استراتيجيات إدارة الطاقة الذكية لمراكز تخزين الطاقة الحديثة

إجابة سريعة

يعتمد نجاح أو فشل مركز شحن أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات الحديثة على استراتيجية إدارة الطاقة، وليس على مكوناته المادية. تستخدم إدارة الطاقة الذكية نظام إدارة طاقة على مستوى الموقع (EMS) لتحديد وقت شحن البطارية، وكيفية توزيع الطاقة بين أجهزة الشحن، ووقت تفريغها لتخفيف ذروة الطلب، أو تحويل الأحمال، أو الاستجابة للطلب. تتمثل الاستراتيجيات الثلاث ذات التأثير الأكبر في: توزيع الطاقة لتخفيف ذروة الطلب، والتحكم الديناميكي في طاقة أجهزة الشحن عبر بروتوكول OCPP 2.0.1، والجدولة القائمة على السعر والتي تستغل فروق التعرفة. عند تطبيقها معًا، تُخفض هذه الاستراتيجيات تكلفة الطاقة في الموقع بنسبة تتراوح بين 20 و40%، وتحمي أجهزة الشحن من قيود الشبكة، وتُدرّ إيرادات جديدة من برامج المرافق. تشرح هذه المقالة هيكلية نظام إدارة الطاقة، والاستراتيجيات الأساسية، والبروتوكولات التي تجعل التشغيل الآلي موثوقًا على مستوى المركز.

أهم النقاط

• نظام إدارة الطاقة هو العقل المتحكم الذي يربط البطارية والشواحن والخلايا الكهروضوئية وتعريفات الشبكة في مشكلة تحسين واحدة.
• يُعدّ تقليل ذروة الطلب الاستراتيجية ذات القيمة الأعلى: حيث يؤدي تحديد نافذة الطلب التي تبلغ مدتها 15 دقيقة إلى خفض أكبر بند في تعريفة الكهرباء.
• تتيح إدارة الأحمال الديناميكية (DLM) لوصلة شبكة ذات حجم صغير خدمة أساطيل شواحن ذات حجم كبير.
• يؤدي الجدولة القائمة على السعر والاستجابة للطلب إلى تحويل التخزين إلى أصل مدر للدخل، وليس مجرد أداة لتجنب التكاليف.
• تعتبر قابلية التشغيل البيني لـ OCPP 2.0.1 و ISO 15118 و IEC 61851 الأساس غير القابل للتفاوض للتحكم الآلي.

ما الذي يجعل محطة الشحن "ذكية" اليوم؟

قبل عشر سنوات، كانت محطة شحن السيارات الكهربائية عبارة عن مجموعة من أجهزة الشحن المتصلة بعداد. وكان كل جهاز شحن يتفاوض على الطاقة مع السيارة بشكل مستقل، وتستقبل المحطة ذروة الطلب، ويقوم المشغل بتسوية الخسائر في نهاية الشهر. أما مركز تخزين الطاقة الذكي فهو مختلف تمامًا: إذ يتم قياس كل تدفق للطاقة، وتحسين كل قرار، وتتصرف المحطة كأصل واحد قابل للتحكم.

تتمثل القدرات الأساسية للمحور الذكي فيما يلي:

1. القياس في الوقت الحقيقي2.التنبؤ3. من الطلب على المركبات، وإنتاج الطاقة الشمسية، ونطاقات التعريفة.تحسينالذي يحقق أقل تكلفة أو أعلى عائد ضمن القيود المادية والتعاقدية. 4.تنفيذالذي يرسل إشارات التحكم إلى أجهزة الشحن، ونظام تحويل الطاقة للبطارية، ونقطة ربط الشبكة. 5.امتثالمع اتفاقيات ربط الشبكة، وقواعد القياس، ومتطلبات الأمن السيبراني.

