ریزشبکه ها و ذخیره انرژی موضوعاتی بسیار مرتبط و مکرر در جامعه انرژی هستند. تهدیدهای فزاینده امنیت سایبری و بلایای طبیعی مکرر که خطری برای سیستم الکتریکی ایجاد می کند، راه حل های ریزشبکه را به یک بهبود زیرساخت مطلوب برای مشتریان و شرکت ها تبدیل کرده است. با این حال، گاهی اوقات، اصطلاحات «ریزشبکه» و «ذخیره انرژی» به جای یکدیگر استفاده می‌شوند – به این معنی که سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی به طور طبیعی امنیت انرژی را فراهم می‌کنند. مهم است که بدانیم ریزشبکه ها و ذخیره انرژی یکسان نیستند. پاسخ به اینکه آیا ذخیره انرژی برای یک ریزشبکه فعال ضروری است یا خیر این است: خوب، بستگی دارد. ذخیره سازی انرژی یک منبع انرژی پراکنده انعطاف پذیر و همه کاره است که می تواند مزایای قابل توجهی را برای ریزشبکه فراهم کند.

شکل 1)  ریزشبکه در حضور فتوولتائیک و سیستم ذخیره ساز انرژی باتری

با این حال، پیاده‌سازی یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی به تنهایی یک ریزشبکه را تشکیل نمی‌دهد و سناریوهای زیادی وجود دارد که می‌توان ریزشبکه‌ها را بدون ذخیره‌سازی طراحی و اجرا کرد. از آنجایی که افزودن منابع ذخیره‌سازی سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی را برای یک پروژه به همراه دارد، برای مشتریان مهم است که اهداف انعطاف‌پذیری و امنیت انرژی خود را شناسایی کرده و با شرکای راه‌حل‌های انرژی واجد شرایط برای دستیابی به این اهداف همکاری کنند. شرکای واجد شرایط باید مستقل باشند تا بزرگترین مجموعه راه حل ها را ارائه دهند، تجربه در بهره وری انرژی برای به حداکثر رساندن اثربخشی هزینه داشته باشند، و تخصص خود را در تولید، کنترل و ذخیره سازی برای توسعه، طراحی و اجرای موثر راه حل های امنیت انرژی نشان داده باشند.

طیف تاب آوری

برای شروع پاسخ به این سوال که یک سیستم ذخیره انرژی برای طراحی آن چقدر حیاتی است، تعریف ریزشبکه چیست. ریزشبکه ها به کاربران برق این امکان را می دهند که به طور ایمن از اتصال سرویس اولیه برق جدا شوند و به طور مستقل بارهای الکتریکی در محل را به روشی ایمن و قابل اعتماد ارائه دهند. این حالت قطع شده معمولاً به عنوان “جزیره” نامیده می شود، زیرا در واقع یک سیستم برق کوچک است که نیازهای خود را برآورده می کند، بدون اینکه برق را به داخل یا خارج از جزیره منتقل کند. اگر کل بار سایت نمی تواند توسط تولید در سایت ارائه شود، اولویت باید روی آن دسته از بارهایی باشد که برای عملیات سایت حیاتی تلقی می شوند.

عملکردهای اصلی رویکرد آمرسکو برای طراحی موثر ریزشبکه عبارتند از: حفظ انرژی؛ تولید پراکنده؛ کنترل های ریزشبکه؛ و تا حدودی ذخیره انرژی. این رویکرد متمرکز بر کارایی تضمین می‌کند که سیستم‌ها ابتدا برای کارایی بهینه‌سازی شده‌اند تا بار تلف شده را به حداقل برسانند و بیشترین هزینه را در تجهیزات نسل جدید، ذخیره‌سازی و کنترل سرمایه‌گذاری کنند.

