كيفية تحديد حجم نظام تخزين الطاقة لخفض ذروة الطلب

ما الذي يهم فعليًا عند تحديد حجم نظام تخزين الطاقة لتقليل ذروة الأحمال؟

يبدو تحديد حجم نظام تخزين الطاقة لتقليل ذروة الأحمال أمرًا بسيطًا إلى أن تنظر إلى منحنى حمل فعلي. نظريًا، الهدف واضح: تقليل أعلى طلب تسجله شركة المرافق أو تجنب تجاوز المحول لحد تشغيل عملي. لكن عمليًا، تعتمد الإجابة على وقت حدوث الذروات، ومدة استمرارها، وما إذا كانت تتكرر يوميًا أو تحدث فقط في ظروف إنتاج معينة، وكذلك على مقدار المخاطر التشغيلية التي يمكن للموقع تحملها في حال عدم توفر البطارية أو انخفاض مستوى شحنها جزئيًا.

بالنسبة إلى فرق التقييم الفني، يتمثل الخطأ الأكثر شيوعًا في البدء من سعة البطارية وحدها. فتقليل ذروة الأحمال ليس مجرد مشكلة طاقة تُقاس بوحدة kWh، بل هو مشكلة مشتركة تتعلق بالقدرة والمدة والشبكة وتنسيق المعدات. وفي المصانع والمنشآت الفرعية وتركيبات جانب الشبكة، يجب أن يعمل نظام التخزين بالتنسيق مع المحول ومعدات المفاتيح وإعدادات الحماية وسلوك الحمل الفعلي للموقع. وإذا لم تكن هذه العناصر متوافقة، فقد لا يحقق النظام الذي يبدو مناسبًا في العرض أداءه المتوقع أثناء التشغيل.

تميل الشركات المتخصصة في معدات نقل وتوزيع الطاقة، مثل Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd.، إلى النظر إلى هذه المسألة من منظور نظام الطاقة الأوسع، وليس من جانب البطارية وحدها. وهذا أمر مهم، لأن قرارات تقليل ذروة الأحمال نادرًا ما تكون معزولة. فهي غالبًا ما تأتي ضمن سؤال أوسع: هل ينبغي للمالك زيادة حجم المحول، أو إضافة نظام تخزين، أو تغيير جداول التشغيل، أو استخدام مزيج من هذه الخيارات الثلاثة؟

ابدأ بالذروة التي تحاول تقليلها فعليًا

ليست كل ذروة جديرة بأن يُصمم النظام على أساسها. فبعض الذروات عبارة عن ارتفاعات قصيرة ناتجة عن بدء تشغيل المحركات أو عمليات التبديل، بينما تكون ذروات أخرى على شكل مستويات مرتفعة ممتدة تستمر من ساعة إلى ثلاث ساعات أثناء تداخل عمليات الإنتاج أو زيادة أحمال التدفئة والتهوية وتكييف الهواء أو شحن المركبات الكهربائية أو ازدحام المغذيات. ويُعد هذا التمييز مهمًا للغاية. فقد تتم معالجة الارتفاع القصير بصورة أفضل باستخدام معدات جودة الطاقة أو استراتيجيات التشغيل التدريجي أو تسلسل العمليات، في حين تكون المستويات المرتفعة الممتدة هي الحالة التي يكون فيها نظام تخزين الطاقة أكثر ملاءمة عادةً.

لذلك، تتمثل المهمة الأولى في تحديد الذروة المستهدفة من منظور تشغيلي:

• ما حد الطلب الذي يجب عدم تجاوزه؟
• كم مرة يحدث التجاوز؟
• ما مدة استمرار فترة الحمل الزائد؟
• هل يرتبط الأمر بالموسم أو بنظام الورديات أو بخط إنتاج واحد؟
• هل تعتمد فاتورة المرافق على فترة طلب مدتها 15 دقيقة أو 30 دقيقة أو فترة أخرى؟

غالبًا ما يتم تجاهل النقطة الأخيرة. فإذا كان الطلب المفوتر يعتمد على متوسط مدته 15 دقيقة، فلا تحتاج البطارية إلى تحييد كل ثانية من ارتفاع عابر قصير. أما إذا كان الحد الحراري للمحول أو قيد المغذي هو المشكلة الفعلية، فقد تظل ذروات قصيرة المدة مهمة. ويتغير منطق تحديد الحجم تبعًا لما إذا كان العامل المحرك هو خفض التعرفة أو تأجيل استبدال الأصول أو موثوقية الشبكة.

