نوسان تولید خورشیدی چه تأثیری بر تعادل و پایداری شبکه برق دارد؟

مقاله مروری Shivashankar و همکاران توضیح می‌دهد که نوسان خروجی PV، به‌ویژه بر اثر حرکت ابرها، یکی از مهم‌ترین چالش‌های اتصال گسترده خورشیدی به شبکه است. این پژوهش همچنین مجموعه‌ای از راهکارهای کاهش نوسان را بررسی می‌کند؛ از ذخیره‌ساز باتری و پراکندگی جغرافیایی تا کنترل MPPT، خازن، پیل سوختی و محدودسازی توان.

چرا تولید خورشیدی نوسان دارد؟

توان خروجی سامانه فتوولتائیک مستقیماً به شدت تابش وابسته است. عبور ابر، بارندگی، تغییر الگوی هوا و جابه‌جایی سریع توده‌های ابری می‌تواند باعث افت یا افزایش ناگهانی خروجی شود. مقاله، حرکت ابرها را علت اصلی نوسان کوتاه‌مدت تولید PV معرفی می‌کند.

این نوسان زمانی جدی‌تر می‌شود که سهم نیروگاه‌های خورشیدی در شبکه بالا باشد؛ زیرا نیروگاه‌های متعارف باید سریع‌تر تولید خود را بالا یا پایین ببرند. اگر سرعت تغییر خورشیدی از توان پاسخ منابع تنظیمی بیشتر شود، تعادل لحظه‌ای شبکه به خطر می‌افتد.

تعادل لحظه‌ای تولید و مصرف چگونه به‌هم می‌خورد؟

در شبکه برق، مجموع تولید باید در هر لحظه با مصرف برابر باشد. وقتی تولید خورشیدی ناگهان افت می‌کند، منابع دیگر باید فوراً کمبود را جبران کنند. هنگام افزایش ناگهانی تولید نیز ممکن است لازم باشد توان منابع دیگر کاهش یابد یا بخشی از برق خورشیدی محدود شود.

مقاله گزارش می‌کند که در نفوذ بالای PV، ژنراتورهای متعارف ممکن است نتوانند تغییرات سریع خروجی خورشیدی را به‌موقع دنبال کنند. در شبکه‌های به‌هم‌پیوسته، این موضوع می‌تواند خطای کنترل ناحیه‌ای را از حد مجاز خارج کند و حاشیه تنظیم واحدهای تولیدی را کاهش دهد.

اثر نوسان خورشیدی بر ولتاژ و جریان معکوس

افزایش تولید خورشیدی در فیدرهای توزیع می‌تواند ولتاژ را در محل اتصال بالا ببرد. اگر تولید از مصرف محلی بیشتر شود، توان به سمت پست بازمی‌گردد و جریان معکوس ایجاد می‌شود. بسیاری از تجهیزات تنظیم ولتاژ برای جریان یک‌طرفه طراحی شده‌اند و ممکن است در این شرایط عملکرد نامناسبی داشته باشند.

در صفحه ۳ مقاله، نمودار افزایش ولتاژ در طول فیدر نشان می‌دهد که اتصال چند سامانه PV می‌تواند ولتاژ را به حد بالای مجاز نزدیک کند؛ در این حالت ممکن است برخی واحدها برای جلوگیری از تجاوز ولتاژ از مدار خارج شوند.

• افزایش ولتاژ در انتهای فیدر
• جریان معکوس به سمت پست
• عملکرد بیشتر تپ‌چنجرها
• احتمال قطع برخی اینورترها
• نیاز به کنترل توان راکتیو
• لزوم هماهنگی حفاظت شبکه

چرا سهم بالای خورشیدی کنترل فرکانس را سخت‌تر می‌کند؟

فرکانس نشان‌دهنده تعادل تولید و مصرف در شبکه است. افت ناگهانی تولید خورشیدی باعث کمبود توان اکتیو و کاهش فرکانس می‌شود؛ افزایش ناگهانی نیز می‌تواند فرکانس را بالا ببرد.

مقاله توضیح می‌دهد که نیروگاه‌های PV مبتنی بر اینورتر، برخلاف ژنراتورهای سنکرون، اینرسی مکانیکی ذاتی ندارند. جایگزینی گسترده ژنراتورهای متعارف با PV می‌تواند اینرسی مؤثر شبکه را کاهش دهد و توان سیستم برای مقابله با تغییرات سریع فرکانس را ضعیف‌تر کند.