إنّ مركزاً بدون هذه الإمكانيات ليس سوى محطة شحن أكبر. أما بوجودها، فيصبح أصلاً من أصول الطاقة، يستطيع مشغله أن يضمن لشركة الكهرباء استقراراً في استهلاك الطاقة، وأن يفي بهذا الوعد.

التسلسل الهرمي لنظام إدارة الطاقة: وحدة التحكم في الموقع، شبكة الشحن، حافة الشبكة

تعمل إدارة الطاقة الذكية على ثلاثة مستويات متداخلة، وأفضل التطبيقات تحافظ على التنسيق بين المستويات الثلاثة:

الطبقة 1 - وحدة التحكم في الموقع (EMS).يُعد نظام إدارة الطاقة (EMS) هو الجهة المسؤولة عن اتخاذ القرار. فهو يستقبل بيانات التعريفة، ومؤشرات حالة البطارية، وحالات الشواحن، وبيانات التنبؤ، ثم ينشر خطة تشغيل تتضمن: نقاط ضبط شحن/تفريغ البطارية، وحدود الطاقة لكل شاحن، وأهداف استيراد الطاقة من الشبكة. وتقوم منصات إدارة الطاقة التجارية بتحديث هذه الخطة كل 1-15 دقيقة، وذلك تبعًا لتقلبات السوق.

الطبقة الثانية - شبكة الشواحن.تُنفّذ أجهزة الشحن الخطة عبر بروتوكول OCPP. في الإصدار 2.0.1 من OCPP، يُمكن لنظام إدارة الطاقة (EMS) تحديد حدود طاقة ديناميكية لكل جلسة شحن في الوقت الفعلي، مع تقليل الطاقة المُخصصة لكل جلسة للحفاظ على الموقع ضمن حدوده القصوى. هذه هي الآلية التي تُحوّل وصلة بقدرة 500 كيلو فولت أمبير إلى مركز طاقة بقدرة 960 كيلو واط: تعمل أجهزة الشحن بكامل طاقتها عند تفريغ البطارية، وتُخفّض طاقتها تدريجيًا عند عدم تفريغها.

الطبقة 3 - حافة الشبكة.تقوم نقطة الربط بالإبلاغ عن بيانات العدادات، وفي برامج الشبكة الذكية، تستقبل إشارات خارجية - مثل أحداث استجابة الطلب، ومزادات السعة، أو نبضات أسعار وقت الاستخدام. ويتعامل نظام إدارة الطاقة مع هذه الإشارات كقيود أو مدخلات سعرية في عملية التحسين.

يكمن نمط الفشل الذي يجب تجنبه في التحكم المنعزل: فإذا كانت البطارية تُدار من قِبل مُورّد، والشواحن من قِبل آخر، والألواح الشمسية من قِبل ثالث، فلن يكون هناك مُحسِّن واحد. ولهذا السبب، تُحقق منصات محطات شحن أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات المتكاملة - حيث يتم شحن نظام إدارة الطاقة مع البطارية والشواحن - نتائج أفضل باستمرار من أفضل مجموعات البطاريات المُجمَّعة في الموقع.

إدارة الأحمال: تقليل ذروة الأحمال وتحويلها

تُعتبر استراتيجيتان أساسيتان لإدارة الطاقة في مراكز تخزين الطاقة بالبطاريات هما تقليل ذروة الطلب وتحويل الأحمال. غالباً ما يتم الخلط بينهما، لكنهما تستهدفان مكونات تعريفة مختلفة.

حلاقة الذقنيحدد النظام الحد الأقصى لطلب الشبكة في الموقع خلال 15 دقيقة. ويراقب نظام إدارة الطاقة (EMS) نافذة الطلب المتغيرة؛ فعندما يقترب ذروة الطلب المتوقعة من الحد الأقصى، يقوم بتفريغ البطارية بالقدر اللازم. وتتمثل الفائدة في تجنب رسوم الطلب، والتي تُعد عادةً أكبر تكلفة قابلة للتحكم في فاتورة موقع الشحن. في مركز رئيسي ذي ذروة طلب تبلغ 1.2 ميغاواط وتعرفة 15 دولارًا/كيلوواط، يوفر خفض استهلاك 300 كيلوواط مبلغ 54,000 دولار سنويًا.