تحدد القدرة الاسمية عادةً الحد الأدنى؛ بينما تحدد مدة التفريغ حجم الميزانية

تتمثل إحدى الطرق العملية للبدء في فصل القدرة عن الطاقة. فإذا بلغ الحمل الأقصى لمنشأة ما 4.8 MW وكان الحد المقبول 4.0 MW، فيجب أن يكون نظام التخزين قادرًا على توفير نحو 0.8 MW في الوقت المطلوب. ويمنح ذلك نقطة بداية لتحديد القدرة الاسمية لـ PCS والبطارية. ثم يُطرح السؤال: ما المدة التي يجب أن يستمر فيها هذا الدعم؟ فإذا ظل الموقع أعلى من الحد لمدة 30 دقيقة، فإن طاقة التفريغ النظرية تبلغ نحو 400 kWh. أما إذا استمر ذلك لمدة ساعتين، فإن الصورة تتغير بالكامل.

لكن الطاقة النظرية ليست الطاقة المركبة. فعادةً ما يحتاج المقيمون الفنيون إلى مراعاة هامش الاحتياطي وفواقد التحويل ونطاق تشغيل البطارية والتقادم وقيود الحد الأدنى لحالة الشحن. ولا يمكن عادةً تحديد حجم بطارية مصممة لتنفيذ مهمة يومية لتقليل ذروة الأحمال عند الطاقة القابلة للاستخدام المحسوبة بدقة، ثم توقع أن تحافظ على الأداء نفسه بعد سنوات من دورات التشغيل. وحتى من دون تحديد نسب ثابتة، فمن المنطقي القول إن التصميم الحذر يترك مجالًا للتدهور وعدم اليقين في توزيع الطاقة.

ولهذا السبب تستقر العديد من المشاريع على بطارية أكبر مما تشير إليه ورقة الحساب البسيط. وليس لأن الحسابات كانت خاطئة، بل لأن نطاق التشغيل كان ضيقًا للغاية.

يكشف منحنى الحمل ما إذا كانت بطارية واحدة قادرة على إنجاز المهمة

تُعد ذروة يومية واحدة هي الحالة الأسهل. لكن المواقع الفعلية غالبًا ما تشهد ذروتين أو ثلاث ذروات: واحدة في الصباح عند بدء ارتفاع الإنتاج، وأخرى بعد الغداء، وثالثة عند تداخل أحمال المبردات أو الضواغط أو الشحن. وإذا تم تفريغ البطارية بعمق كبير أثناء الحدث الأول، فقد لا تتمكن من استعادة شحنها في الوقت المناسب للحدث الثاني. وهذا ليس خطأ في تحديد الحجم بالمعنى الضيق، بل هو مشكلة في استراتيجية توزيع الطاقة تتحول إلى مشكلة في تحديد الحجم عند نمذجة اليوم بأكمله.

وهنا تصبح بيانات الفواصل الزمنية أكثر قيمة من الفواتير الشهرية. فقد تكشف رسوم الطلب الأقصى لشهر كامل نقطة الألم المالية، لكنها لا توضح ما إذا كان نظام التخزين سيواجه حدثًا واحدًا طويلًا لتقليل الذروة أو عدة أحداث متداخلة زمنيًا. وبالنسبة إلى المستخدمين الصناعيين، تكون بيانات الحمل لمدة عدة أسابيع على الأقل، بفواصل زمنية تبلغ 15 دقيقة أو أقل، أكثر فائدة للتقييم عادةً من ملخصات الذروة السنوية وحدها. وإذا كان الإنتاج موسميًا، فينبغي أن يشمل التقييم فترات مرتفعة الحمل تمثل الواقع، بدلًا من الاقتصار على الأيام المتوسطة.

لا تحدد حجم نظام التخزين قبل التحقق من قيود المحول والشبكة

غالبًا ما تتم مناقشة تقليل ذروة الأحمال كما لو أن البطارية موجودة عند العداد ولا شيء آخر مهم. لكن في أنظمة الطاقة الفعلية، يكون المحول في كثير من الأحيان نقطة الاختناق أو جزءًا من القرار على الأقل. فقد يفكر الموقع في التخزين لأن المحول الحالي يعمل بالقرب من سعته العملية أثناء ورديات الذروة، أو لأن توسعة الحمل المخطط لها ستتطلب ترقية المحطة الفرعية، أو لأن حد الربط البيني مع المرفق لا يمكن رفعه بسرعة.

