4 تقنيات ذكية رئيسية لشبكة الكهرباء للنظام الكهربائي الجديد: ابتكارات في شبكات التوزيع

1. أبحاث وتطوير المواد والمعدات الجديدة وإدارة الأصول

1.1 أبحاث وتطوير المواد والمركبات الجديدة

تعد المواد الجديدة حاملة مباشرة لتحويل الطاقة ونقلها وتحكمها في أنظمة توزيع وتزويد الكهرباء الجديدة، مما يحدد كفاءة التشغيل والأمان والموثوقية وتكلفة النظام بشكل مباشر. على سبيل المثال:

• يمكن للمواد الموصلة الجديدة تقليل استهلاك الطاقة، مما يساعد في حل مشاكل نقص الطاقة والتلوث البيئي.

• تساعد المواد المغناطيسية الكهربائية المتقدمة المستخدمة في أجهزة الاستشعار للشبكات الذكية في تحسين موثوقية تشغيل النظام.

• يمكن للمواد والعوازل الجديدة والبنى العازلة حل المشاكل المتزايدة للجهد الزائد النبضي الناتجة عن دمج معدات الإلكترونيات القوية.

• توفر الأجهزة الراديوية الميكروويف الجيل القادم وأجهزة الإلكترونيات القوية التي تم تطويرها بناءً على مواد شبه موصلات الجيل الثالث (مثل النيتروجين الغاليوم (GaN) والكربون السيليكون (SiC)) الدعم التقني لتوفير الطاقة وتقليل الاستهلاك في مجالات الاتصالات والإلكترونيات.

1.2 أبحاث وتطوير المعدات الكهربائية الجديدة ومعدات استهلاك الكهرباء

بالنسبة للمنتجات الجديدة المحددة، تقوم الشركات بتطوير معدات إلكترونية قوية جديدة - خاصة مفاتيح الفتح الناعمة. من خلال التحكم في تدفق الطاقة الفعالة والردحية على الخطوط المرتبطة، يمكن لهذه الأجهزة تحقيق وظائف مثل توازن الطاقة وتحسين الجهد ونقل الحمل وتحديد تيار العطل.

في ظل موجة الإنترنت الطاقي، فإن دمج التقنيات الجديدة لتحقيق "الوظيفة + المراقبة + التحويل إلى الإلكترونية + التحويل الرقمي + الذكاء الصناعي" يمكّن الشركات من التحول من التقليد المنخفض المستوى إلى التصنيع عالي المستوى، ومن المنتجات الفردية إلى الحلول الشاملة، ومن المصانع التصنيعية إلى مرافق مدفوعة بالابتكار. وهذا يسمح للتصنيع والابتكار في معدات الكهرباء ذات الجهد المنخفض بأن يساهم في التحول إلى الاقتصاد منخفض الكربون والتحول الرقمي والتنمية المستدامة.

1.3 تقنية إدارة الأصول الكاملة للدورة الحياتية للمعدات الكهربائية

تتضمن أنظمة توزيع واستهلاك الكهرباء الجديدة مجموعة متنوعة من المعدات الكهربائية الجديدة وأجهزة استهلاك الكهرباء، مما يجعل إدارة الدورة الحياتية الكاملة والتصميم البيئي للمعدات الكهربائية توزيعية للغاية. من الضروري ضمان التشغيل الآمن لكافة المعدات مع تحقيق الكفاءة الاقتصادية.

تشمل التشغيل والصيانة للدورة الحياتية كاملة مرحلة طلب الشراء، ومرحلة قبول المعدات، ومرحلة الإنتاج والتشغيل، ومرحلة التخريد. يجب تنفيذ التصميم المتكامل في إدارة الأصول لضمان مشاركة البيانات وإدارتها بشكل مُحسن. يجب دمج تقنيات مثل "إنترنت +" لتوسيع نطاق الإدارة وتحسين كفاءتها.