تحويل الأحماليُوزّع هذا النظام استهلاك الطاقة على مدار الوقت. تُشحن البطارية خلال ساعات انخفاض الطلب (عندما يتراوح سعر الطاقة بين 0.03 و0.06 دولار/كيلوواط ساعة)، وتُشغّل أجهزة الشحن خلال ساعات ذروة الطلب (عندما يتراوح سعر الطاقة بين 0.15 و0.30 دولار/كيلوواط ساعة). وتتمثل الفائدة في خفض تكلفة الطاقة، بالإضافة إلى تحقيق عائدات من فروق الأسعار في بعض الأسواق.

يقارن الجدول أدناه الاستراتيجيات حسب الهدف، ومحفز التحكم، والادخار النموذجي:

يقوم نظام إدارة الطاقة المُحسَّن بتشغيل العديد من هذه العمليات في وقت واحد: تقليل ذروة الطلب، ونقل الحمل عبر فترات التعريفة، والاستجابة لأحداث إدارة الطلب عندما يكون السعر مناسبًا.

الاستجابة للطلب و V2G: التخزين كأصل من أصول الشبكة

بالإضافة إلى العداد، يمكن لمحطة تخزين الطاقة بالبطاريات المشاركة في خدمات الشبكة التي تُدفع مقابل المرونة. تدفع برامج الاستجابة للطلب للمواقع مقابل خفض الاستهلاك - أو تصدير الطاقة - عند تعرض الشبكة لضغط. تمثل محطة تخزين طاقة بالبطاريات بقدرة 240 كيلوواط، قادرة على تخفيف الحمل لمدة أربع ساعات، ما يقارب 1 ميغاواط ساعة من المرونة القابلة للتوزيع، بقيمة تتراوح بين 12,000 و36,000 دولار أمريكي سنويًا في أسواق الاستجابة للطلب النشطة.

تُطبّق تقنية نقل الطاقة من المركبة إلى الشبكة (V2G) نفس المنطق على أسطول الشاحنات أو الحافلات نفسه. فباستخدام أجهزة الشحن ثنائية الاتجاه والمركبات المتوافقة مع معيار ISO 15118، يُمكن لمحطة الشحن تجميع بطاريات المركبات المتوقفة لتكوين محطة طاقة افتراضية. ورغم أن تشغيل هذه التقنية أكثر تعقيدًا نظرًا لضرورة مراعاة قيود توافر الأسطول، إلا أنها تُحوّل أكبر الأصول غير المُستغلة (بطاريات الأسطول المتوقفة) إلى مصدر دخل. ويُفضّل معظم مُشغّلي الشبكات إدخال تقنية V2G تدريجيًا بعد إثبات فعالية تقنيات تقليل ذروة الطلب وإدارة الطلب، إذ لا تتطلب هذه التقنيات أي تعاون من جانب المركبات.

الجدولة والتحكم التنبؤي القائم على الذكاء الاصطناعي

يُهدر نظام إدارة الطاقة الثابت القائم على قواعد محددة - مثل "التفريغ من الساعة الرابعة مساءً إلى التاسعة مساءً" - فرصًا لتحقيق أرباح، نظرًا لتغير الأحمال والأسعار الفعلية يوميًا. أما التحكم التنبؤي فيُضيف بُعدًا جديدًا للتنبؤ: إذ يتنبأ نظام إدارة الطاقة بطلب الشحن غدًا من خلال بيانات تتبع أسطول المركبات، وإنتاج الطاقة الشمسية من بيانات الطقس، والأسعار من جداول التعريفات، ثم يُحسّن خطة البطارية على مدار الفترة الزمنية المحددة.

