کاهش ۶۰٪ نوسانات فرکانس شبکه برق با کنترل‌کننده فرکتالی

کاهش ۶۰٪ نوسانات فرکانس شبکه برق با کنترل‌کننده فرکتالی

PCT TECH 001  

  شبکه برق در عصر تجدیدپذیرها: چرا فرکانس از کنترل خارج شده و چطور می‌شود با یک نرم‌افزار نجاتش داد؟

اگر در صنعت برق فعالیت می‌کنید، احتمالاً این صحنه برایتان آشناست: اتاق کنترل، نمایشگرهای بزرگ، و خطوطی که باید صاف و پایدار باشند، اما مدام می‌لرزند. این لرزش‌ها اسمشان «انحراف فرکانس» است و هرچه سهم باد و خورشید در شبکه بیشتر می‌شود، این لرزش‌ها هم شدیدتر می‌شوند. راه‌حل امروز صنعت، خریدن کوهی از باتری‌های گران‌قیمت است. اما یک راه‌حل نرم‌افزاری تازه از راه رسیده که ادعا می‌کند می‌تواند بدون حتی یک باتری جدید، این لرزش‌ها را تا ۶۰٪ کاهش دهد. این مقاله شرح این مسئله، هزینه‌های سرسام‌آور روش‌های فعلی، و دعوتی برای کشف این راه‌حل جدید است.

 فرکانس: عددی که همه چیز به آن بسته است

شبکۀ برق یک سیستم زنده است و فرکانس، نبض آن. در اروپا، این نبض باید روی ۵۰ هرتز بماند؛ در آمریکا روی ۶۰ هرتز. این عدد نشان می‌دهد که در هر لحظه، میزان تولید برق دقیقاً با میزان مصرف برابر است. اگر تولید حتی برای چند ثانیه از مصرف جلو بزند، فرکانس بالا می‌رود. اگر مصرف پیشی بگیرد، فرکانس افت می‌کند. انحراف بیش از چند دهم هرتز از این مقدار نامی، برای شبکه حکم تب شدید را دارد: تجهیزات صنعتی آسیب می‌بینند، خطوط تولید متوقف می‌شوند، و در بدترین حالت، خاموشی سراسری رخ می‌دهد.

در نیروگاه‌های سنتی، یک محافظ طبیعی و رایگان وجود دارد:   اینرسی چرخان . توربین‌های عظیم گازی و بخاری با وزن ده‌ها تن، مثل یک چرخ‌دنده روان عمل می‌کنند. هرگاه مصرف ناگهان زیاد شود، این توربین‌ها بدون هیچ دستور خارجی، از انرژی جنبشی خود مایه می‌گذارند و برق بیشتری تحویل شبکه می‌دهند. این واکنش در کسری از ثانیه رخ می‌دهد و فرکانس را ثابت نگه می‌دارد. این یک هدیۀ فیزیک به مهندسان برق است.

 وقتی باد و خورشید، این هدیه را پس می‌گیرند:

حالا تصور کنید به جای آن توربین‌های سنگین، مزارع بادی و پنل‌های خورشیدی را جایگزین کنیم. این منابع دو مشکل هم‌زمان ایجاد می‌کنند:

 ۱.  حذف اینرسی:  توربین‌های بادی امروزی از طریق مبدل‌های الکترونیک قدرت به شبکه وصل می‌شوند. این مبدل‌ها مثل یک دیوار بین جرم چرخان توربین و شبکه عمل می‌کنند. پنل‌های خورشیدی هم که اساساً هیچ قطعه چرخانی ندارند. نتیجه: ضربه‌گیر طبیعی شبکه حذف می‌شود.

 ۲.  تولید تصادفی و لحظه‌ای:  تولید یک نیروگاه بادی با هر وزش باد کم و زیاد می‌شود. یک تندباد ناگهانی می‌تواند تولید را ظرف چند ثانیه ۲۰٪ بالا ببرد و بعد فروکش کند. یک ابر گذرا هم می‌تواند خروجی یک نیروگاه خورشیدی عظیم را در عرض چند ثانیه نصف کند. این نوسانات تند و تصادفی، در شبکه‌های سنتی وجود نداشتند.