شکل 2) ریزشبکه متصل به شبکه بالادست در حضور بارهای متداول و بارهای حساس

سه سوال اصلی به نشان دادن طیفی از انعطاف‌پذیری کمک می‌کند که شروع به تعریف تا چه حد به هر یک از این عملکردهای اصلی می‌کند. اول، مشتری با چه سرعتی نیاز دارد که از وضعیت شبکه ای به حالت جزیره ای عبور کند؟ دوم، چه مقدار از بار کل سایت “بحرانی” تلقی می شود؟ و ثالثاً، مشتری انتظار دارد در چه مدت زمان قطعی به این بار بحرانی سرویس دهد (مثلاً دقیقه یا هفته)؟

در پاسخ به این سوال می توان طیفی را در نظر گرفت که شامل  مشتریان بدون انعطاف پذیری در برابر اختلالات خدماتی تا مشتریانی که کاملاً انعطاف پذیر هستند و می توانند یک انتقال تقریباً بدون درز از ابزار متصل به عملیات مستقل (“جزیره”) را انجام دهند. مشتری بدون قابلیت ریزشبکه، برای مثال خانه‌های اکثر خواننده‌ها، در هنگام از دست دادن خدمات شهری، برق کامل را از دست می‌دهد. پس از تشخیص و رفع عیب یا خرابی شبکه خود، برق برمی گردد.

در مرحله بعد، مشتریانی که تولید پشتیبان اضطراری در محل و سوئیچ انتقال دارند تا حدی کاملاً انعطاف‌پذیر هستند، زیرا می‌توان مقداری یا تمام بار آن‌ها را بسته به اندازه ژنراتور(های) ارائه کرد. برق موقتاً قطع می شود تا زمانی که مولد پشتیبان بتواند برای ارائه بار همگام شود. در این سناریو، این احتمال وجود دارد که مقدار کمی از بار بحرانی (مانند کامپیوترها یا سرورهای داده) دارای منابع تغذیه بدون وقفه یکپارچه (UPS) باشد که تداوم منبع تغذیه را تا بارهای بحرانی خاص برای مدت زمان محدودی حفظ می کند. بسیاری از ساختمان های اداری نمونه ای از این سناریو هستند.

برای برخی از مشتریان، این قطع منبع تغذیه خطر قابل‌توجهی را برای عملیات حیاتی ایجاد می‌کند یا یک بدهی اقتصادی قابل توجه به شکل کاهش بهره‌وری، کاهش توان تولید، تحقیقات به خطر افتاده در محیط دانشگاه یا آزمایشگاه یا سایر ارزش‌های از دست رفته ایجاد می‌کند. این نیاز به یک انتقال بدون وقفه به عملیات مستقل جزیره ای در طول اختلالات تاسیسات را معرفی می کند، به این معنی که بارهای خاصی در تاسیسات مشتری هیچ وقفه ای را تجربه نمی کنند.

در حالی که یک انتقال بدون وقفه ممکن است برای بسیاری از مشتریان مطلوب باشد، این قابلیت پیچیدگی و هزینه یک ریزشبکه را افزایش می دهد. برای دستیابی به یک انتقال بدون وقفه به عملیات مستقل جزیره‌ای و بدون ایجاد اختلال در تداوم منبع تغذیه، کنترل‌های الکتریکی محافظ باید به طور ایمن و بلافاصله محل را از یک اتصال ناپایدار تاسیسات جدا کرده و تولید در محل باید فوراً بار را تامین کند. در صورتی که تولید چرخش در محل (مانند نیروگاه حرارتی و نیروگاهی (CHP)) برای خدمت رسانی به بار در زمان اختلال برق در دسترس باشد و کنترل‌های ریزشبکه برای شناسایی و واکنش سریع به اختلال وجود داشته باشد، می‌تواند محقق شود.

یک تصمیم حیاتی برای انتقال موفقیت آمیز بدون وقفه به عملیات جزیره ای این است که تولید کافی برای خدمت به بار بحرانی سایت در دسترس باشد، یا اینکه بارهای بحرانی کمتری نیاز به ریختن (خاموش) برای مطابقت با نسل موجود باشد. این اقدام کنترل ریزشبکه ممکن است برای حفظ پایداری مولد مشتری و حفظ تداوم خدمات، نیاز به سرعت داشته باشد.

