تخزين الطاقة على الشبكة: مفتاح تحقيق الاستقرار في مستقبلنا الذي يعمل بالطاقة المتجددة

مع ارتفاع الطاقة المتجددة العالمية، برزت تكنولوجيا تشكيل الشبكة كعامل تمكين حاسم يسمح للطاقة الشمسية وطاقة الرياح بأن تصبح مصادر طاقة أساسية موثوقة بدلاً من أن تكون مكملات متقطعة.

يمر مشهد الطاقة العالمي بأكبر تحول في القرن الحالي. فمع تجاوز توليد الطاقة المتجددة الآن 301 تيرابايت 3 تيرابايت في العديد من الأسواق، يواجه مشغلو الشبكات في جميع أنحاء العالم تحديات غير مسبوقة في الحفاظ على الاستقرار في ظل هذا التحول الجوهري. تعتمد أنظمة الطاقة التقليدية على المولدات المتزامنة التي توفر استقراراً متأصلاً من خلال القصور الذاتي الدوراني - وهي خاصية غير موجودة في مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

ادخل إلى تكنولوجيا تخزين الطاقة المشكّلة للشبكة (GFM)، وهو النهج الثوري الذي يسمح للموارد القائمة على العاكس بمحاكاة بل وتعزيز وظائف الاستقرار في محطات الطاقة التقليدية. لا يمثل هذا الابتكار مجرد تحسين تدريجي بل إعادة هيكلة أساسية لكيفية إدارة الشبكات الكهربائية في عصر الطاقة المتجددة.

تحدي استقرار الشبكة في عصر هيمنة الطاقة المتجددة

بينما يتسارع العالم نحو التخلص من الكربون، تعاني الشبكات الكهربائية من عوامل ضغط لم يكن من الممكن تصورها من قبل. فالشبكة التقليدية، المصممة لتدفق الطاقة في اتجاه واحد من المحطات المركزية الكبيرة، يجب أن تستوعب الآن التدفقات متعددة الاتجاهات من ملايين موارد الطاقة الموزعة. يخلق هذا التحول ثلاثة تحديات أساسية للاستقرار:

ويحدث عدم استقرار الجهد والتردد لأن موارد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح تفتقر إلى الكتلة الدوارة للمولدات التقليدية التي تخفف بشكل طبيعي من اضطرابات الشبكة. وفي نظام بعد نظام، ومع زيادة تغلغل الطاقة المتجددة، يبلغ مشغلو الشبكة عن حدوث زيادات متكررة في الجهد وانحرافات في التردد تهدد بحدوث أعطال متتالية.

وقد أصبحت ظاهرة "الشبكة الضعيفة" شائعة - لا سيما في المناطق النائية ذات الإمكانات العالية من الطاقة المتجددة ولكن البنية التحتية للشبكة محدودة. عندما تنخفض نسبة الدائرة القصيرة في الشبكة إلى ما دون العتبات الحرجة (عادةً <3)، لا تستطيع المحولات التقليدية الحفاظ على استقرار التشغيل، مما يجبر محطات الطاقة المتجددة على تقليص إنتاجها أو فصلها بالكامل.

ولعل أكثر ما يثير القلق هو انخفاض القصور الذاتي للنظام. توفر المولدات الحرارية والمائية التقليدية مقاومة متأصلة لتغيرات التردد من خلال كتلتها الدوارة. ومع سحب هذه الموارد من الخدمة، ينخفض القصور الذاتي للنظام، مما يعني أن تغيرات التردد تحدث بسرعة أكبر عندما يتغير توازن التوليد والحمل. وبدون تدخل، يؤدي ذلك إلى مخاطر غير مقبولة من حيث الموثوقية.

كيف تعيد تقنية تشكيل الشبكة تصوّر استقرار الشبكة من جديد

تختلف محولات تشكيل الشبكة اختلافًا جوهريًا عن المحولات التقليدية التي تتبع الشبكة في فلسفتها التشغيلية. فبينما تتطلب العاكسات التي تتبع الشبكة شكل موجة جهد مستقر لمزامنة وضخ الطاقة، فإن العاكسات التي تشكل الشبكة تخلق بشكل مستقل مراجع ثابتة للجهد والتردد يمكن أن تتبعها الموارد الأخرى.