وهذا يعني أن على المقيم طرح بعض الأسئلة الصعبة ولكن الضرورية. هل تنتج المشكلة عن الحمل الحراري أو هبوط الجهد أو الحمل الزائد قصير المدة أو الطلب المفوتر؟ وهل يمثل منحنى تقادم المحول مصدر قلق بالفعل؟ وهل سيؤدي شحن البطارية إلى إنشاء مشكلة جديدة تتمثل في انتقال الحمل من فترة منخفضة إلى فترة الذروة أثناء الليل؟ وهل يستطيع جانب الجهد المنخفض ونظام الحماية التعامل مع تدفق القدرة ثنائي الاتجاه والاستجابة السريعة من عاكس التخزين؟

في بعض مشاريع التوزيع، لا يكون التخزين بديلًا عن الاختيار السليم للمحول، بل مكملًا له. وعندما تكون محطة فرعية أو منشأة قيد الإنشاء أو التوسعة، غالبًا ما يقارن المقيمون بين نشر التخزين وتعزيز المحول. وفي هذا السياق، تصبح معدات مثل محول توزيع طاقة مغمور بالزيت 30kV/0.4kV جزءًا من مناقشة التحسين الأوسع، ولا سيما عند تحقيق التوازن بين النفقات الرأسمالية ونمو الحمل المستقبلي وهامش التشغيل المقبول.

يغير تكرار الدورات الجدوى الاقتصادية أكثر مما يتوقع كثيرون

تختلف البطارية المستخدمة لتقليل ذروة الأحمال مرة أو مرتين أسبوعيًا عن البطارية التي يتم تشغيلها كل يوم عمل. فمعدل الطاقة المتدفقة المطلوب ومسار التقادم واستراتيجية التحكم ليست متماثلة. وإذا كانت ذروة الحمل غير منتظمة، فقد يكون من المبرر استخدام بطارية أصغر، لأن القيمة تأتي من تقليص عدد محدود من الفواصل الزمنية مرتفعة التكلفة. أما إذا كانت الذروة يومية ويمكن التنبؤ بها، فقد يدعم المشروع نظامًا أكبر بسبب ارتفاع معدل الاستخدام وبساطة منطق التشغيل.

وهناك أيضًا مفاضلة خفية هنا. فقد تخضع المنظومة التي تم تحديد حجمها بشكل مكثف لإزالة كل الذروات تقريبًا لدورات أعمق وأكثر تكرارًا. وقد يبدو ذلك جيدًا في محاكاة السنة الأولى، لكنه قد يقلص هامش نمو الحمل المستقبلي أو تقادم البطارية. ويمكن أن يكون التصميم الأكثر تحفظًا، الذي يقلل الجزء الأعلى من الذروة فقط، أسهل في الحفاظ عليه تشغيليًا. وعادةً ما تلاحظ الفرق الفنية التي تقيم القيمة طويلة الأجل هذه النقطة بسرعة: فهدف تقليل الذروة «الأفضل» ليس دائمًا الهدف الأقصى الممكن.

يستحق منطق التحكم وفترات الشحن مزيدًا من الاهتمام

غالبًا ما يتم تقديم تحديد حجم البطارية باعتباره تمرينًا متعلقًا بالأجهزة، لكن منطق EMS قد يحدد نجاح أداء تقليل ذروة الأحمال أو فشله. فإذا تم شحن النظام خلال فترة تتحول لاحقًا إلى ذروة طلب ثانوية، فقد ينقل الموقع المشكلة ببساطة إلى ساعة أخرى. وإذا انتظر النظام وقتًا طويلًا قبل التفريغ، فقد تكون فترة الفوترة قد تأثرت بالفعل. وإذا اعتمد توزيع الطاقة على الطقس أو خطط الإنتاج أو تدخل المشغل، فإن عدم اليقين يزداد.

ولهذا السبب، من المفيد اختبار ثلاثة سيناريوهات تحكم على الأقل أثناء التقييم:

• تقليل الذروة القائم على القواعد وفق حد طلب ثابت
• الشحن وفق تعرفة وقت الاستخدام مع التفريغ المستند إلى التوقعات
• التشغيل متعدد الأهداف، حيث يتشارك تقليل الذروة الأولوية مع طاقة الطوارئ أو تنعيم إنتاج الطاقة المتجددة

يشيع السيناريو الثالث في مشاريع الطاقة الجديدة والبنية التحتية. فقد لا تكون البطارية مخصصة حصريًا لتقليل ذروة الأحمال. فإذا كان الاحتياطي الاحتياطي للطوارئ أو التحكم في تدرج إنتاج PV مطلوبًا، فإن جزءًا من السعة يصبح غير متاح فعليًا لخفض الطلب خلال ساعات معينة. ويجب أن ينعكس ذلك في تحديد الحجم، لا أن يُعامل كفكرة لاحقة.

