چکیده
یک ریزشبکه (MG) یک نهاد محلی است که متشکل از منابع انرژی توزیع شده (DERs)برای دستیابی به قابلیت اطمینان توان محلی و استفاده از انرژی پایدار است. مفهوم ریزشبکه (MG) یا فن آوریهای انرژی تجدید پذیر در ترکیب با سیستمهای ذخیره انرژی (ESS) علاقه و محبوبیت فزاینده‌ای را کسب کرده‌اند، به این دلیل که می‌تواند انرژی را در ساعات خارج از اوج ذخیره کند و در ساعات اوج انرژی را تأمین نماید. با این حال، فن آوری سیستمهای ذخیره انرژی (ESS) موجود به دلیل مسائل مختلفی از قبیل شارژ / تخلیه، ایمنی، قابلیت اطمینان، اندازه، هزینه، چرخه عمر و مدیریت کلی با مشکلات مختلفی مواجه است. بنابراین، یک سیستم ذخیره انرژی (ESS) پیشرفته با توجه به ظرفیت، محافظت، رابط کنترل، مدیریت انرژی و ویژگیهای آن برای بهبود عملکرد ESS در کاربردهای ریزشبکه لازم است. این مقاله، انواع فن آوریهای سیستم ذخیره انرژی (ESS) ، ساختارهای سیستم ذخیره انرژی (ESS) و همچنین پیکره بندی، طبقه بندی، ویژگیها، تبدیل انرژی و فرایند ارزیابی را به طور جامعی بررسی می‌کند. علاوه براین، جزئیات مربوط به مزایا و معایب سیستم ذخیره انرژی (ESS) در کاربردهای ریزشبکه بر اساس فرایند تشكیل انرژی، انتخاب مواد، مکانیسم انتقال نیرو، ظرفیت، كارآیی و دوره چرخه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. بررسی‌های موجود، فن آوریهای فعلی را برای ESS در کاربردهای ریزشبکه (MG) به طور انتقادی نشان می‌دهد. با این حال، مدیریت بهینه ESS ها برای عملکرد مؤثر ریزشبکه (MG) همچنان به عنوان یک چالش در شبکه‌های سیستم قدرت مدرن باقی می‌ماند. این بررسی همچنین با توصیه‌های ممکن برای توسعه بیشتر ESS در برنامه‌های آتی ریزشبکه (MG) ، بر عوامل کلیدی، مسائل و چالشها تاکید می‌کند. همه بینشهای مورد تاکید در این بررسی به طور قابل توجهی به تلاش روز افزون نسبت به توسعه یک مدل ESS مقرون به صرفه و کارآمد با یک چرخه عمر طولانی برای اجرای یک ریزشبکه (MG) پایدار کمک می‌کند.
مقدمه
رشد سریع مصرف انرژی، انتشار CO2، و عدم تطابق تقاضا و عرضه در سطح جهان به دلیل افزایش نرخ رشد جمعیت و سطح شهرنشینی است (1). این موارد به منظور بهینه سازی مصرف انرژی و به حداقل رساندن مصرف سوخت و انتشار گازهای سمی، نیاز به توسعه دارند (2). گزینه‌های مختلفی برای استفاده از سوختهای فسیلی، برای دستیابی به سیستمهای انرژی پایدار مطرح شده‌اند (3)، (4). فن آوریهای انرژی تجدید پذیر (RE) با سیستمهای ذخیره انرژی(ESSs) در میان این گزینه‌ها به طور گسترده‌ای مورد تأیید قرار گرفته‌اند (5)-(7). سیستم ذخیره انرژی (ESS) از جهات بسیاری به ادغام انرژیهای تجدید پذیر کمک می‌کند و تعادل منطقی قدرت را در طی بحران انرژی مدیریت می‌کند؛ و بنابراین، پایداری سیستم با ذخیره انرژی در طی ساعات اوج با کاهش قیمت، تأثیر قابل توجهی در سیستم کلی الکتریکی دارد (8)-(12). جزئیات مربوط به کاربردهای فن آوریهای ذخیره انرژی در (13)-(15) بررسی شده است. چرخه عمر ضعیف باتریها به عنوان مانع اصلی سیستمهای ذخیره انرژی (ESS) شناسایی شده که از توسعه ریزشبکه ها (MG) ممانعت می‌کند. برای پرداختن به این محدودیت، بسیاری از محققان، سیستمهای ذخیره سازی انرژی هیبریدی (HESSs) را توصیه کرده‌اند که هدف آنها بهبود عمر مورد انتظار باتریها است (16).