تتيح هذه النقلة النوعية أربع وظائف استقرار حاسمة:

1. استقرار الجهد والتردد: تعمل عاكسات GFM على ضبط خرج الطاقة باستمرار للحفاظ على ظروف الشبكة الاسمية، مما يوفر قصورًا افتراضيًا يحاكي سلوك الكتل الدوارة.

2. القدرة على بدء التشغيل الأسود: على عكس مصادر الطاقة المتجددة التقليدية التي تتطلب اتصالاً بالشبكة الحالية، يمكن لأنظمة تخزين GFM إعادة تشغيل الشبكة المنهارة من ظروف التعتيم الكامل بشكل مستقل.

3. تشغيل الشبكة الضعيفة: تحافظ عاكسات GFM المتقدمة على استقرار الشبكة في سيناريوهات الشبكة الضعيفة للغاية (معدل دوران الشبكة المنخفض يصل إلى 1.0)، مما يتيح تطوير الطاقة المتجددة في المناطق التي كانت تعتبر غير مناسبة في السابق.

4. تثبيط التذبذب: يمكن لخوارزميات التحكم المتطورة في أنظمة إدارة المرافق العامة تحديد التذبذبات الناشئة في الشبكة وإخمادها قبل أن تتضخم وتتحول إلى مشاكل على مستوى النظام.

*الجدول 1: مقارنة بين تقنيات تتبع الشبكة مقابل تقنيات تشكيل الشبكة*

ريادة الصناعة: حلول Huawei للسيناريو الكامل لتشكيل الشبكة

لقد أدرك رواد الصناعة أن مواجهة تحدي استقرار الشبكة يتطلب حلولاً تغطي كل مستوى من مستويات النظام البيئي للكهرباء. وقد برزت شركة هواوي ديجيتال باور كرائدة في مجال الطاقة من خلال حل تخزين الطاقة الذكي على مستوى الشبكة FusionSolar 9.0، الذي يمثل أحد أكثر تطبيقات تكنولوجيا إدارة التمويل العالمي شمولاً التي تم نشرها على نطاق واسع.

يقدم هذا الحل ثلاثة تطورات مذهلة تتفوق على أنظمة الجيل السابق:

قدرات تشكيل الشبكة الحقيقية عبر السيناريوهات المختلفة

يوفر النظام ست وظائف أساسية لتشكيل الشبكة وهي: دعم تيار الدائرة القصيرة، ودعم القصور الافتراضي، وقمع التذبذب واسع النطاق، والاستجابة السريعة للتردد الأساسي، وبدء التشغيل على مستوى الدقائق، والتبديل السلس لتشغيل/إيقاف الشبكة. تضمن مجموعة القدرات الشاملة هذه الاستقرار عبر سيناريوهات التوليد والنقل والتوزيع والاستهلاك - وهو تقدم كبير مقارنةً بالنهج السابقة ذات السيناريو الواحد.

الذكاء الرقمي المتكامل

يتضمن تطبيق Huawei ما يطلقون عليه أول بنية تعاونية "سحابية طرفية طرفية" في الصناعة لمحطات الطاقة المتجددة (وكيل FusionSolar). ويتيح هذا النظام الإدارة الذكية لدورة الحياة الكاملة، بدءًا من التخطيط وحتى التشغيل، مما يوفر تحسينات قابلة للقياس في دقة البناء (401 تيرابايت 3 تيرابايت في تقليل الأخطاء)، والكفاءة التشغيلية (501 تيرابايت 3 تيرابايت في تحسين كفاءة الصيانة)، والعوائد المالية (101 تيرابايت 3 تيرابايت + زيادة في الإيرادات).