برای دستیابی به یک ریزشبکه کاملاً انعطاف‌پذیر با انتقال بدون وقفه بین منبع برق شهری و منبع برق، همانطور که در انتهای سمت راست طیف نشان داده شده است، باید تولید کافی در دسترس باشد که بتواند تمام نیازهای بار سایت را برآورده کند. این باید در زمان وقوع خاموشی و همچنین به طور مداوم برای ساعت ها یا روزها تا بازگشت یک شبکه سالم صادق باشد. حتی در این شرایط، کنترل‌های ریزشبکه ممکن است در نظر گرفته شوند تا به سیستم اجازه پاسخگویی به موارد احتمالی، مانند خرابی یک واحد تولیدکننده مشتری، یا تغییر غیرمنتظره در سطوح بار را بدهد.

اگر تولید کافی وجود داشته باشد یا برنامه ریزی شود که اجرا شود، و کنترل های ریزشبکه مناسب و زیرساخت های کنترل ریزشبکه مناسب وجود داشته باشد، می توان بدون ذخیره سازی به یک انتقال بی وقفه دست یافت. با این حال، همانطور که در ادامه توضیح داده شد، افزودن فضای ذخیره‌سازی به راه حل می‌تواند سناریوی ریزشبکه‌ای که در بالا توضیح داده شد را به طور قابل توجهی افزایش دهد. یا، برای مشتریانی که تولید چرخش مداوم ندارند، ذخیره سازی به یک جنبه بسیار مهم در معماری ریزشبکه تبدیل می شود.

نقش(های) ذخیره انرژی در راه حل ریزشبکه

سیستم‌های ذخیره‌سازی مدرن از این نظر منحصر به فرد هستند که منابعی با پاسخ‌دهی بسیار سریع هستند که هم می‌توانند توان تولید و جذب کنند و هم در برخی موارد، کیفیت توان واقعی و راکتیو را در یک سیستم توزیع الکتریکی تنظیم کنند. این قابلیت‌ها به ذخیره‌سازی اجازه می‌دهد نقش‌های مختلفی را در یک ریزشبکه ایفا کند، برای مثال‌هایی که مشتریان نیاز به جزیره‌سازی بدون وقفه دارند، تولید در محل ندارند یا نیاز به تکمیل تولید در محل که در سیستم توزیع آنها وجود دارد، دارند. بیایید به نقش ذخیره سازی در دو فاز عملیاتی متفاوت یک ریزشبکه نگاهی بیندازیم: در حین انتقال از عملیات متصل به شبکه به عملیات جزیره ای. و در طول ادامه عملیات جزیره ای.

شکل 3 ) نقش ذخیره ساز انرژی در ریزشبکه

انتقال مؤثر به عملیات جزیره ای مستلزم هماهنگی زیاد و اقدامات کنترلی بسیار سریع – در مقیاس میلی ثانیه است. در طول این مدت، توان بالا و قابلیت‌های پاسخ سریع سیستم‌های باتری اثبات‌شده تجاری (مانند لیتیوم یون) را می‌توان برای تامین برق فوری به طور موثر به ریزشبکه برای مدت زمان محدودی برای پر کردن دوره خاموشی تا زمانی که تولید در محل می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. بخش اعظم بار را در طول یک اختلال طولانی‌مدت تاسیسات تامین کنید. اگر تولید پشتیبان وجود نداشته باشد، ریزشبکه فقط تا زمانی که ظرفیت ذخیره سازی تمام شود، معمولاً بین پانزده دقیقه تا چند ساعت، حفظ می شود. در طول انتقال از منبع برق به یک جزیره مستقل، برخی از اینورترهای ذخیره‌سازی توانایی تنظیم ولتاژ و فرکانس در سیستم جزیره‌ای را دارند و کیفیت توان سیستم الکتریکی جزیره‌ای را حفظ می‌کنند. این عملکرد معمولاً توسط شبکه ابزار زمانی که سالم است، یا تولید چرخشی در صورت موجود بودن برآورده می شود، اما اگر سیستم به طور مناسب طراحی شده باشد، می تواند با ذخیره سازی به دست آید.