ترکیب این دو عامل یعنی شبکه‌ای که هم ضربه‌گیرش را از دست داده، و هم منبع تغذیه‌اش به شدت بی‌قرار شده. نتیجۀ مستقیم این وضعیت، آماری است که هر اپراتوری را نگران می‌کند:  نوسانات فرکانس در شبکه‌هایی با نفوذ بالای تجدیدپذیرها، تا ۱۰ برابر افزایش یافته است.  فرکانس که روزگاری یک خط صاف بود، حالا یک نوار پر از قله و دره شده است.

 پاسخ امروز صنعت: باتری‌های بیشتر، هزینه‌های بیشتر

 صنعت برق برای مقابله با این بی‌نظمی، یک راه‌حل مشخص را پیش گرفته: نصب حجم عظیمی از  سیستم‌های ذخیره‌ساز باتری (BESS) . منطق ساده است: وقتی باد ناگهان زیاد می‌وزد و تولید بالا می‌رود، باتری‌ها شارژ می‌کنند؛ وقتی باد می‌خوابد، باتری‌ها دشارژ می‌کنند و برق تحویل شبکه می‌دهند. اما این راه‌حل سه مشکل بنیادین دارد که آن را از یک درمان، به یک مُسکن گران تبدیل می‌کند:

 ۱. هزینه سرمایه‌گذاری نجومی:  قیمت هر کیلووات‌ساعت ذخیره‌سازی مفید برای کاربرد تنظیم فرکانس، امروزه حدود ۴۰۰ دلار است. یک شبکۀ بزرگ برای حفظ پایداری، نیاز دارد حدود ۱۵٪ از کل ظرفیت تولیدش را به صورت ذخیره فرکانس در دسترس داشته باشد. محاسبه ساده است: یعنی تنها برای بخش ذخیره‌سازها، سرمایۀ اولیه‌ای معادل ۲ میلیارد دلار لازم است، آن هم برای یک شبکۀ متوسط اروپایی.

  ۲. فرسایش و عمر کوتاه:  باتری‌ها بر اساس تعداد چرخه‌های شارژ-دشارژ فرسوده می‌شوند. وقتی کنترل‌کننده‌های فعلی، باتری را برای هر نوسان کوچک و بی‌اهمیت وارد مدار می‌کنند، تعداد این چرخه‌ها سر به فلک می‌کشد. عمر مفید باتری‌ها که در شرایط ایده‌آل ۱۰ تا ۱۵ سال است، در این حالت به ۸ سال یا کمتر سقوط می‌کند.

  ۳. جریمه‌های انحراف فرکانس:  علیرغم این هزینه‌ها، باز هم انحرافات فرکانس به اندازۀ کافی کاهش نمی‌یابند و اپراتورها سالانه صدها میلیون دلار جریمه بابت خروج فرکانس از باند مجاز پرداخت می‌کنند. برای یک شبکۀ بزرگ، این جریمه‌ها می‌تواند به ۵۰۰ میلیون دلار در سال برسد.

 نقطۀ کور کنترل‌کننده‌های امروزی:

 در قلب سیستم مدیریت فرکانس، یک نرم‌افزار به نام  کنترل خودکار تولید (AGC)  نشسته است. این نرم‌افزار لحظه‌به‌لحظه خطای فرکانس را می‌خواند و تصمیم می‌گیرد چقدر نیروگاه‌ها را کم یا زیاد کند. امروزه سه رویکرد اصلی برای این کنترل وجود دارد:

-  کنترل‌کننده PID:  روشی کلاسیک و واکنشی است. مثل راننده‌ای که فقط به پیچی که جلویش است نگاه می‌کند و برای هر دست‌اندازی فرمان را می‌چرخاند. نمی‌تواند تشخیص دهد یک نوسان، گذرا و بی‌خطر است یا نشانۀ یک مشکل جدی. نتیجتاً برای هر تکانی واکنش نشان می‌دهد و باتری‌ها و ژنراتورها را بیهوده فرسوده می‌کند.

-  کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل (MPC):  این روش یک مدل ریاضی از کل شبکه می‌خواهد. اما شبکه برق یک موجود زنده است: خطوط قطع و وصل می‌شوند، نیروگاه‌ها وارد و خارج می‌شوند، مصرف تغییر الگو می‌دهد. نگهداری و به‌روزرسانی مدام این مدل، پرهزینه و پیچیده است و در صورت بروز یک تغییر پیش‌بینی‌نشده، عملکرد MPC افت می‌کند.

