مفهوم میکرو شبکه، نحوه عملکرد و نقش ژنراتورها در اکثر ریز شبکه ها + مزایای فناوری میکرو شبکه

مفهوم ریز شبکه سال‌هاست که وجود داشته، اما اخیراً با عملی شدن پروژه‌های متعدد و ورود آن‌ها به مرحله تولید، توجه و پوشش خبری زیادی را به خود جلب کرده‌اند. بلوم انرژی به تازگی اعلام کرده که تا سال 2019، 500 میکروگرید جدید در حال ساخت یا نصب هستند و مجموع آن‌ها در سطح جهانی به چندین گیگاوات می‌رسد. میکروگرید در واقع یک سیستم شبکه برق کوچک است که برای مدیریت منابع انرژی توزیع‌شده طراحی شده و می‌تواند شامل منابع تجدیدپذیر (مانند انرژی خورشیدی، باد و آب) در کنار منابع غیرقابل تجدید (مثل ژنراتورهای دیزلی و توربین‌های گازی) باشد.

این ریز شبکه معمولاً بارهای انرژی سیستم‌های مختلف تولید را مدیریت کرده و از سیستم‌های ذخیره انرژی نیز بهره می‌برند. آن‌ها با استفاده از انواع نرم‌افزارها و سیستم‌های کنترل، تمامی این موارد را مدیریت می‌کنند. میکروگریدها می‌توانند به گونه‌ای تنظیم شوند که به موازات شبکه برق شهری عمل کنند و در مواقع اضطراری یا بر اساس نیازهای خاص، به صورت مستقل کار کنند. در این مقاله، به اصول اولیه ریز شبکه، نقش ژنراتورها در اکثر ریز شبکه ها خواهیم پرداخت.

مفهوم ریز شبکه – ریز شبکه چیست؟

وزارت انرژی میکرو شبکه را به عنوان “گروهی از بارها و منابع انرژی توزیع‌شده که به هم متصل شده‌اند و در محدوده‌های الکتریکی مشخصی عمل می‌کنند، تعریف می‌کند. این سیستم به عنوان یک موجودیت قابل کنترل واحد در برابر شبکه عمل می‌کند و می‌تواند به شبکه متصل شده و از آن جدا شود تا در هر دو حالت شبکه و جزیره‌ای فعالیت کند.

علاوه بر این، وزارت انرژی اشاره می‌کند که “میکرو شبکه‌ها به عنوان یک جزء کلیدی در شبکه هوشمند برای بهبود قابلیت اطمینان و کیفیت برق، افزایش راندمان انرژی سیستم و فراهم کردن امکان استقلال شبکه‌ای برای سایت‌های مصرف‌کننده نهایی شناسایی شده‌اند.

مزایای فناوری ریز شبکه

مزایای استفاده از فناوری میکرو شبکه می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• با شبکه و فناوری‌های مختلف شبکه هوشمند ادغام می‌شود.
• یکپارچه سازی انرژی های توزیع شده و تجدیدپذیر، و کاهش بار اوج
• اطمینان از تامین انرژی به مجموعه‌هایی که به انرژی حیاتی نیاز دارند.

سازمان‌های دیگر نیز به طور مشابه میکرو شبکه‌ها را تعریف کرده و مفهوم بارهای متعدد و تولید مستقل را در آن‌ها گنجانده‌اند. تولید مستقل به معنای تأمین برق از منابعی مانند باد، خورشید، آب یا دیزل/گاز طبیعی است. مزرعه بادی و خورشیدی از طریق باتری‌ها، برق مورد نیاز در زمان قطع برق شبکه اصلی را تأمین می‌کنند. این دو منبع معمولاً به شبکه متصل هستند تا هزینه‌های عملیاتی تأسیسات را کاهش دهند.

زمانی که برق شبکه اصلی قطع می‌شود، سیستم به باتری‌هایی که با انرژی باد و خورشید شارژ شده‌اند، تغییر وضعیت می‌دهد. ژنراتورها فعال می‌شوند و بار را از باتری‌ها دریافت می‌کنند. ساختمان‌ها در سمت مصرف مدار، به دلیل طراحی شبکه توزیع، هیچ نوسانی در برق احساس نمی‌کنند. هنگامی که برق شبکه اصلی دوباره برقرار می‌شود، بار به شبکه اصلی بازگردانده شده و ژنراتورهای پشتیبان خاموش می‌شوند. مزرعه بادی و خورشیدی نیز به حالت عادی خود باز می‌گردند.

عوامل زیادی در طراحی و ساخت میکرو شبکه‌ها دخیل هستند. پیشرفت‌های فناوری در زمینه تولید و توزیع برق، امکان استفاده از سیستم‌هایی را فراهم می‌کند که مصرف برق را کاهش داده، از روش‌های سبز برای تولید برق بهره می‌برند و نیازهای حیاتی تأمین برق را برآورده می‌کنند.