هنگامی که انتقال به عملیات جزیره ای کامل شد، نقش سیستم ذخیره سازی از یک پاسخ کوتاه مدت فوری به حداکثر رساندن طول مدت کارکرد ریزشبکه تغییر می کند. توانایی سیستم ذخیره سازی برای شارژ و دشارژ منبعی قابل ارسال ایجاد می کند که می تواند از دستورات یک سیستم کنترل ریزشبکه پیروی کند تا به تولید اضافی کمک کند یا عرضه تولید در محل را با تقاضای برق متعادل کند. باز هم، از آنجایی که سیستم‌های ذخیره‌سازی تجاری موجود امروزی معمولاً می‌توانند اندازه‌ای داشته باشند تا توان نامی تا چهار ساعت ارائه کنند، توانایی سیستم ذخیره‌سازی برای پشتیبانی مداوم از ریزشبکه محدود است مگر اینکه با تولید در محل شارژ مجدد شود. بنابراین ذخیره سازی بدون تولید خطری برای تداوم منبع تغذیه حیاتی برای مدت زمان بسیار طولانی دارد.

دیدگاه های میدانی

نمونه پروژه های ریزشبکه و ذخیره انرژی آمرسکو برای نشان دادن نقش های مختلف ذخیره انرژی در یک ریزشبکه خدمت می کنند. رویکرد آمرسکو به امنیت انرژی مبتنی بر توسعه، طراحی و اجرای راه‌حل‌هایی است که با نیازها و شرایط خاص مشتری مطابقت دارد. این برای ارائه راه‌حل‌های مقرون‌به‌صرفه و فنی به مشتریان بسیار مهم است، زیرا ریزشبکه‌ها و ذخیره‌سازی انرژی مفاهیم یکسانی نیستند.

شرکت آمرسکو توانایی اجرای یک راه حل ریزشبکه بدون ذخیره سازی را در کشتی سازی نیروی دریایی پورتسموث در کیتری، ME نشان داد. این پروژه که از طریق برنامه ESTCP وزارت دفاع تامین می شود، با تکمیل دارایی های CHP و تولید دیزل (DG) موجود در محل با کنترل های ریزشبکه جدید، انتقال بی وقفه سایت از برق شهری به عملیات جزیره ای را فراهم کرد.

قبل از اجرا، دارایی های تولیدی موجود سایت شامل دو توربین احتراق و دو دیزل ژنراتور اضطراری بود. با این حال، تقاضای برق سایت اغلب به مقادیر بسیار بالاتر از ظرفیت این واحدها می رسد. در طول کارکرد عادی، سایت برق را از ابزار برق خریداری می کند تا بارهایی را که با تولید در محل پشتیبانی می کند، ارائه دهد. قبل از پروژه، از دست دادن یا اختلال در زمان‌های بار الکتریکی بالای سایت، باعث می‌شد که سایت دچار خاموشی کامل شود، زیرا تولید در محل نمی‌توانست بار سایت را حمل کند و دیزل ژنراتورهای پشتیبان معمولاً آفلاین بودند و بلافاصله برای جلوگیری از آن در دسترس نبودند. یک قطعی

این پروژه بر اجرای یک سیستم کنترل ریزشبکه پیشرفته متمرکز بود. این سیستم متوجه می شود که یک قطع برق قریب الوقوع در حال آمدن است و خیلی سریع (در حدود ده ها میلی ثانیه) بارهای غیر بحرانی را در سرتاسر پایه خاموش می کند تا از قطع برق بیشتر سایت جلوگیری کند. اگرچه یک سیستم ذخیره سازی بزرگ قطعا راه حل را بهبود می بخشد، این پروژه نشان می دهد که چگونه ذخیره انرژی همیشه یک نیاز ثابت برای یک ریزشبکه موثر نیست.