مفهوم ریزشبکه (MG) توسط کنسرسیوم برق قابلیت اطمینان راه حلهای فن آوری (CERTS) مطرح شده است (12). CERTS را می‌توان به عنوان یک نهاد محلی تعریف کرد که از منابع انرژی توزیع شده (DERs) و بارهای حرارتی و برقی قابل کنترل تشکیل شده است. این بارها برای تولید برق با استفاده از پنلهای فتوولتائیک (PV)، نیروگاه‌های بادی، پیل سوختی ژنراتور دیزلی و ریزتوربینها، با یک دستگاه ذخیره سازی (به عنوان مثال ، باتریها یا ابرخازنها (SC) به شبکه بالادست وصل شده‌اند (17). از دیدگاه مطلوبیت، ریزشبکه (MG) را می‌توان به عنوان یک پیل کنترل شده در سیستم قدرت در نظر گرفت. از دیدگاه مشتری، ریزشبکه (MG) را می‌توان برای برآورده کردن الزامات قابلیت اطمینان، کاهش اتلاف فیدر، بهبود راندمان ، به حداقل رساندن فروافتادگی ولتاژ یا منبع تغذیه مداوم طراحی کرد (18).
مرور کلی سیستم ذخیره انرژی
پیکره بندیهای سیستم ذخیره انرژی (ESS) ، طبقه بندیها و ساختار آنها در زیربخشهای زیر نشان داده شده است.
پیکره بندی سیستم ذخیره انرژی
به طور معمول سیستم ذخیره انرژی (ESS) تجمعی و توزیع شده، دو پیکره بندی اصلی فن آوری سیستم ذخیره انرژی (ESS) برای کاربردهای ریزشبکه (MG) هستند که در شکل 4 نشان داده شده‌اند. در سیستم تجمیعی، مقدار جریان انرژی از DERs بهbus PCC مقدارثابتی است. علاوه بر این، کل ظرفیت اینESS را می‌توان برای کاهش نوسانات جریان برق استفاده کرد (43). اگر ظرفیتیک دستگاه ذخیره انرژی افزایش یابد، هزینه آن نیز افزایش می‌یابد. ساخت و کنترل ESS های بزرگ کار دشواری است. بنابراین، از دستگاه‌های ذخیره انرژی توزیع شده در مقیاس کوچک می‌توان برای دستیابی به تنظیم قابل اطمینان و عملی قدرت استفاده کرد. دستگاه‌های ESS در پیکربندیهای ذخیره توزیع شده مستقیماً به وسیله رابطهای بی شماری به منابع توزیعی خاصی متصل می‌شوند. با این حال، کنترل جریان نیرو، اصلی‌ترین چالش پیش روی سیستم توزیعی است. علاوه براین، فرایند ذخیره سازی هنوز هم از طریق رابطهای الکترونیکی قدرت برای منابع توزیع شده و ESS، تلفاتی را متحمل می‌شود (12).