بنية السلامة متعددة الطبقات

وإدراكًا بأن السلامة هي أساس جميع عمليات الشبكة، يطبق الحل خمس طبقات من الحماية تشمل الخلايا وحزم البطاريات والمجموعات وأنظمة الحاويات وواجهات الشبكة. ويتضمن هذا النهج الشامل ما قد يكون أكثر بروتوكولات الاختبار صرامة في الصناعة - بما في ذلك اختبارات الاحتراق القصوى التي تم التحقق من صحتها من قبل أطراف ثالثة مستقلة حيث استمرت الأنظمة في العمل بأمان على الرغم من أحداث الهروب الحراري المتعمدة في المكونات الفردية.

التحقق من صحة العالم الحقيقي: مشاريع تشكيل الشبكات على نطاق واسع

المزايا النظرية لتكنولوجيا تشكيل الشبكة تجد ما يؤكد صحتها في المشاريع الرائدة في جميع أنحاء العالم التي تثبت الموثوقية الملموسة والفوائد المالية:

مشروع تبت علي 30 ميجاوات من الطاقة الكهروضوئية + 6 ميجاوات/24 ميجاوات ساعة تخزين على الشبكة

في بيئة التبت ذات الارتفاعات العالية والبرودة الشديدة في التبت، أتاح نظام تخزين مكون للشبكة إنتاج 12 ميجاوات من الطاقة الكهروضوئية المستقرة حيث لم يكن بالإمكان في السابق سوى 1.5 ميجاوات فقط. ويوضح المشروع أن 1 ميجاوات/ساعة من التخزين المكون للشبكة يمكن أن يطلق ما يقرب من 1.75 ميجاوات من السعة الكهروضوئية الإضافية في ظروف الشبكة الضعيفة - وهو مقياس مهم للمخططين الذين يقيّمون استثمارات التخزين.

مشروع MTerra الفلبين للطاقة الشمسية العملاق في الفلبين

تجمع هذه المبادرة الضخمة للبنية التحتية بين 3.5 جيجاوات من الطاقة الكهروضوئية و4.5 جيجاوات ساعة من التخزين المكون للشبكة، وهي من بين أكبر عمليات الدمج من هذا النوع على مستوى العالم. وعند اكتماله، سيوفر الطاقة لحوالي 2.4 مليون منزل مع تقليل انبعاثات الكربون بأكثر من 4.3 مليون طن سنويًا. وقد اكتمل أكثر من نصف المرحلة الأولى من المشروع بالفعل، مما يدل على قابلية التوسع في تكنولوجيا تشكيل الشبكة الحالية.

الاختبار والتحقق العالمي

وبعيداً عن المشاريع الفردية، أثبتت أنظمة الاختبار الشاملة صحة قدرات تشكيل الشبكة في مختلف ظروف الشبكة. في منشأة اختبار تبلغ مساحتها 20,000 متر مربع، أجرت هواوي أكثر من 2300 اختبار على مستوى النظام بما في ذلك قدرات التكيّف مع الجهد المنخفض/العالي والقدرة على التكيف مع الشبكة الضعيفة واستجابة القصور الذاتي وقدرات البدء الأسود. أكدت هذه الاختبارات التشغيل المستقر عبر نطاق غير مسبوق من قوة الشبكة (SCR من 40 إلى 1.0).

*الجدول 2: مقاييس أداء التخزين على شكل شبكة في تطبيقات مختلفة*

التحول المعماري: من التحسين على مستوى المكوّن إلى التحسين على مستوى النظام بأكمله

ما يميز حلول الجيل التالي من حلول تشكيل الشبكة هو نهجها الشامل لبنية النظام. على عكس الحلول التقليدية التي تعمل على تحسين المكونات الفردية بمعزل عن بعضها البعض، فإن أنظمة مثل FusionSolar 9.0 من هواوي تستخدم ذكاءً مشتركًا بين المكونات التي تزامن الاستجابات عبر المحطات بأكملها.

تمثل البنية على مستوى السلسلة طفرة خاصة. من خلال تطبيق التحسين على مستوى السلسلة الفردية للبطارية بدلاً من الحاويات بأكملها، تحقق هذه الأنظمة تحسينات كبيرة في الكفاءة والموثوقية. أبلغت Huawei عن تحسينات في عمق التفريغ تصل إلى 100% وكفاءة دورة تبلغ 91.3% - وهي مقاييس مهمة للجدوى الاقتصادية.