فلیکر، هارمونیک و جزیره‌ای‌شدن ناخواسته

عبور سریع ابر می‌تواند تغییر ناگهانی ولتاژ و فلیکر ایجاد کند. در صنایع حساس، این تغییرات ممکن است روی تجهیزات کنترل، موتورهای دقیق و فرایندهای تولید اثر بگذارند. مقاله همچنین به هارمونیک‌های تزریق‌شده توسط اینورترها و افزایش اعوجاج ولتاژ و جریان اشاره می‌کند.

جزیره‌ای‌شدن ناخواسته نیز زمانی رخ می‌دهد که بخشی از شبکه از منبع اصلی جدا شود اما سامانه PV همچنان بار محلی را تغذیه کند. برای ایمنی کارکنان و تجهیزات، اینورتر باید این وضعیت را سریع تشخیص دهد و تولید را متوقف کند.

چگونه نوسان خروجی خورشیدی هموار می‌شود؟

مقاله مجموعه بزرگی از راهکارهای فنی را مرور می‌کند. انتخاب روش مناسب به اندازه نیروگاه، سرعت نوسان، هزینه، شرایط شبکه و میزان نفوذ خورشیدی بستگی دارد.

چرا باتری مهم‌ترین راهکار مقاله است؟

مقاله پس از مقایسه روش‌های مختلف نتیجه می‌گیرد که باتری یکی از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای کاهش نوسان PV است. باتری می‌تواند در چند لحظه شارژ یا دشارژ شود و به‌صورت هم‌زمان خدماتی مانند کنترل نرخ تغییر توان، تنظیم فرکانس، پشتیبانی ولتاژ و انتقال انرژی از ظهر به ساعات اوج مصرف را ارائه دهد.

در صفحه ۶ مقاله، آرایش اتصال نیروگاه PV و بانک باتری به شبکه نشان داده شده است. هر منبع از طریق مبدل مجزا به باس AC متصل می‌شود تا کنترل توان مستقل و سریع ممکن باشد.

پراکندگی جغرافیایی چگونه نوسان را کاهش می‌دهد؟

ابرها معمولاً همه نیروگاه‌های دور از هم را هم‌زمان پوشش نمی‌دهند. بنابراین وقتی خروجی چند سایت جغرافیایی با هم جمع می‌شود، افت شدید یک نیروگاه ممکن است با تولید پایدار نیروگاهی دیگر جبران شود.

در صفحه ۵ مقاله، خروجی یک نیروگاه با خروجی ترکیبی شش نیروگاه پراکنده در حدود هزار کیلومترمربع مقایسه شده است. منحنی ترکیبی صاف‌تر است، اما نوسان کاملاً حذف نمی‌شود. مقاله تأکید می‌کند که فاصله میان سایت‌ها و ظرفیت خطوط ارتباطی، میزان هموارسازی را تعیین می‌کند.

کنترل MPPT و محدودسازی توان چه نقشی دارند؟

یکی از روش‌ها این است که نیروگاه همیشه در نقطه حداکثر توان کار نکند و بخشی از ظرفیت را برای کنترل نرخ افزایش توان یا پشتیبانی فرکانس نگه دارد. همچنین بار تخلیه می‌تواند برق اضافی را جذب کند تا خروجی تزریق‌شده به شبکه از حد مجاز فراتر نرود.

این روش‌ها نسبت به نصب ذخیره‌ساز هزینه سرمایه‌گذاری کمتری دارند، اما بخشی از انرژی قابل‌تولید را از دست می‌دهند. در بسیاری از پروژه‌ها، ترکیب باتری و کنترل اینورتر اقتصادی‌تر از تکیه بر یک روش واحد است.

این نتایج برای توسعه خورشیدی در ایران چه معنایی دارد؟

با افزایش نیروگاه‌های خورشیدی، فقط ظرفیت نصب‌شده مهم نیست؛ محل اتصال، قدرت اتصال کوتاه شبکه، ظرفیت فیدر، سرعت تغییر تولید و توان منابع تنظیمی نیز باید بررسی شوند. در شبکه‌های ضعیف یا انتهای فیدر، حتی نیروگاه‌های کوچک می‌توانند مسئله ولتاژ ایجاد کنند.

• الزام مطالعات اتصال به شبکه
• استفاده از اینورترهای دارای کنترل راکتیو
• پیش‌بینی تولید و پایش ابر
• تعیین محدودیت نرخ تغییر توان
• نصب ذخیره‌ساز در پروژه‌های حساس
• توزیع جغرافیایی ظرفیت جدید

سؤالات رایج درباره نوسان خورشیدی و شبکه