2. تقنية التوليد التوزعي وشبكات الطاقة الصغيرة

2.1 تقنية توليد الطاقة الجديدة الموزعة

2.1.1 تقنية تطوير الطاقة الجديدة والمتجددة بكفاءة واقتصادية

مع تقدم تقنيات تطوير الطاقة الجديدة، وصلت بعض مصادر الطاقة المتجددة (مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية) إلى مستوى عالٍ من التطبيق واحتلت مكانة رئيسية في أنظمة توزيع الطاقة. ومع ذلك، لا يزال من المهم تطوير مواد جديدة وتقنيات الألواح الضوئية المتكاملة بتكلفة أقل وكفاءة أعلى.

في الوقت نفسه، يحتاج تطوير مصادر الطاقة الأخرى - مثل الطاقة الهيدروجينية والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الحيوية - إلى الترويج أكثر. تتضمن الأمثلة تقنيات إنتاج وخزن ونقل الهيدروجين، وتقنيات الاستخدام الحراري المتعدد المراحل، وتقنيات الوقود الحيوي.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي التنسيق بين الطاقة الجديدة المركزية والموزعة إلى تقليل خسائر النقل وتحسين كفاءة استخدام الطاقة الجديدة وتعزيز قدرة الشبكة على امتصاص الطاقة الجديدة، مما يؤدي إلى تحقيق فوائد اجتماعية واقتصادية أفضل.

2.2 تقنية التخطيط للطاقة الموزعة

المفتاح لمعالجة التخطيط والتحسين لملكية الطاقة الموزعة يكمن في تفكيك حواجز التواصل المعلوماتي والتنسيق بين مختلف الجهات.

من وجهة نظر تقنية، يجب النظر في المزيد من القيود التقنية أثناء مرحلة التخطيط، بما في ذلك مستوى الجهد، ومستوى التيار القصير، ونوعية الطاقة (الوميض، التوافقيات).

من وجهة نظر رياضية، تكون طرق التخطيط التي تتضمن تحسينًا متعدد الأهداف ومتعدد عدم اليقين معقدة للغاية. لذلك، يعتبر التخطيط الأمثل متعدد الأهداف الذي يدمج الموارد والعمليات أمرًا بالغ الأهمية.

وبالإضافة إلى ذلك، يجب الانتباه إلى: إجراء تحليل وتقييم للشبكات لنظم الطاقة الموزعة؛ دراسة دمج وتخطيط أمثل لنظم توزيع الطاقة وشبكات الاتصالات؛ وتطوير نماذج وأدوات محاكاة للتحليل الشامل للموثوقية والمخاطر والاقتصادية.

2.3 تقنية الدعم النشط لتوليد الطاقة الجديدة الموزعة

يحتاج التوليد التوزعي (DG) ليس فقط إلى تعديل التردد والجهد ضمن نطاق معين، ولكن أيضًا إلى كبح التغيرات السريعة في التردد والجهد.

في الوقت الحالي، اقترح بعض العلماء "جهاز تعويض القوة-الصلابة"، والذي يمكن DG من تقديم دعم فوري للتردد والجهد عند حدوث عجز في الطاقة. يتم التعبير عن قدرة دعم القوة القائمة لـ DG بشكل كمي باستخدام التعويض عن الطاقة الفعالة المقدمة أثناء تغييرات الطاقة، مما يوفر أساسًا لوضع معايير الربط اللاحقة.

2.4 تقنية التنبؤ بالإنتاج لتوليد الطاقة الجديدة الموزعة

تتميز توليد الطاقة الجديدة الموزعة بالتوزيع المكاني الواسع والخصائص الجوية الدقيقة المعقدة المحيطة بها، بالإضافة إلى التأثير الكبير من المباني والأنشطة البشرية، مما يجعل التنبؤ بالإنتاج تحديًا.

تركز الأبحاث الحالية على توليد الطاقة الجديدة الموزعة بشكل أساسي على استخدام التوقعات الجوية والظروف المناخية للتنبؤ بإنتاج الطاقة، مع التركيز الزائد على تأثير الظروف الطبيعية على إنتاج الطاقة الجديدة. كما أنها تفتقر إلى النظر في خصائص التوزيع المكاني لـ DG والعوامل المتعلقة بالأنشطة الاجتماعية البشرية.

2.5 تقنية التحكم العنقودي لتوليد الطاقة الجديدة الموزعة

يعد التحكم الموزع طريقة مثالية للتحكم العنقودي في DG في أنظمة توزيع الطاقة ذات الاختراق العالي للطاقة الجديدة.

