كيفية تحسين أداء شبكات الكهرباء مع التوسع في الطاقة الشمسية (دراسة مصرية)
داليا الهمشري
تواجه شبكات الكهرباء تحديات متزايدة مع التوسع في الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة، وفي مقدمتها الشمس والرياح، التي أصبحت عنصرًا رئيسًا في خطط التحول إلى أنظمة طاقة أكثر استدامة.
ويفرض ارتفاع قدرات الطاقة المتجددة على شبكات الكهرباء تطوير آليات التشغيل والتحكم، ولا سيما مع التغير المستمر في إنتاج الكهرباء من المصادر المتجددة؛ ما يجعل أنظمة تخزين الطاقة أحد الحلول المهمة لتعزيز مرونة الشبكات.
وفي هذا السياق، ناقش الباحث في قسم الهندسة الكهربائية في كلية الهندسة بشبرا التابعة لجامعة بنها المهندس ضياء بيومي، رسالة دكتوراه، اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، تناولت تحسين أداء شبكات الكهرباء في ظل ارتفاع قدرات الطاقة الشمسية، بالاعتماد على أنظمة تخزين الطاقة.
وجاء البحث بإشراف ومناقشة كل من: أستاذ نظم القوى الكهربائية رئيس قسم الهندسة الكهربائية الأسبق في كلية الهندسة بشبرا التابعة لجامعة بنها الدكتور محمد مؤنس سلامة، وأستاذ نظم القوى الكهربائية في قسم هندسة القوى والآلات الكهربائية بكلية الهندسة جامعة عين شمس الدكتور المعتز يوسف عبدالعزيز.
كما شارك في الإشراف والمناقشة أستاذ نظم القوى الكهربائية رئيس قسم الهندسة الكهربائية في كلية الهندسة بشبرا التابعة لجامعة بنها الدكتور محمد أحمد إبراهيم، ومدرس نظم القوى الكهربائية في كلية هندسة الطاقة بجامعة أسوان الدكتور جابر رشوان.
تحسين أداء شبكات الكهرباء
استهدفت الدراسة تحسين تشغيل الشبكة القومية لجمهورية مصر العربية المرتبطة كهربائيًا مع دول الجوار الـ3: الأردن وليبيا والسودان، بما يدعم قدرتها على استيعاب المزيد من مصادر الطاقة المتجددة، مع الحفاظ على استقرار الشبكات وكفاءة التغذية الكهربائية.
وركّزت الدراسة على تطوير نموذج ذكي لتحسين أداء شبكات الكهرباء المرتبطة واستقرارها، بالاعتماد على خوارزميات تحسين متعددة الأهداف مستوحاة من الطبيعة.
وأوضح المشرف الرئيس على الرسالة الدكتور محمد إبراهيم -في تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة المتخصصة- أن النموذج المقترح يستهدف تحقيق التشغيل الأمثل للشبكة، من خلال تقليل الخسائر وتحسين استقرار الجهد والتردد عبر مختلف نقاط النظام.
وأخذت الدراسة في الحسبان التحديات التي تواجه شبكات الكهرباء الحديثة مع ارتفاع مساهمة طاقتي الشمس والرياح، خصوصًا في ظل تقلبات الأحمال والتغير في إنتاج الكهرباء من المصادر المتجددة نتيجة اختلاف الظروف الجوية.
ولفت إبراهيم إلى أن هذا النهج يتيح تطوير شبكات كهرباء أكثر مرونة وقدرة على استيعاب مصادر الطاقة المتجددة، من دون التأثير في كفاءة التشغيل أو جودة التغذية الكهربائية.
أنظمة تخزين الطاقة
اعتمدت الدراسة على نموذج تحكم متقدم قائم على المتحكم التناسبي-التكاملي-التفاضلي (PID)، مع الاستفادة من تقنية تحسين رونج-كوتا (Runge-Kutta)، بهدف الوصول إلى أفضل معاملات للمتحكم وتحقيق استجابة ديناميكية أكثر كفاءة في ظروف التشغيل المختلفة.
كما تضمنت الدراسة نمذجة مكونات الشبكة وإجراء عمليات محاكاة باستعمال بيئة البرمجة (MATLAB) على شبكات توزيع افتراضية تحاكي ظروف التشغيل الواقعية.
وركّز الباحثون خصوصًا على دمج أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)، إلى جانب النظام المغناطيسي فائق التوصيل (SMES)، لدعم أداء الشبكات الكهربائية المرتبطة.
وشملت الدراسة 3 حالات رئيسة لاختبار أداء شبكات الكهرباء، إذ تناولت الحالة الأولى استقرار الشبكات الـ4 من دون وجود مصادر للطاقة المتجددة.
وفي الحالة الثانية، جرى دمج مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح مع الشبكات الكهربائية؛ بهدف مقارنة الأداء في عدد من سيناريوهات التشغيل.