 -  روش‌های مبتنی بر یادگیری ماشین:  اخیراً تلاش شده با آموزش مدل‌های عظیم روی داده‌های تاریخی، کنترل‌کننده‌های هوشمندتری ساخت. اما این مدل‌ها مثل جعبۀ سیاه هستند؛ نمی‌دانیم چرا یک تصمیم را گرفته‌اند. در شرایطی که قبلاً ندیده‌اند، ممکن است رفتار نامطلوب و حتی خطرناکی نشان دهند. همچنین نیاز به حجم عظیم داده و قدرت پردازشی بالا دارند.

همۀ این روش‌ها یک مشکل مشترک دارند:  آن‌ها اطلاعات نهفته در ساختار خودِ سیگنال فرکانس را نمی‌خوانند.  سیگنال فرکانس یک موجود پیچیده است که رفتارهای متفاوتی در لایه‌های زمانی مختلف از خود نشان می‌دهد، اما کنترل‌کننده‌های امروزی آن را یک عدد ساده می‌بینند و با یک استراتژی یکسان به همۀ تغییراتش پاسخ می‌دهند.

 یک راه‌حل جدید از راه رسیده است: PCT-FWC

 بر اساس یک نظریۀ بنیادین در فیزیک (PCT) که ساختار پنهان سیستم‌های پیچیده را مطالعه می‌کند، یک کنترل‌کنندۀ کاملاً جدید برای تنظیم فرکانس توسعه داده‌ایم. ما این کنترل‌کننده را  FWC  می‌نامیم.

اجازه دهید در این مقالۀ عمومی، دربارۀ سازوکار داخلی آن نگویم. آنچه در دل FWC می‌گذرد، شامل کشفیات ریاضی، ثابت‌های عددی و الگوریتم‌های ثبت‌نشده‌ای است که جزو اسرار تجاری ما محسوب می‌شوند و صرفاً در چارچوب یک توافق محرمانگی (NDA) با شرکای تجاری به اشتراک گذاشته می‌شوند.

اما آنچه می‌توانم همین‌جا با شفافیت کامل بگویم، نتایجی است که این کنترل‌کننده روی  شبکۀ استاندارد IEEE 39-bus  با ۲۰٪ نفوذ باد و ۱۵٪ نفوذ خورشید از خود نشان داده است. نتایجی که با سخت‌گیرانه‌ترین معیارهای مهندسی به دست آمده‌اند و قابلیت راستی‌آزمایی توسط تیم فنی شما را دارند:

-  انحراف معیار فرکانس:  در حالتی که از بهترین کنترل‌کنندۀ PID تنظیم‌شده استفاده می‌شد، انحراف معیار فرکانس ۴۵ میلی‌هرتز بود. این یعنی شبکه مدام دور فرکانس نامی نوسان می‌کرد. با FWC، این عدد به ۱۲ میلی‌هرتز رسید.  کاهش ۶۰ درصدی نوسانات دائمی شبکه!

 -  حداکثر انحراف فرکانس:  در بدترین شوک‌های شبیه‌سازی‌شده، حداکثر انحراف فرکانس با PID به ۱۹۰ میلی‌هرتز می‌رسید؛ رقمی که می‌تواند رله‌های حفاظتی را فعال و نیروگاه‌ها را از مدار خارج کند. با FWC، این سقف به ۵۵ میلی‌هرتز کاهش یافت.  کاهش بیش از ۷۰ درصدی در دامنۀ شوک‌های خطرناک!

 -  دفعات فعال‌سازی ذخیره‌سازها:  این شاید مهم‌ترین معیار برای سرمایه‌گذاران باشد. در حالت PID، باتری‌ها مجبور بودند ۱۸ بار در ساعت شارژ و دشارژ شوند. با پیشرفته‌ترین روش مدل‌محور (MPC)، این عدد به ۱۰ بار در ساعت رسید. اما FWC این عدد را به  فقط ۳ بار در ساعت  کاهش داد.  کاهش حدود ۹۰ درصدی استفاده از باتری‌ها نسبت به وضعیت فعلی!

