطاريات على نطاق الشبكة أنظمة الطاقة الحديثة من خلال نقل الطاقة عبر الزمن وتغييرها استجابةً لاحتياجات الشبكة. ولا يقتصر أداؤه على سعة البطارية فحسب، بل يشمل أيضًا قدرة نظام تحويل الطاقة، والمحولات، والحماية، والتحكم، والقياس، واستراتيجية الاحتياطي، وموافقة الشبكة، وكلها عوامل تُؤثر في النتيجة النهائية.

يبدأ أي مشروع ناجح بتحديد خدمة معينة، وعلاقة واقعية بين الميغاواط والميغاواط ساعة، وهيكل تنظيمي واضح. للحصول على الدعم في ترجمة هذه المتطلبات إلى بنية نظام، ناقش واجبات التشغيل المطلوبة مع فريق مشروعنا.

التعليمات

س: كيف يعمل تخزين البطاريات على نطاق الشبكة؟

ج: يتم شحنها من الشبكة أو محطة توليد الطاقة، وتخزن الطاقة في بطاريات، وتفرغها عبر نظام تحويل الطاقة عند الحاجة. يقوم نظام إدارة الطاقة ونظام التحكم الإشرافي وجمع البيانات بتنسيق الهدف، بينما يحافظ نظام إدارة البطارية على التشغيل ضمن حدود البطارية الآمنة.

س: كيف يتم ربط أنظمة تخزين البطاريات واسعة النطاق بشبكة الكهرباء؟

ج: عادةً ما يتم ربط المشروع عبر معدات نظام تحويل الطاقة، والمحولات، ومفاتيح التوزيع، ومرحلات الحماية، والعدادات، ونقطة ربط محددة. ويعتمد التصميم على الجهد، والسعة، وقواعد الشبكة المحلية، والحماية، والخدمات المطلوبة.

س: لماذا يلزم استخدام كل من الميغاواط والميغاواط ساعة عند تحديد تخزين الشبكة؟

أ: تُعرّف الميغاواط (MW) طاقة الشحن أو التفريغ. بينما تُعرّف الميغاواط ساعي (MWh) الطاقة المخزنة على مدار الزمن. وكلاهما ضروري لأن خدمات الشبكة السريعة ونقل الطاقة لفترات أطول يفرضان متطلبات مختلفة على الطاقة، والاحتياطي، والتدوير.