انواع سیستمهای ذخیره انرژی
سیستم های ذخیره سازی مکانیکی
سیستمهای ذخیره انرژی مکانیکی(MSS)سودمند هستند، زیرا می‌توانند انرژی را به صورت انعطاف پذیری از منابع تبدیل و ذخیره کنند (52). علاوه بر این، آنها می‌توانند در صورت نیاز به کار مکانیکی، نیروی ذخیره شده را آزاد کنند (53). بر اساس اصول کاری، MSS را می‌توان به عنوان گاز فشاری، فنر فشرده، انرژی جنبشی، و انرژی پتانسیل طبقه بندی کرد. با این حال، از دیدگاه فنی، سیستمهای ذخیره سازی مکانیکی از سه تکنیک تشکیل شده‌اند: فن آوریهای فلای ویل، ذخیره سازی هیدرولیکی پمپی، و انرژی هوای فشرده. از بین این سه سیستم، سیستمهای ذخیره سازی آب پمپی(PHS)با داشتن چرخه عمر طولانی، بیشترین ظرفیت ذخیره سازی برق را در جهان دارا هستند. اگرچه سیستمهای انرژی فله هنوز هم به PHS متکی هستند، اما PHS اشکالاتی مثل هزینه‌های بالای سرمایه، تأثیر منفی بر محیط زیست و کاهش پیاده سازی ژئولوژیکی را نیز دارد. بنابراین، بهبود PHS در آینده محدود است (54)-(57). جزئیات مربوط به فن آوریهای دیگر مثل سیستمهای ذخیره انرژی فلای ویل (FESS)، CAES، سیستمهای ذخیره انرژی گرانش (GES) در زیر مورد بحث قرار می‌گیرند.
مسائل و چالشهای ESS در کاربردهای MG
وضعیت فعلی فن آوریESS در کنار تحولات HESS می‌تواند بسیاری از چالشهای پیش روی فن آوری قبلی مانند راندمان یا ظرفیت ذخیره سازی را کاهش دهد. با این حال، دامنه توسعه بیشتر این فن آوری برای کاربردهای آینده در فن آوری ریزشبکه (MG) با توجه به این فن آوری BESS، جذابیت خود را به دلیل فرسودگی تقویمی و فرسودگی چرخه‌ای از دست داده است (160). تحقیقات کنونی بر روی اندازه ، هزینه ، ایمنی یا مدیریت کارآمد انرژی در سیستم تمرکز کرده‌اند. بنابراین، موضوعات و چالشهای کلیدی راجع به انتخاب مواد ، رابط الکترونیکی توان ، تعادل انرژی بین ESS و ریزشبکه (MG) ، تأثیر محیط زیست و ایمنی این فن آوری را می‌توان شناسایی کرد. زیربخشهای زیر بررسی دقیقی از این موضوعات کلیدی را همراه با توصیه‌های انتخابی ارائه می‌دهد.
انتخاب مواد
انتخاب مواد، هزینه مواد و در دسترس بودن مواد اولیه مهمترین معیار برای سیستم ESS است. مواد چرخه عمر دستگاه ذخیره سازی را مشخص می‌کنند. مواد مختلف ذخیره سازی و استراتژی توسعه آنها برای ذخیره سازی های مختلف، مانند دستگاه‌های مکانیکی، حرارتی ، هیدروژن ، گرانشی ، الکترومغناطیسی و الکتروشیمیایی در مطالعات مختلف مورد بحث قرار گرفته است. با این حال، انتخاب مواد در بیشتر موارد بهینه نیست (81). برای توسعه بیشتر ESS در کاربرد MG ، عملکرد مواد درجه بالای ESS و نقش قابل توجه آنها باید مورد توجه قرار گیرد (161). ویژگیهای شارژ و تخلیه ظرفیت ، انرژی و چگالی نیرو، چرخه عمر و خوردگی می‌تواند تا حد زیادی تحت تأثیر مواد قار گیرند (8)، (98)، (145)، (162). مکانیسم ESS موجود با دارا بودن ظرفیت ذخیره سازی بالا مانند فلای ویل، پمپ هیدرولیکی، SMES، باتری لیتیوم-یون، باتری NaS، باتری جریانی هنوز هم قیمت بالایی در بازار الکتریسته دارند. علاوه بر این، ESS ترکیبی، مانند باتری / ابرخازن، ظرفیت ذخیره سازی زیادی را به شما می‌دهد، اما بازده این فن آوری HESS می‌تواند بیشتر توسعه یابد. بنابراین، یک فن آوری پیشرفته بلند مدت و مقرون به صرفه می‌تواند با استفاده از بهبود راندمان انرژی و پایداری، به انتخاب مواد ESS در کاربرد MG کمک کند.