هامش الأمان ليس مجرد مسألة تخص البطارية

يعرف المقيمون الفنيون عادةً ضرورة السؤال عن كيمياء البطارية والإدارة الحرارية والحماية من الحرائق. لكن ينبغي لهم أيضًا النظر إلى هامش التشغيل عبر المسار الكهربائي بأكمله: حمل المحول، وقدرة التحميل الزائد للعاكس، وسعة تحمل الكابلات للتيار، والتوافقيات، ومستويات الأعطال، والتنسيق مع أجهزة الحماية. فالنظام القادر نظريًا على تقليل 1 MW من الذروة ليس بالضرورة نظامًا ينبغي تشغيله عند 1 MW بصورة مستمرة في ظروف الموقع.

وتكتسب هذه الرؤية على مستوى النظام أهمية خاصة في بيئات التصنيع الصناعي وتطبيقات جانب الشبكة، حيث لا يمكن التنازل عن موثوقية الطاقة. ويميل الموردون ذوو الخبرة في تطبيقات نقل وتوزيع الطاقة إلى معالجة المسألة مع اهتمام أكبر بتفاعل المعدات وممارسات التركيب وقابلية الخدمة على المدى الطويل. وغالبًا ما يكون هذا المنظور الأوسع أكثر فائدة من اختيار بطارية من كتالوج ومحاولة تكييف الشبكة معها لاحقًا.

مسار عملي للتقييم

إذا كان الهدف هو اتخاذ قرار قابل للدفاع بشأن تحديد الحجم، وليس مجرد تقدير تقريبي، فعادةً ما يكون مسار التقييم عمليًا وواضحًا:

• جمع بيانات الحمل ذات الفواصل الزمنية وتحديد نمط الذروة الفعلي.
• تحديد الحد المطلوب حمايته: طلب التعرفة أو سعة المحول أو حد المغذي أو مزيج منها.
• تقدير قدرة التفريغ المطلوبة استنادًا إلى الفارق بين الطلب الفعلي والطلب المستهدف.
• تقدير مدة التفريغ القابلة للاستخدام استنادًا إلى الوقت الذي يتجاوز فيه الحمل ذلك الحد.
• التحقق مما إذا كانت الذروات اليومية المتعددة تتطلب إعادة الشحن بين الأحداث.
• تطبيق هامش تشغيل واقعي لمراعاة الفواقد والتوافر وحدود حالة الشحن والتقادم.
• التحقق من التكامل مع المحول والحماية ومعدات المفاتيح واستراتيجية تشغيل الموقع.

في هذه المرحلة، تكتشف بعض المشاريع أن التخزين هو الحل المناسب، بينما تجد مشاريع أخرى أن النهج الهجين أقوى. فقد تكون البطارية المتوسطة المقترنة بتعزيز المحول أو جدولة الأحمال أكثر متانة من إجبار أصل واحد على حل كل شيء. وفي أنظمة التوزيع التي تخدم أحمالًا جديدة، قد تشمل المقارنة ما إذا كان ينبغي نشر التخزين الآن وتأجيل ترقيات المعدات على مراحل، أو المضي مباشرة في تعزيز الشبكة باستخدام معدات متوافقة مع بنية جهد الموقع، مثل محول توزيع طاقة مغمور بالزيت 30kV/0.4kV.

تتمثل النقطة الأساسية في أن تحديد حجم نظام تقليل ذروة الأحمال ينبغي أن ينتهي بقرار تشغيلي، وليس بمجرد رقم للبطارية. فإذا كان النظام المختار قادرًا على الوصول بصورة موثوقة إلى حد الطلب المستهدف، ومتوافقًا مع قيود المحول والشبكة، ولا يزال يترك مجالًا لعدم اليقين الطبيعي، فمن المحتمل أن يكون قد حُدد حجمه بصورة جيدة. أما إذا كان لا يعمل إلا في ظل افتراضات مثالية لتوزيع الطاقة، فمن المحتمل أن يكون حجمه صغيرًا للغاية، مهما بدا النموذج جذابًا.