قدرت و بار مصرف میکرو شبکه‌ها

رایج‌ترین میکرو شبکه‌ها از برق شهری که توسط شرکت برق محلی تأمین می‌شود، به عنوان منبع اصلی استفاده می‌کنند. میکرو شبکه‌هایی که در مناطق دورافتاده قرار دارند، می‌توانند از نیروگاه‌های برق آبی یا نیروگاه‌های تولید سوخت فسیلی به عنوان منبع اصلی برق بهره ببرند. این نیروگاه‌ها برق با ولتاژ بالا تولید می‌کنند و برخی از آن‌ها از ترانسفورماتورهای افزاینده برای افزایش ولتاژ به منظور انتقال به پست‌های برق استفاده می‌کنند. پست‌های برق ولتاژ را از نیروگاه‌ها از طریق خطوط برق فشار قوی دریافت کرده و ولتاژها بر اساس نیاز تنظیم و به مشتریان توزیع می‌شوند.

صنایعی مانند بیمارستان‌ها، مراکز اصلاح و تربیت و مراکز داده به منبع برق بدون وقفه (UPS) نیاز دارند. بسیاری از این مراکز دارای ساختمان‌های متعددی هستند که به برق ثابت نیاز دارند. برخی از ساختمان‌ها ممکن است مناطقی داشته باشند که به دلیل نیاز به ولتاژ، آمپر یا فرکانس خاص، به منبع برق جداگانه نیاز داشته باشند. این تأسیسات برای انجام فعالیت‌های روزانه خود به مقدار زیادی برق نیاز دارند و آن را از طریق خطوط فشار قوی از یک پست برق اختصاصی دریافت می‌کنند. ولتاژ با استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده یا کاهنده به سطح مورد نظر تنظیم می‌شود و تمام برق از طریق پانل‌های سوئیچینگ و کنترل برای توزیع در کل ساختمان‌ها هدایت می‌شود.

هر ساختمان یک بار الکتریکی را نشان می‌دهد و ممکن است بیش از یک بار اختصاصی به یک ساختمان تعلق گیرد. یک نمونه از نقطه بار ثانویه در یک ساختمان، مبدل فرکانس است. یک قله ولتاژ مثبت و یک قله ولتاژ منفی برابر با یک سیکل (هرتز) است و منبع تأمین معمول 50 هرتز یا 60 هرتز است. برخی از تجهیزات برای کارکرد به منبع برق 400 هرتز نیاز دارند و مبدل‌های فرکانس 50 هرتز یا 60 هرتز را به 400 هرتز تبدیل می‌کنند. در طراحی میکرو شبکه، همه این موارد از یک نقطه واحد کنترل می‌شوند.

ژنراتور برق پشتیبان و اوج تقاضا

ژنراتورهای پشتیبان در زمان قطع برق شبکه، برق مورد نیاز را تأمین می‌کنند. این ژنراتورها از یک موتور و یک آلترناتور (قسمت تولید برق) تشکیل شده‌اند. موتورهای با سوخت گاز طبیعی و دیزل استاندارد صنعت هستند. موتورهای گاز طبیعی می‌توانند تا زمانی که تأمین گاز شهری قطع نشود، به طور نامحدود کار کنند. اما در صورت قطع برق، برق پشتیبان در دسترس نخواهد بود. ژنراتورهایی که از موتورهای دیزلی استفاده می‌کنند، حتی در زمان خرابی کامل زیرساخت‌ها، از جمله تأمین گاز طبیعی، قادر به کار هستند.

مخازن اصلی سوخت باید تحت کنترل باشند و در صورت کم شدن سوخت، باید پر شوند. سیستم‌های خودکار می‌توانند اپراتور را در زمان رسیدن سطح مخزن به نقطه مشخصی مطلع کنند تا از خاموشی به دلیل کمبود سوخت جلوگیری شود.

کاربردهای ژنراتور در فضای داخلی

موتور، سیستم‌های خنک‌کننده و انتهای ژنراتور همه بر روی یک اسکید که از تیرآهن ساخته شده، نصب شده‌اند و این اسکید به کف ساختمان متصل می‌شود. در نقاط کلیدی از پایه‌های لاستیکی استفاده می‌شود تا لرزش در حین کار کاهش یابد. این مدل ژنراتور مخزن سوخت ندارد و به یک منبع سوخت خارجی نیاز دارد. مخازن سوخت اصلی بزرگ می‌توانند مخازن روزانه را تأمین کنند. این مخازن باید دارای خروجی اگزوز ساختمان و تأمین هوای خنک‌کننده یا سیستم خنک‌کننده پس از فروش مانند مبدل حرارتی (HEX) باشند.

