مروری بر شبکه های هوشمند

مروری بر شبکه های هوشمند:
شبکه برق کنونی بر مبنای مفاهیمی شکل گرفته که به دوران توماس ادیسون، جورج وستینگهاوس و نیکولا تسلا باز می گردد.

پس از یک چالش ابتدایی بر سر اینکه از جریان مستقیم (ذخیره سازی آسان تر) یا جریان متناوب (انتقال آسان تر) استفاده شود، طراحی شبکه با ژنراتورهای سنکرون، ترانسفورماتورها، یک شبکه انتقال با سطوح ولتاژ بالا و متوسط مختلف و یک شبکه توزیع ولتاژ پایین انجام شد. این موضوع مربوط به 120 سال پیش است.

روند نسبتاً جدید تولید انرژی تجدیدپذیر پراکنده، منجر به چالش های جدیدی در شبکه شده که نیاز به هوشمند شدن آن دارد.

به طور خاص، این چالش ها عبارت اند از:

محدودیت پیش بینی:
منابع انرژی تجدیدپذیر معمولاً وابسته به آب وهوا هستند. برای سیستم های فتوولتائیک، وضعیت روزانه خورشید را می توان به خوبی محاسبه کرد، اما عوامل هواشناسی مانند ابرها، دمای محیط و مه را به سختی می توان پیش بینی کرد. این مسئله برای تولید انرژی بادی نیز صادق است.

محدودیت کنترل:
نیروگاه های تجدیدپذیر مانند فتوولتائیک، بادی و برق آبی قابل کنترل نیستند؛ مگر اینکه بخشی از انرژی تولیدی شان از دست برود. در آلمان که سیستم های فتوولتائیک مقدار قابل توجهی از توان الکتریکی کشور را تأمین می کنند، تولید بیش از حد توسط قانون انرژی های تجدیدپذیر آلمان مورد بررسی قرار گرفته است.

مطابق این قانون، بهره برداران سیستم های فتوولتائیک می توانند حداکثر خروجی شان را در 70 درصد پیک توان قرار دهند یا در مدیریت تولید شرکت کنند که به اپراتور شبکه اجازه می دهد عملکرد نیروگاه را از دور کنترل کنند. این موضوع به طور بالقوه منجر به تولید سالانه کمتر می شود.

کاهش اینرسی:
تولید متداول با ژنراتورهای سنگین و بزرگ سنکرون، از طریق انرژی جنبشی ذخیره شده در روتور و شفت گردان، اثر پایدارساز روی شبکه دارد.

همچنین این امکان را می دهد تا از فرکانس شبکه به عنوان یک سیگنال کنترلی استفاده کرد. فرکانس شبکه بالاتر نشان دهنده اضافه تولید است، در حالی که فرکانس پایین تر، اضافه بار را نشان می دهد. در مقابل، سیستم فتوولتائیک عملاً هیچ اینرسی ندارد.

با جایگزینی توربین های بخار بزرگ با سیستم های فتوولتائیک، حفظ پایداری شبکه دشوارتر می شود.

تولید پراکنده:
از دیدگاه خطوط انتقال طولانی، تولید پراکنده نسبت به تولید متداول برتری دارد. با این حال، با تنها یک نقطه تولید و تخمین صحیح آمار مصرف، می توان با اندازه گیری چند نقطه، ولتاژ شبکه را پیش بینی و کنترل کرد.

با داشتن نقاط تولید متعدد، پیش بینی ولتاژ شبکه در یک سیستم توزیع، نیاز به نقاط اندازه گیری و کنترل بیشتری دارد.

علاوه بر موضوعات مربوط به انرژی تجدیدپذیر پراکنده، دلایل بیشتری برای ارتقای شبکه فعلی وجود دارد، مثلاً:

افزایش بازده انرژی:
با در اختیار داشتن اطلاعات دقیق تر از اینکه انرژی به چه اندازه و برای چه مصرف می شود، می توان اقدامات مؤثری برای کاهش مصرف آن انجام داد.

در مقابل، اگر آگاهی از این جزئیات وجود نداشته باشد، توجیه سرمایه گذاری، مثلاً جایگزین کردن یک دستگاه قدیمی با نمونه ای جدیدتر و کارآمدتر، دشوار خواهد بود.

موضوع دیگر، حضور انسان در چرخه است؛ ارائه بازخورد مصرف انرژی لحظه ای دقیق، مصرف کنندگان را در فهم استفاده شان از انرژی یاری می دهد، آن ها را مسئول تر می کند و در بلندمدت، موجب تغییر در رفتار و سبک زندگی شان می شود.

کاهش هزینه های بهره برداری:
در یک شبکه هوشمند، تعمیر و نگهداری و کارهای عملیاتی، خودکار انجام می شود؛ مثلاً قرائت از راه دور انرژی سنج ها. با این حال، باید توجه کرد که افزایش سطح اتوماسیون، خطر حملات سایبری به چنین زیرساخت هایی را به دنبال دارد.

افزایش اطلاعات درمورد الگوهای مصرف:
این اطلاعات را می توان با نصب سنجه های هوشمند و تحلیل داده های آن ها به دست آورد. در طرف مثبت قضیه، با این کار می توان به پیش بینی مشکلات شبکه یا شناسایی موارد سرقت انرژی کمک کرد، اما در طرف منفی آن، از دست دادن حریم خصوصی مطرح می شود.

بنابراین، یک شبکه هوشمند نه تنها باید منابع انرژی تجدیدپذیر پراکنده را در بر گیرد، بلکه باید از فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) نیز برای مدیریت و کنترل سیستم جدید با درنظر گرفتن اثرات اجتماعی، زیست محیطی و اقتصادی آن بهره گیرد.

در سطح فنی، این موضوع شامل تولید پراکنده، ذخیره سازی، ترانسفورماتورهای هوشمند محلی، اندازه گیری هوشمند، وسایل نقلیه الکتریکی و اتوماسیون ساختمان است.

سیستم های فتوولتائیک متصل به شبکه نقش مهمی در این موضوع دارند، زیرا عملی ترین سیستم تولید پراکنده هستند، اما اتصال تعداد زیادی مولد فتوولتائیک به شبکه، نیازمند یک شبکه هوشمند با سازوکارهای پیش بینی، ذخیر سازی، کنترل سریع و پاسخ تقاضا است.