بحث و نتیجه گیری
فن آوریهای سیستم ذخیره انرژی(ESS) یک راه حل جایگزین برای استفاده بالقوه از انرژی تجدید پذیر در کاربردهای ریزشبکه (MG) هستند. بسیاری از محققان در توسعه ESS ها و استفاده از آنها در MG مشارکت می‌کنند تا با ذخیره انرژی در ساعات خارج از اوج و کاهش هزینه ، تعادل قدرت خوبی را ایجاد کنند. بنابراین، درستی مدلسازی ESS ها با ویژگیهای بهینه سازی، از ویژگیهای اصلی فن آوریهایESS نسل بعدی است. با این حال، توسعه یک ESS کارآمد برای کاربردهای MG ، مسئله چالش برانگیزی است. علاوه بر این، تقریباً تمام مطالعات و بررسیها، به انواع ESSها خصوصیات و پیکربندی‌ها و همچنین مزایا و معایب آنها محدود هستند. مطالعه حاضر بر فن آوریهای مختلفESS ، سازه‌ها، عملیات و مکانیسمهای تبدیل انرژی آنها تاکید می‌کند تا یک د کلی را برای اطمینان از پایداری سیستمهای ESS برای حل مشکلات زیست محیطی و اقتصادی در آینده فراهم آورد. این مطالعه، همچنین به بررسی پیاده سازی هر یک از ESSها مانند فالای ویل، هوای فشرده، باتری، پیل سوختی، ابرخازن، ابررسانا، جریان ردوکس، لیتیوم-یون، و ESS ترکیبی مانند باتری/ ابرخازن، باتری/ SMES، و باتری/F در عملکرد MG می‌پردازد. علاوه بر این، چگالی انرژی و قدرت، زمان پاسخ، اندازه ، بازدهی، هزینه، چرخه عمر و انتخاب مواد در بخشهای مختلف این بررسی توضیح داده شده‌اند. این بررسی همچنین رابط پیشرفته الکترونیک قدرت را بین ESS و MG نسبت به ESS ترکیبی و کامل با ویژگیهای بهینه پیش بینی کرده است.
این بررسی دقیق حاکی از آن است که بهینه سازی مواد ESS و محلولهای شیمیایی می‌تواند ظرفیت ذخیره سازی، چرخه عمر و کارایی دستگاه را افزایش دهد. این مطالعه برای حصول اطمینان از عملکرد بهتر و مطمئن ESSها، نشان می‌دهد که ESS ترکیبی در کاربردهای ریزشبکه (MG) بسیار جذاب است. همچنین بر بسیاری از عوامل، چالشها، و راه حلها و پیشنهادات احتمالی برای ESS های نسل بعدی در کاربردهای MG تاکید می‌کند که این امر می‌تواند به دانشگاهیان، محققان و صنایع کمک کند تا به اصلاح و بهبود ESS های موجود در سطح پیشرفته بپردازند. بنابراین، نقش مهم این مطالعه، ارائه یک تجزیه و تحلیل جامع از ادغام ESS های مختلف در کاربردهای ریزشبکه (MG) به منظور ارائه یک ایده جامع در مورد ESS های پیشرفته و بکارگیری آنها در شبکه ریزشبکه (MG) در آینده است. در این بررسی ، پیشنهادهای مهم و انتخابی برای توسعه بیشتر فن آوری ESS در کاربردهای MG ارائه شده است:
• لازم است تحقیقات پیشرفته‌ای برای بهبود نسل بعدی سیستم ذخیره انرژی (ESS) در کاربردهای MG انجام شود. برخی مسائل از نظر مواد ، اندازه و هزینه در مورد سیستم ذخیره انرژی (ESS) وجود دارد. رابط کنترل، محیط و ایمنی باید مورد توجه قرار گیرد تا عملکرد مناسب سیستم و پذیرش آن در بازار حاصل شود.