يثبت هذا النهج المعماري قيمته بشكل خاص في توسيع نطاق عمليات نشر التخزين. تواجه أنظمة التخزين المركزية التقليدية تحديات مع عدم تطابق الوحدات النمطية التي تؤدي إلى تدهور الأداء بمرور الوقت. يحافظ نهج مستوى السلسلة على اتساق الأداء عبر الأنظمة التي تتراوح من المنشآت التجارية الصغيرة إلى المشاريع متعددة الجيجاوات على نطاق المرافق.

بالنسبة لأولئك الذين ينفذون مشاريع تخزين الطاقة، فإن الحلول الموضوعة في حاويات مثل 40 قدم حاوية تبريد الهواء المبردة بالهواء ESS

توفر مرونة مصممة مسبقًا، مما يقلل بشكل كبير من وقت النشر مع الحفاظ على الأداء في مختلف الظروف البيئية.

الأسئلة الشائعة: إزالة الغموض عن تقنية تشكيل الشبكات

ما الذي يميز محولات تشكيل الشبكة عن المحولات التي تتبع الشبكة؟

تقوم محولات تشكيل الشبكة بشكل مستقل بإنشاء مراجع الجهد والتردد للشبكة بشكل مستقل، بينما تتطلب المحولات التي تتبع الشبكة شكل موجة الشبكة المستقرة الحالية للمزامنة قبل التشغيل. يمكّن هذا الاختلاف الأساسي أنظمة تشكيل الشبكة من تحقيق استقرار الشبكة بدلاً من الاعتماد على الاستقرار الحالي.

هل يمكن للتخزين المكون للشبكة أن يحل محل خدمات استقرار الشبكة التقليدية تماماً؟

في العديد من التطبيقات، نعم. توفر أنظمة تشكيل الشبكة المتقدمة دعمًا للجهد واستجابة للتردد والقصور الذاتي يعادل أو يتفوق على المولدات التقليدية. ولتحقيق أعلى متطلبات الاستقرار، قد تظهر الأنظمة الهجينة التي تجمع بين التخزين المكون للشبكة والموارد التقليدية كحلول مثلى.

كيف تؤثر تكنولوجيا تشكيل الشبكة على اقتصاديات المشروع؟

من خلال تمكين زيادة تغلغل الطاقة المتجددة في مناطق الشبكة الضعيفة، والحد من تقليص حجم الطاقة المتجددة، وتوفير إمكانية الوصول إلى أسواق الخدمات الإضافية، تعمل تكنولوجيا تشكيل الشبكة على تحسين اقتصاديات المشروع بشكل كبير. تشير بيانات الصناعة إلى أنه يمكن تخفيض تكاليف مشاريع الطاقة بمقدار 21.71 تيرابايت إلى 3 تيرابايت مع التنفيذ السليم لتشكيل الشبكة.

ما هي الجداول الزمنية لتنفيذ تقنية تشكيل الشبكة؟

القدرة على تشكيل الشبكة هي في المقام الأول وظيفة محددة بالبرمجيات يمكن نشرها في كثير من الأحيان على الأجهزة الموجودة بالفعل في الإنتاج. وهذا يعني دورات اعتماد سريعة مقارنة بالابتكارات التي تتمحور حول الأجهزة. تعمل المشاريع الكبرى التي تطبق تكنولوجيا تشكيل الشبكة بالفعل في الأسواق العالمية.

كيف يدعم تشكيل الشبكة تطبيقات الشبكات الصغيرة؟

يُمكّن تشكيل الشبكة الشبكات الصغيرة المتجددة 100% من خلال توفير خدمات الاستقرار التي يتم توفيرها تقليديًا بواسطة مولدات الديزل أو الشبكة الرئيسية. وهذا يسمح للمرافق الحيوية بالحفاظ على العمليات أثناء انقطاع الشبكة أثناء استخدام الطاقة المتجددة 100%.