تتجاوز تحسينات التعلم الآلي ذلك، إذ تتعلم الأنماط الأسبوعية للموقع وتُعدّل سياسة الإرسال تلقائيًا. وتشمل النتائج القابلة للقياس في مراكز التشغيل ما يلي:

• تخفيض إضافي في التكاليف بنسبة 10-20%بدلاً من التوزيع القائم على القواعد، من خلال تحسين توقيت دورات البطارية؛
• عدد دورات شحن البطارية أقل لكل كيلوواط ساعة يتم استهلاكها، وإطالة عمر الدورة عن طريق مطابقة طاقة التفريغ مع الحمل الفعلي؛
• تحسين الامتثال لحدود الذروةخلال الأيام غير العادية (العطلات، موجات الحر، الأحداث) التي لا تنطبق عليها القواعد.

بالنسبة لمحطة شحن BESS بقدرة 2 ميجاوات و960 كيلووات، حيث يمكن أن تكلف دورة واحدة سيئة التوقيت مئات الدولارات من حيث التدهور بالإضافة إلى تجاوزات الطلب، فإن التحكم التنبؤي ليس ترفًا - بل هو معيار التشغيل.

قابلية التشغيل البيني للبروتوكولات: OCPP 2.0.1 و ISO 15118

تعتمد كل استراتيجية ذكية مذكورة أعلاه على أن تتحدث أنظمة إدارة الطاقة لغة مشتركة مع أجهزة الشحن والمركبات. وتحدد ثلاثة بروتوكولات هذه اللغة:

• OCPP 2.0.1— معيار الشحن إلى النظام الخلفي. تتيح وظيفة الشحن الذكي لنظام إدارة الطاقة تحديد حدود الطاقة لكل جلسة، وضوابط المعاملات، وإدارة الأجهزة عن بُعد. وهو يحل محل OCPP 1.6J للموزعات الجديدة بفضل أمانه المُحسّن (TLS)، ومعالجته المُحسّنة للأعطال، ودعمه للشحن الذكي المُدمج.
• ISO 15118— معيار التوصيل والشحن من المركبة. يقوم بروتوكول التوصيل والشحن بالتحقق من هوية المركبة، وينقل حالة بطارية المركبة وقيود الشحن إلى نظام إدارة الطاقة، مما يتيح جلسات شحن مُحسّنة حقًا بدلاً من الشحن بمعدل ثابت.
• IEC 61851— معيار الإشارة الأساسي لمحطات شحن المركبات الكهربائية الذي تطبقه جميع أجهزة الشحن الحديثة، والذي يمتد إليه كل من OCPP وISO 15118.

يُعدّ تحديد هذه العناصر الثلاثة جميعها عند الشراء أرخص بوليصة تأمين يمكن لمالك مركز الشحن شراؤها. فهو يضمن إمكانية تشغيل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات للبنية التحتية للمركبات الكهربائية بواسطة أي نظام إدارة طاقة حديث، وإمكانية انضمامه إلى برامج إدارة الطلب المستقبلية، وقبوله مركبات من أي مصنّع دون الحاجة إلى حلول بديلة.

خاتمة

إن الإدارة الذكية للطاقة هي ما يميز مركز تخزين الطاقة بالبطاريات عن مجرد مجموعة من البطاريات. فنظام إدارة الطاقة - المزود بمنطق تقليل ذروة الطلب، وإدارة الأحمال الديناميكية، وجدولة تراعي التعرفة، وبروتوكولات مفتوحة - يحول التخزين إلى أداة لخفض التكاليف وزيادة الإيرادات مع ضمان استمرار تغذية جميع أجهزة الشحن. ينبغي على المشغلين إعطاء الأولوية للمنصة المتكاملة على شراء المكونات، والالتزام بمعيار OCPP 2.0.1 ومعيار ISO 15118، والبدء بتقليل ذروة الطلب قبل إضافة عناصر أخرى مثل المراجحة، وإدارة الطلب، وفي النهاية تقنية V2G. لقد أثبتت هذه الاستراتيجية فعاليتها وقابليتها للقياس، وهي تشكل بشكل متزايد الفرق بين موقع شحن يصمد أمام متطلبات التعرفة الحالية وآخر يزدهر فيها.