• برنامه بلند مدت برای سیستم ذخیره انرژی (ESS) ، طراحی یک وسیله مقرون به صرفه، قابل اعتماد و دارای ظرفیت مناسب برای پیشبرد استفاده پایدار از سیستم ذخیره انرژی (ESS) در عملکرد ریزشبکه (MG) است.
• استفاده از یک سیستم الکترونیکی قدرت پیشرفته ممکن است برای غلبه بر چالشهای سوئیچینگ و مسائل مربوط به مدار ایمنی، و توجه به پدیده‌های شارژ/تخلیه بیش از حد برای عملکرد مؤثر ESS مناسب باشد.
• یک EMS بهینه و توپولوژی پیشرفته آن می‌تواند گزینه خوبی برای تحولات آینده باشد تا راندمان کلی را افزایش داده و هزینه را کاهش دهد.
• برای دستیابی به اندازه بهینه سیستم ذخیره انرژی (ESS) ، یک عملیات کارآمد با آربیتراژ انرژی ، اوج زدایی، تغییر زمان و پشتیبانی از ولتاژ باید تکنیکهای مناسبی ارائه شود. سیاست ذخیره انرژی برای تعادل نیرو و افزایش قابلیت اطمینان اتخاذ می‌شود و می‌تواند منجر به پتانسیل قابل توجهی برای سیستم ذخیره انرژی (ESS) در کاربردهای ریزشبکه (MG) شود.
• طراحی یک مدل مناسب برای سیستم ذخیره انرژی (ESS) که زیرمدلهای مختلفی مانند شارژ / تخلیه، اندازه بهینه، کنترلگر برنامه، ایمنی و محافظت را در نظر می‌گیرد، باید در مطالعات بعدی مورد بررسی قرار گیرد.
• برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی، چرخه عمر و کارایی سیستم ذخیره انرژی (ESS) باید تحقیقات بیشتری بر روی مواد سیستم ذخیره انرژی (ESS) ، محلولهای شیمیایی و بهینه سازی آن انجام شود.
• برای تجزیه و تحلیل اثرات زیست محیطی، باید مدلهای مقرون به صرفه‌ای با کاهش انتشار طراحی شوند تا از توسعه پایدار سیستم ذخیره انرژی (ESS) اطمینان حاصل کنند و اثرات منفی زیست محیطی را در صورت وجود کاهش دهند.
• باید در مورد ادغام ESS در MG بررسی‌هایی انجام شود تا پیچیدگیهای همگام سازی رفع شود، تلفیق عملکرد یا عملیات جزیره‌ای بهبود پیدا کند و سرعت محاسباتی افزایش یابد.
• تحقیقات بیشتری باید با توجه به مشکلات دما و اتصال کوتاه و ویژگیهای شارژ/تخلیه سریع، در مورد عملکرد امن این پیشنهادات می‌تواند سهم قابل توجهی در بلوغ فن آوریهای ESS داشته باشد و انتظار می‌رود که آنها بتوانند در آینده بر بازار الکتریسته تسلط یابند.
بنابراین، تحقیقات پیشرفته مبتنی بر این بررسی می‌تواند به طور قابل توجهی بر محدودیتهای فن آوری موجودESS در کاربردهای ریزشبکه (MG) غلبه کند استفاد ه از انرژی پایدار را در آینده برآورده سازد.
این مقاله ISI در سال 2018 در نشریه آی تریپل ای و در مجله دسترسی (IEEE)، توسط گروه مهندسی برق منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله بررسی مسائل و چالش ها و فن آوری های سیستم ذخیره انرژی در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