کاربرد ژنراتورهای خارج از ساختمان

ژنراتورهای مورد استفاده در فضای باز در محفظه‌هایی مقاوم در برابر آب و هوا یا ضد آب قرار می‌گیرند. بسیاری از این محفظه‌ها برای کاهش صدای کارکرد عایق صدا هستند. ژنراتور بر روی یک مخزن سوخت دو جداره نصب شده و این ژنراتورها به سیستم سوخت، دودکش یا خنک‌کننده خارجی نیاز ندارند. کافی است کابل‌های برق خروجی را به ژنراتور وصل کنید و آماده‌ی تحمل بار است.

هر دو نوع ژنراتور با کنترل‌های الکترونیکی پیشرفته در دسترس هستند و می‌توانند به صورت موازی کار کنند. همچنین می‌توان از یک باس ژنراتور پشتیبان تقسیم شده برای تأمین مقادیر زیادی از ولتاژهای مختلف استفاده کرد. برای مشاهده‌ی موجودی ژنراتورهای نو و دست دوم، به دیزل استار مراجعه کنید. ما همچنین خدماتی از قبیل تعمیر و نگهداری، عیب‌یابی، تعمیر و نصب ارائه می‌دهیم.

تولید انرژی سبز

آژانس حفاظت محیط زیست (EPA) انرژی سبز را به عنوان الکتریسیته تولید شده از سیستم های خورشیدی، بادی، زمین گرمایی، بیوگاز، زیست توده و برق آبی تعریف می کند. مدل ما شامل انرژی بادی و خورشیدی بود. کاربردهای احتمالی در زیر بررسی می شود.

انرژی خورشیدی

پانل‌های خورشیدی از سلول‌های فتوولتائیک تشکیل شده‌اند که نور خورشید را به برق مستقیم (DC) تبدیل می‌کنند. برق تولید شده در باتری‌ها ذخیره می‌شود و هنگامی که باتری‌ها به طور کامل شارژ شدند، این برق با استفاده از یک مبدل (اینورتر) به شبکه برق‌رسانی برگردانده و به فروش می‌رسد.

مبدل، قلب سیستم تأمین برق بدون وقفه (UPS) است. در صورت قطع برق، باتری‌ها برق مورد نیاز مدارهای حیاتی را تأمین می‌کنند تا ژنراتورهای پشتیبان آماده دریافت بار شوند. مبدل برق DC را به برق متناوب (AC) تبدیل می‌کند تا مدارها تا زمان آماده شدن ژنراتورها برق‌دار بمانند.

انرژی بادی

از باد برای چرخاندن توربین‌ها استفاده می‌شود که برق AC تولید می‌کنند، مشابه نحوه عملکرد ژنراتورهای دیزلی و بخار. توربین‌های بادی می‌توانند به شبکه برق شهری یا شبکه پشتیبان باتری UPS متصل شوند. توربین‌هایی که به شبکه برق متصل می‌شوند باید با فاز و فرکانس شبکه هماهنگ باشند. برای تطبیق فاز و فرکانس شبکه، انرژی تولید شده توسط توربین از طریق یک مبدل AC به AC هدایت می‌شود. برق AC ابتدا به DC تبدیل می‌شود و سپس با استفاده از یک مبدل دوباره به AC برگردانده شده و به شبکه ارسال می‌شود.

همچنین، جریان AC تولید شده از توربین بادی می‌تواند از طریق یک مبدل برای کمک به شارژ باتری‌ها هدایت شود. انرژی خورشیدی و بادی روش‌های عالی برای کاهش هزینه مصرف برق ساختمان هستند، اما هنوز به اندازه کافی برای پذیرش وظایف پشتیبان برق توسعه نیافته‌اند. هر دو به شرایط آب و هوایی محلی و باتری‌های موجود وابسته هستند و در روزهای ابری و بدون باد، باتری‌ها می‌توانند به سرعت بدون تلاش برای شارژ خالی شوند.

بانک‌های باتری پشتیبان

راه‌حل‌های انرژی سبز معمولاً از باتری‌های پشتیبان استفاده می‌کنند که به طور خاص برای تأمین برق اضطراری لحظه‌ای (UPS) طراحی شده‌اند. این باتری‌ها وظیفه دارند در زمان قطع برق اصلی در تأسیسات، برق مورد نیاز را تأمین کنند تا ژنراتورها بتوانند راه‌اندازی شده و بار را به عهده بگیرند. سیستم‌های باتری پشتیبان می‌توانند با سه نوع باتری که در ادامه ذکر می‌شود، ساخته شوند:

• باتری‌های اسید سرب ارزان‌ترین گزینه هستند و می‌توانند برای کاربردهای کوچک‌تر، یک انتخاب مناسب برای سیستم‌های بدون شبکه باشند.
• باتری‌های لیتیوم یونی سبک‌تر و جمع‌وجورتر از باتری‌های اسید سرب هستند و دوام بیشتری هم دارند. با این حال، قیمت آنها بیشتر است.
• این باتری جدید از الکترولیت موجود در آب شور استفاده می‌کند. با وجود اینکه هنوز به طور کامل مورد آزمایش قرار نگرفته، به راحتی قابل بازیافت است.