از سوی دیگر، Ameresco در حال برنامه ریزی برای پیاده سازی یک راه حل ریزشبکه در یک سایت دولت ایالات متحده در آمریکای مرکزی است. اتصال سایت به شبکه برق محلی از لحاظ تاریخی بسیار غیرقابل اعتماد بوده است و آنها را مجبور کرده است تا 100 درصد بار الکتریکی خود را با برق تولید شده دیزل گران قیمت ارائه دهند.

آمرسکو قصد دارد یک آرایه بزرگ تولید PV خورشیدی، یک سیستم ذخیره باتری بزرگ، یک سیستم کنترل ریزشبکه پیشرفته را پیاده‌سازی کند که در نتیجه ظرفیت پشتیبان دیزلی سنتی سایت را کاهش می‌دهد.

گنجاندن این دارایی‌ها به سایت اجازه می‌دهد تا مجدداً در یک سرویس ابزار سنتی شرکت کند زیرا راه‌حل پیشنهادی نگرانی‌های مربوط به قابلیت اطمینان اصلی را کاهش می‌دهد. هنگامی که اتصال محلی قطع می شود، هیچ چرخشی مداوم در این سایت برای حفظ کیفیت برق در محل وجود ندارد. بنابراین، سیستم ذخیره‌سازی مسئولیت مهمی برای کنترل ولتاژ و فرکانس سیستم و تثبیت جریان برق در کنار تولید PV موجود تا زمانی که DGهای پشتیبان آنلاین شوند، بر عهده خواهد داشت. بدون باتری به عنوان بخشی از این راه حل، سایت نمی تواند به یک انتقال ریزشبکه بدون وقفه دست یابد.

بطورکلی سیستم‌های ذخیره‌سازی باتری، ارزش شبکه‌ای قابل توجهی را برای مشتری به عنوان محرک اصلی فراهم می‌کنند. به عنوان مثال یک سیستم باتری لیتیوم یونی 750 کیلووات تا 1425 کیلووات ساعت را به همراه PV خورشیدی روی پشت بام و اقدامات بهینه سازی انرژی ساختمان به صورت آنلاین می توان در نظر گرفت. سیستم باتری به طور قابل توجهی شارژهای تقاضای برق سایت و مصرف انرژی در اوج مصرف از شرکت برق را در مکانی که نرخ تقاضای برق در آن بالاترین در کشور است کاهش می دهد. محرک های هزینه آب و برق به جای امنیت انرژی، توسعه این راه حل را تحریک کردند.

نتیجه گیری

پیاده‌سازی یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی به خودی خود یک ریزشبکه را تشکیل نمی‌دهد، زیرا باید ملاحظاتی برای تولید و کنترل‌هایی در نظر گرفته شود تا انتقال مشتری از خدمات شهری به عملیات جزیره‌ای را برآورده کند و سایت را برای مدت زمان قطع مورد انتظار حفظ کند.

یک سیستم ذخیره انرژی یک نیاز صریح برای هر ریزشبکه نیست. یک سایت با تولید در محل با اندازه مناسب، کنترل‌های ریزشبکه می‌تواند به اهداف امنیت انرژی خود بدون هزینه اضافی یک سیستم ذخیره‌سازی دست یابد.

ذخیره انرژی باید به عنوان یک دارایی ارزشمند در نظر گرفته شود که می تواند مزایای افزوده قابل توجهی را برای یک ریزشبکه فراهم کند. با ارائه تولید برق لحظه ای، معرفی توانایی جذب و تخلیه نیرو و کمک به حفظ کیفیت برق یک سیستم جزیره ای، سیستم های ذخیره سازی می توانند به عنوان عاملی عمل کنند که ریزشبکه را در کنار هم نگه می دارد در حالی که در طول عملیات عادی متصل به شبکه، توان تولید می کند. سرعت پاسخگویی به سیستم‌های ذخیره‌سازی اجازه می‌دهد تا مزایایی را که برخی تجهیزات تولیدکننده مشتری نمی‌توانند ارائه دهند، ارائه دهند.

منبع : مجموعه مقالات و پروژه های شرکت آمرسکو