التعليمات

1. ما الذي يفعله نظام إدارة الطاقة (EMS) فعليًا في مركز شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)؟يُحدد نظام إدارة الطاقة باستمرار وقت شحن البطارية، ومقدار الطاقة التي يمكن لكل شاحن سحبها، ووقت تفريغها، وذلك لتحقيق التوازن الأمثل مع فترات التعرفة، وحدود الشبكة، وطلب المركبات. إنه بمثابة العقل البرمجي للمركز.

2. ما مقدار التوفير الذي يمكن تحقيقه من خلال إدارة الطاقة الذكية في موقع الشحن؟عادةً ما تُسفر هذه العملية عن انخفاض إجمالي تكلفة الطاقة بنسبة تتراوح بين 20 و40%، مع تخفيضات في رسوم الطلب تتراوح بين 30 و50%، وتخفيضات في تكلفة الطاقة تتراوح بين 10 و25% نتيجةً لتحويل الأحمال. وتزداد هذه الوفورات مع ازدياد حدة تعريفة الطاقة.

3. ما الفرق بين تقليل ذروة الطلب وتحويل الأحمال؟يُحدِّد نظام تقليل ذروة الاستهلاك أعلى استهلاك للشبكة خلال 15 دقيقة لخفض رسوم الطلب؛ بينما ينقل نظام تحويل الأحمال استهلاك الطاقة إلى فترات تعريفة أرخص لخفض رسوم الطاقة. يستخدم كلا النظامين البطارية، لكنهما يعالجان مكونات مختلفة من فاتورة الطاقة.

4. هل أحتاج إلى OCPP 2.0.1، أم أن 1.6J كافية؟يُنصح بشدة باستخدام بروتوكول OCPP 2.0.1 للموزعات الجديدة، حيث يُضيف أمان TLS، وشحنًا ذكيًا مدمجًا، وإدارةً مُحسّنة للأجهزة. أما بروتوكول OCPP 1.6J فيظل مناسبًا للتحديثات، ولكنه يُحدّ من الأتمتة المستقبلية ومشاركة الاستجابة للطوارئ.

5. كيف تسمح لي إدارة الأحمال الديناميكية باستخدام شواحن ذات سعة أكبر؟يحدد نظام إدارة الطاقة إجمالي طاقة الموقع عند حد اتصال الشبكة ويعطي الأولوية للجلسات، بحيث يمكن لاتصال 500 كيلو فولت أمبير استضافة 960 كيلو واط من أجهزة الشحن - كل منها يعمل بكامل طاقته طالما أن الإجمالي يبقى تحت الحد الأقصى.

6. هل يمكن لمركز تخزين الطاقة بالبطاريات أن يحقق أرباحًا من الاستجابة للطلب؟نعم، حيثما تتوفر إمكانية التجميع. يمكن لبطارية بقدرة 240 كيلوواط أن تفرغ حوالي 1 ميغاواط ساعة خلال حدث مدته أربع ساعات، مما يدرّ ربحاً يتراوح بين 50 و150 دولاراً لكل كيلوواط سنوياً في أسواق إدارة الطلب النشطة.

7. هل يُعدّ استخدام تقنية نقل الطاقة من المركبة إلى الشبكة الكهربائية عمليًا في مستودعات الأساطيل اليوم؟يتزايد استخدام تقنية V2G مع أجهزة الشحن ثنائية الاتجاه ومركبات ISO 15118، لكنها تُضيف تعقيدًا تشغيليًا. يلجأ معظم المشغلين إلى هذه التقنية بعد ترسيخ أنظمة تقليل ذروة الطلب وإدارة الطلب، حيث يتعاملون مع بطاريات الأسطول المتوقفة كجزء من نظام تخزين الطاقة في الموقع.