أمّا الحالة الثالثة، فتناولت استقرار الشبكة في وجود أنظمة تخزين الطاقة، مع دراسة مدى تأثيرها في تحسين أداء النظام.
كما درست التجارب تأثير عدم اليقين الناتج عن تغير الأحمال وتذبذب إنتاج الطاقة المتجددة بسبب الظروف الجوية المتغيرة، كونهما من العوامل المؤثرة مباشرةً في التشغيل الفعلي لشبكات الكهرباء.
خفض خسائر الشبكة
أظهرت نتائج الدراسة أن دمج محطات التوليد التقليدية ومصادر الطاقة المتجددة ومولدات الديزل، إلى جانب أنظمة تخزين الطاقة باستعمال البطاريات والنظام المغناطيسي فائق التوصيل، يسهم بصورة واضحة في تحسين أداء الشبكة الكهربائية.
وأشار رئيس قسم الهندسة الكهربائية في كلية الهندسة بشبرا التابعة لجامعة بنها الدكتور محمد إبراهيم -في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- أن هذا الدمج يساعد على تقليل الخسائر النشطة وتحسين مستويات الجهد والتردد في الشبكات المرتبطة، مقارنًة بنمط التشغيل التقليدي.
وكشفت نتائج المحاكاة أن النموذج الذكي المقترح حقّق أداءً أفضل للشبكات، من خلال تحقيق توازن أكبر بين استقرار التردد والجهد وتقليل فاقد الطاقة.
وأوضحت الدراسة أن خوارزمية التحسين المستوحاة من طريقة رونج-كوتا (RUN) حققت أفضل أداء بين الخوارزميات المستعملة، من حيث الدقة والاستقرار وسرعة الوصول إلى الحلول المثلى.
كما تناولت الدراسة تأثير أنظمة تخزين الطاقة في تحسين أداء النظام من خلال ضبط معاملات المتحكم (PID) باستعمال خوارزمية (MGO)، بما يعزز اعتماد النظام واستقراره.
وأظهرت النتائج أن أنظمة تخزين الطاقة تؤثّر بصورة واضحة في منحنيات الأحمال داخل الشبكات الـ4، ولا سيما خلال ساعات الذروة وغروب الشمس.
وأكد النموذج المقترح فاعليته في التعامل مع هذه التغيرات من خلال إعادة توزيع الأحمال وتحسين توجيه الطاقة، بما يحقق تشغيلًا أكثر استقرارًا وكفاءة لشبكات الكهرباء.
التوسع في الطاقة المتجددة
خلصت الدراسة إلى أن استعمال الخوارزميات الذكية المستلهمة من الطبيعة يمثّل توجهًا فعالًا لتحقيق التشغيل الأمثل لشبكات التوزيع الكهربائية، في ظل الانتشار المتزايد لمصادر الطاقة المتجددة.
وأثبتت النتائج التفوق النوعي للمتحكم المضبوط بواسطة خوارزمية (RUN) في تحسين الأداء الديناميكي واستجابة التردد تحت مختلف سيناريوهات التشغيل.
كما أظهرت إمكان الاستعمال الأمثل لأنظمة تخزين الطاقة عند معايرة معاملات المتحكم باستعمال خوارزمية (MGO)؛ ما يجعلها خيارًا واعدًا لتطبيقات التشغيل والتحكم في الشبكات الكهربائية المرتبطة.
وأوصت الدراسة بتبنّي الأساليب الذكية في تخطيط وتشغيل شبكات الكهرباء مستقبلًا، مع توسيع نطاق الأبحاث المتعلقة بدمج طاقتي الشمس والرياح وأنظمة التخزين.
كما دعت الدراسة إلى تطوير نماذج أكثر مرونة قادرة على التعامل مع التغيرات اليومية في الأحمال وظروف التشغيل الديناميكية.
وأكدت لجنة المناقشة أن الدراسة تُمثّل إضافة علمية في مجال شبكات الكهرباء، لما تقدّمه من نموذج تطبيقي يسهم في دعم جهود مصر للتحول إلى أنظمة طاقة أكثر كفاءة واستدامة، ومواكبة الاتجاه العالمي نحو التحول الرقمي في قطاع الكهرباء.
موضوعات متعلقة..
- ابتكار مصري لحماية شبكات الكهرباء المصغرة وتعزيز موثوقية إمدادات الطاقة
- تحول الطاقة يفرض إعادة تصميم شبكات الكهرباء.. والذكاء الاصطناعي لا يكفي (تقرير)
- حفظ استقرار شبكات الكهرباء في ظل تقلبات الطاقة المتجددة.. تقنية مصرية جديدة
اقرأ أيضًا..
- توقعات الطلب على النفط في 2027.. تفاؤل حذر بعد صدمة 2026 (تقرير)
- 6 مصافي نفط عربية خارج الخدمة.. المغرب في المقدمة (مسح)
- تغطية خاصة للحرب على إيران وتأثيراتها في أسواق الطاقة
- تقارير دورية وتغطيات لوحدة أبحاث الطاقة