باتری‌های شارژ شده با انرژی باد توسط یک مبدل AC به DC تبدیل می‌شوند، در حالی که باتری‌های شارژ شده با انرژی خورشیدی به مبدل نیازی ندارند زیرا پانل‌های خورشیدی جریان مستقیم (DC) تولید می‌کنند. در زمان قطع برق، تقریباً یک میلی‌ثانیه تاخیر در پاسخ مثبت ژنراتور وجود دارد. اما تأسیسات و مجموعه‌هایی مانند بیمارستان‌ها، مراکز داده و شهرداری‌ها تحمل قطعی برق را ندارند و به باتری‌هایی متکی هستند که در حین قطع برق انرژی ارائه می‌دهند.

این یک راه‌حل عالی برای مدت کوتاه است، اما باتری‌ها محدودیت‌هایی دارند. باتری‌هایی که توانایی پذیرش بار برقی را دارند، برای خرید اولیه هزینه بالایی دارند. باتری‌های سربی اسیدی دارای الکترولیت مایع در سلول‌های خود هستند و سطح الکترولیت و چگالی ویژه آن باید به طور منظم بررسی شود. حتی با نگهداری دقیق، طول عمر این باتری‌ها ممکن است تنها 5 تا 15 سال باشد.

هزینه انرژی تجدیدپذیر و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی

منابع انرژی تجدیدپذیر مانند مزارع بادی، مزارع خورشیدی و نیروگاه‌های برق‌آبی در ابتدا هزینه خرید بالایی دارند. برای نصب تجهیزات خریداری شده، به تکنسین‌های باتجربه و تیم‌های ساختمانی نیاز است. پس از نصب، آزمایش و راه‌اندازی، تجهیزات باید به طور مداوم نگهداری شوند و اغلب به نیروی نگهداری تمام‌وقت برای حفظ عملکرد تجهیزات مطابق با مشخصات نیاز است.

ذخیره‌سازی انرژی به سرعت در حال پیشرفت است و در آینده میکرو شبکه‌ها نقش کلیدی ایفا خواهند کرد. این موضوع می‌تواند بسیار پیچیده باشد و نیاز به مهندسین و برنامه‌ریزی دارد و هزینه‌ها نیز بسته به نیاز شما متفاوت خواهد بود.

ایستگاه کنترل

ایستگاه کنترل، امکانات کنترل و نظارت را در اختیار اپراتور قرار می‌دهد. هر سیستم را می‌توان به زیرسیستمی تقسیم کرد که قطعات تجهیزات جداگانه‌ای در آن قرار دارد.

• تابلوهای توزیع و کنترل، ولتاژ ورودی را از همه منابع دریافت و برق را به مدارهای مورد نیاز توزیع می‌کنند.
• نرم افزار مرکز کنترل، ژنراتورهای پشتیبان را نظارت می‌کند و قادر به تغییر تنظیمات کاری ژنراتور برای تامین برق مدارهای حیاتی است.
• نظارت بر باتری‌های UPS با انرژی سبز، نظارت بر ورودی انرژی خورشیدی به باتری‌ها و شبکه، نظارت بر آمار توربین‌های بادی، امکان تغییر به توربین بادی یا باتری پشتیبان.

به طور خلاصه، ایستگاه کنترل یک راه‌حل نرم‌افزاری برای نگهداری، نظارت و کنترل تمام تجهیزات مرتبط با پیکربندی میکرو شبکه ارائه می‌دهد. ممکن است چندین نرم‌افزار از عملیات شبکه پشتیبانی کنند و افزونگی یکی از اصول کلیدی در طراحی این سیستم‌هاست. افزونگی به معنای داشتن یک قطعه تجهیزات آماده به کار در صورت خرابی تجهیزات اصلی است. ژنراتورها، توربین‌های بادی و بانک‌های باتری نمونه‌هایی از سیستم‌هایی هستند که می‌توانند تجهیزات اصلی و پشتیبان اضافی داشته باشند.

برخی از تجهیزات اضافی به طور خودکار وظایف تجهیزات اصلی را بر عهده می‌گیرند و اپراتور را از مشکل مطلع می‌کنند. سپس اپراتور ایستگاه کنترل، تیم تعمیر و نگهداری را از مشکل باخبر می‌سازد تا آن را برطرف کنند. تجهیزات اضافی باید همان الزامات تجهیزات اصلی را داشته باشند و اغلب اپراتور، تجهیزات اصلی و اضافی را برای تست‌های برنامه‌ریزی شده با یکدیگر عوض می‌کند.