الطريق إلى الأمام: تشكيل الشبكة كمعيار جديد

وقد توصلت الصناعة إلى إجماع على أن القدرة على تشكيل الشبكة ستتحول من ميزة متميزة إلى شرط قياسي لعمليات نشر تخزين الطاقة الجديدة. وتقوم هيئات المعايير الدولية بالفعل بدمج متطلبات تشكيل الشبكة في قوانين الشبكات، مع احتمال أن تفرض الأسواق الرائدة قدرات أساسية لتشكيل الشبكة في غضون 2-3 سنوات.

يستمر التطور التكنولوجي على قدم وساق. تعمل المؤسسات البحثية وقادة الصناعة على خوارزميات الجيل التالي التي من شأنها زيادة تعزيز هوامش الاستقرار مع تقليل التكاليف. تشمل مجالات التطوير النشطة التحكم التنبؤي في الاستقرار باستخدام الذكاء الاصطناعي وتنسيق تشكيل الشبكة متعددة الأصول التي تعمل على تحسينها عبر موارد متنوعة منتشرة عبر مناطق جغرافية واسعة.

بالنسبة لمطوري المشاريع ومشغلي الأنظمة، فإن المعنى الضمني واضح: يتطلب تأمين الاستثمارات الجديدة في المستقبل اعتماد بنية تحتية قادرة على تشكيل الشبكة اليوم. وقد أشار الرئيس التنفيذي لشركة VDE، أنسجار هينز، إلى أن "القدرة على تشكيل الشبكة في شبكات الطاقة التي تهيمن عليها إلكترونيات الطاقة، أصبحت القدرة على تشكيل الشبكة شرطًا أساسيًا لتشغيل النظام".

الخاتمة: بناء الأساس لشبكة تعتمد على الطاقة المتجددة

مع تسارع التحول العالمي في مجال الطاقة، ربما يكون تخزين الطاقة المكون للشبكة هو الابتكار الأكثر أهمية لضمان الموثوقية في ظل التغيير الجوهري. وقد تطورت هذه التكنولوجيا من المفهوم النظري إلى حل مثبت في وقت قياسي، مع عمليات النشر الآن على نطاق كافٍ لإثبات فوائد النظام الملموسة.

لم يعد السؤال المطروح على أصحاب المصلحة في مجال الطاقة هو ما إذا كانوا سيعتمدون تكنولوجيا تشكيل الشبكة، بل مدى سرعة دمج هذه التكنولوجيا في تخطيطهم وعملياتهم. ومع قيام قادة الصناعة مثل هواوي بتقديم حلول كاملة السيناريو تمتد من التطبيقات السكنية إلى التطبيقات على نطاق المرافق، أصبحت أدوات إدارة الشبكة التي تهيمن عليها الطاقة المتجددة متاحة الآن تجارياً ومصدّق عليها ميدانياً.

نحن في ماتيسولار ندرك أن الإبحار في هذا التحول التكنولوجي يتطلب شركاء يفهمون الأساسيات التقنية وتحديات التنفيذ العملي. وبصفتنا مزوداً متكاملاً للحلول الكهروضوئية وحلول تخزين الطاقة، فإننا ملتزمون بتقديم هذه التطورات التي تشكل الشبكة لعملائنا في جميع أنحاء العالم - لضمان استمرار التحول إلى الطاقة المتجددة بشكل موثوق وفعال.

سوف تهيمن الموارد المتجددة على الشبكة المستقبلية، ولكن استقرارها سيكون مضموناً من خلال أنظمة تخزين ذكية لتكوين الشبكة توفر الاستقرار الأساسي الذي يعتمد عليه اقتصادنا المكهرب.

ماتيسولار هي شركة رائدة في مجال توفير حلول الطاقة الكهروضوئية وتخزين الطاقة المتكاملة والملتزمة بتقديم أحدث التقنيات التي تمكّن عملاءنا من بناء أنظمة طاقة أنظف وأكثر مرونة. تمتد خبرتنا لتشمل دورة حياة المشروع بالكامل، بدءاً من الاستشارات الفنية الأولية وحتى التشغيل والتحسين على المدى الطويل.