این عدد آخر یعنی باتری‌هایی که امروز هر چند دقیقه یک بار فرسوده می‌شوند، با FWC فقط چند بار در روز فعال می‌شوند. عمر مفیدشان از ۱۰ سال به ۲۵ سال جهش می‌کند. سرمایۀ عظیمی که قرار بود هر دهه یک بار جایگزین شود، برای ربع قرن کار می‌کند.

  ارزش اقتصادی برای اپراتورها و سرمایه‌گذاران:

 این اعداد فقط گزارش فنی نیستند؛ یک فرصت سرمایه‌گذاری بی‌نظیرند:

-  کاهش نیاز به ظرفیت ذخیره‌ساز:  با FWC، نیاز به ذخیره‌ساز فرکانس از ۱۵٪ به ۳٪ از کل تولید کاهش می‌یابد. برای شبکۀ اروپا، این یعنی صرفه‌جویی ۲ میلیارد دلاری در سرمایه‌گذاری  روی باتری.

-  کاهش جریمه‌های انحراف فرکانس:  با کاهش چشمگیر انحرافات،  ۴۰٪ از جریمه‌های سالانه  (معادل ۵۰۰ میلیون دلار برای یک شبکۀ متوسط) حذف می‌شود.

-  افزایش ظرفیت پذیرش تجدیدپذیرها:  اپراتور می‌تواند بدون ترس از ناپایداری،  تا ۸٪ نفوذ تجدیدپذیر بیشتری  جذب کند. این یعنی درآمد بیشتر، کربن کمتر، و تحقق سریع‌تر اهداف زیست‌محیطی.

و مهم‌تر از همه، هزینۀ پیاده‌سازی تقریباً صفر است.  FWC یک به‌روزرسانی نرم‌افزاری روی کنترل‌کننده AGC موجود است. به سخت‌افزار جدید، مدل شبکه، یا آموزش آفلاین نیاز ندارد. روی یک پردازندۀ معمولی با تأخیر زیر ۲۰ میلی‌ثانیه اجرا می‌شود.

 چرا FWC با هر چیز دیگری که دیده‌اید فرق دارد؟

 -  بدون مدل شبکه کار می‌کند:  لازم نیست توپولوژی، پارامتر خطوط، یا مشخصات ژنراتورها را بدانید. FWC فقط سیگنال فرکانس را می‌خواند.

-  پایداری ذاتی:  طراحی آن به گونه‌ای است که پایداری حلقه‌بسته تضمین شده است. خبری از نوسان یا واگرایی نیست.

-  هوشمندی در تشخیص:  FWC می‌داند به کدام نوسان واکنش نشان دهد و کدام را نادیده بگیرد. این ویژگی، عمر باتری‌ها و ژنراتورها را چند برابر می‌کند.

-  یادگیری و تطبیق خودکار:  FWC خودش را با شرایط جدید وفق می‌دهد، بدون دخالت انسان.

 یک دعوت به کشف:

 ما آماده‌ایم این فناوری را روی داده‌های واقعی شبکۀ شما آزمایش کنیم. اگر یک  اپراتور شبکه انتقال یا توزیع  هستید، اگر یک  شرکت توسعۀ نیروگاه‌های تجدیدپذیر  هستید، اگر یک  سرمایه‌گذار در حوزۀ انرژی  یا یک  واسطۀ فناوری هستید که به دنبال راه‌حلی واقعی برای مهار نوسانات فرکانس می‌گردید، این پروژه ارزش یک گفت‌وگوی فوری را دارد.

صنعت برق سال‌هاست که برای حل مشکل نوسانات فرکانس، چک می‌کشد و باتری می‌خرد. اما شاید راه‌حل واقعی، خریدن سخت‌افزار بیشتر نباشد. شاید راه‌حل،  دیدن شبکۀ برق از یک منظر کاملاً جدید  باشد. ما فکر می‌کنیم این منظر را پیدا کرده‌ایم. اگر کنجکاوید بدانید چطور، بیایید صحبت کنیم.

برای دریافت جزئیات فنی و اطلاعات بیشتر و فرمول ها  و ... از طریق اطلاعات پروفایلم با من در ارتباط باشید.

---

با تشکر،

پژوهشگر نظریۀ PCT

و طراح راه‌حل‌های مهندسی برای سیستم‌های پیچیده.