حالياً، ما زالت أبحاث تقنية التحكم العنقودي لتوليد الطاقة الجديدة الموزعة في بدايتها. تركز الإنجازات الرئيسية على التحكم في الأجهزة الفردية لتوليد الطاقة، مع القليل من النظر في استراتيجيات التحكم التنسيقية للأجهزة المتعددة لتوليد الطاقة الجديدة المتصلة بالشبكة عبر المحولات المرتبطة بالشبكة.

ما زالت هناك قضايا رئيسية غير محلولة: آلية توزيع الطاقة غير المتوازنة بين عدة محولات أثناء تغييرات الطاقة؛ آلية التفاعل لاستراتيجيات التحكم متعددة المقاييس الزمنية للمحولات المتعددة؛ وعدم كفاية التحكم التقليدي بالانحدار (بناءً على منحنيات الخصائص بين الطاقة الفعالة والتردد والطاقة الردحية والجهد) عندما يكون مقاومة خطوط توزيع الطاقة غير مهملة، مما يمنع DG من المشاركة في التحكم الأساسي بالتردد والجهد.

2.6 تقنية تخزين الطاقة الموزعة

من وجهة نظر الطاقة، فإن المشكلات الثابتة والديناميكية لأنظمة توزيع الطاقة الجديدة هي في الأساس مشكلات عدم توازن الطاقة على فترات زمنية مختلفة:

• على الفترة الزمنية الطويلة نسبيًا لفترات الحمل القصوى، يؤدي عدم توازن الطاقة بين الجانبين المولد والحمل إلى مشكلات ثابتة مثل الفروق بين الذروة والقاع.

• على الفترة الزمنية القصيرة نسبيًا من تغييرات الطاقة حتى تفعيل التحكم الأساسي بالتردد/الجهد، يفتقر معدات الإلكترونيات القوية إلى القوة القائمة للمولدات المتزامنة ولا يمكنها دعم النظام ضد عدم توازن الطاقة، مما يؤدي إلى انخفاض استقرار النظام وتدهور جودة الطاقة.

توفر تقنية تخزين الطاقة الموزعة حلًا ممكنًا لمعالجة المشكلات الثابتة والديناميكية الناتجة عن عدم توازن الطاقة على فترات زمنية مختلفة.

2.6.1 تقنية الحد من الذروة وتنظيم التردد للطاقة المخزنة

يمكن لتخزين الطاقة من النوع الطاقي - مثل التخزين المائي الموزع، البطاريات التدفقية، البطاريات الليثيوم أيون، وتقنيات تخزين الحرارة/البرودة - القضاء على ذروة الأحمال، وتقليل الذروة وملء القاع، وتخفيف التقلبات، والعمل مع محطات الشحن لتخفيف تأثير الطاقة الشحن، مما يحسن معدل استخدام معدات توزيع الطاقة.

تقنيات الحد من الذروة وتنظيم التردد للطاقة المخزنة تفرض متطلبات عالية على أنظمة تخزين الطاقة فيما يتعلق بالقدرة، وسرعة الاستجابة، والتكلفة، والأمان، وكثافة الطاقة/الطاقة. لا يمكن لأي نوع واحد من أنواع تخزين الطاقة أن يلبي هذه المتطلبات، لذا فمن الضروري البحث في تقنيات تخزين الطاقة الهجينة ذات المزايا الشاملة.

2.6.2 تقنية تحسين الاستقرار ونوعية الطاقة

توفر تقنية تخزين الطاقة الموزعة حلًا ممكنًا لتحسين الاستقرار ونوعية الطاقة لأنظمة توزيع الطاقة الجديدة.

اقترح بعض العلماء طريقة تنسيق أنظمة تخزين الطاقة مع استراتيجيات التحكم في المحولات المرتبطة بالشبكة لتمكين DG من تقديم دعم الاستقرار الديناميكي للنظام. مع دمج معدات الإلكترونيات القوية على نطاق واسع وتقليل القوة القائمة للنظام، ستصبح المحولات المرتبطة بالشبكة مع الطاقة المخزنة وسيلة مهمة لتعزيز الاستقرار الديناميكي للنظام.