تحلیل معماری و اهمیت استفاده از ریزشبکه‌ها (Microgrids)

❐ تحلیل معماری و اهمیت استفاده از ریزشبکه‌ها (Microgrids)

🔹چکیده

در عصر گذار انرژی، سیستم‌های قدرت سنتی در مواجهه با افزایش نفوذ منابع تجدیدپذیر، تقاضای رو به رشد برای کیفیت توان و آسیب‌پذیری در برابر تهدیدات جدید (مانند حملات سایبری و تغییرات اقلیمی)، دچار چالش‌های اساسی شده‌اند. ریزشبکه (Microgrid) به عنوان یک سیستم انرژی محلی هوشمند و خودمختار، راه‌حلی نوین را ارائه می‌دهد که با بهبود تاب‌آوری (Resilience)، بهره‌وری اقتصادی و پایداری زیست‌محیطی، نه تنها نقاط ضعف شبکه اصلی را می‌پوشاند، بلکه ساختار توزیع انرژی را متحول می‌سازد. این مقاله به بررسی عمیق مزایای ریزشبکه‌ها و چالش‌های فنی، اقتصادی و حفاظتی پیش روی توسعه آن‌ها می‌پردازد.

🔹معرفی و تعریف ریزشبکه

ریزشبکه عبارت است از مجموعه‌ای از بارهای الکتریکی و منابع تولید پراکنده (DER) – مانند فتوولتائیک، توربین بادی، میکروتوربین و پیل سوختی – که در یک مرز الکتریکی مشخص، به همراه یک یا چند سیستم ذخیره‌سازی انرژی (ESS)، به عنوان یک واحد قابل کنترل عمل می‌کنند. ویژگی اصلی ریزشبکه، توانایی آن در کارکرد در دو وضعیت کلیدی است:

1. حالت متصل به شبکه (Grid-Connected Mode): تبادل توان با شبکه اصلی برای بهینه‌سازی اقتصادی.
2. حالت جزیره‌ای (Islanded Mode): قطع ارتباط با شبکه در صورت بروز اختلال در شبکه بالادست، به منظور تأمین مداوم برق بارهای محلی.
3.  

4. 

▪️ اهمیت استفاده از ریزشبکه‌ها:

اهمیت روزافزون ریزشبکه‌ها بر سه ستون اصلی استوار است:

تاب‌آوری (Resilience) و امنیت انرژی (Security)

• تضمین تداوم سرویس: قابلیت «جزیره‌ای شدن» خودکار و سریع، حیاتی‌ترین مزیت ریزشبکه است. در هنگام وقوع خاموشی‌های منطقه‌ای، ریزشبکه‌ها می‌توانند فوراً منابع تولید و ذخیره خود را فعال کنند تا برق مورد نیاز مراکز حیاتی (مانند بیمارستان‌ها، پادگان‌ها، فرودگاه‌ها و مراکز کنترل) قطع نشود.
• کاهش آسیب‌پذیری‌های مرکزی: با توزیع تولید انرژی در نقاط کوچک و متعدد، وابستگی به خطوط انتقال بلند و نیروگاه‌های متمرکز کاهش می‌یابد. این توزیع، حمله سایبری یا آسیب فیزیکی به یک نقطه مرکزی را برای کل سیستم توزیع، بی‌اثر می‌سازد.
• پایداری ولتاژ و فرکانس: در حالت جزیره‌ای، ریزشبکه به طور مستقل، پایداری فرکانس و ولتاژ را مدیریت می‌کند، در حالی که در شبکه‌های سنتی، این پارامترها به شدت به شبکه بالادست وابسته هستند.
•  

مزایای اقتصادی و افزایش بهره‌وری (Efficiency)

• مدیریت اوج مصرف (Peak Shaving): ریزشبکه‌ها می‌توانند در زمان‌هایی که قیمت برق شبکه بالا است (پیک بار)، تولید محلی خود را افزایش داده یا از انرژی ذخیره‌شده استفاده کنند، که منجر به صرفه‌جویی قابل توجه در هزینه‌های برق مصرف‌کننده می‌شود.
• کاهش تلفات انتقال و توزیع: تولید نزدیک به مصرف، تلفات $I^2R$ در خطوط توزیع را کاهش داده و راندمان کلی شبکه را افزایش می‌دهد.
• تولید همزمان برق و حرارت (CHP): بسیاری از ریزشبکه‌ها از منابعی مانند میکروتوربین‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند همزمان برق و حرارت تولید کنند و بهره‌وری انرژی را تا بیش از ۸۰ درصد بالا ببرند.

پایداری زیست‌محیطی و اهداف انرژی پاک

• تسهیل نفوذ انرژی‌های تجدیدپذیر: ریزشبکه‌ها پلتفرمی را فراهم می‌کنند که نوسانات ذاتی منابعی مانند خورشیدی و بادی را از طریق سیستم‌های ذخیره انرژی و کنترل‌های هوشمند مدیریت کرده و اجازه می‌دهند سهم این منابع پاک در سبد انرژی افزایش یابد.
• کاهش گازهای گلخانه‌ای: با جایگزینی تولید محلی پاک به جای نیروگاه‌های بزرگ با سوخت فسیلی، انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. گزارش‌ها نشان می‌دهند ریزشبکه‌ها می‌توانند تولید گاز دی‌اکسید کربن را تا ۸۰ درصد کاهش دهند.

▪️چالش‌های فنی و کنترل ریزشبکه‌ها

پیاده‌سازی موفق ریزشبکه مستلزم غلبه بر چالش‌های فنی پیچیده‌ای است:

پایداری و کنترل در حالت جزیره‌ای

• کنترل فرکانس و ولتاژ: در حالت جزیره‌ای، ریزشبکه اینرسی پایین‌تری نسبت به شبکه اصلی دارد و منابع مبتنی بر اینورتر (مانند PV و باتری) باید به تنهایی وظیفه تنظیم دقیق فرکانس و ولتاژ را بر عهده بگیرند. برای این منظور، از تکنیک‌های کنترل سلسله‌مراتبی (شامل کنترل اولیه، ثانویه و ثالثیه) و روش دروپ (Droop Control) برای تسهیم توان بین منابع استفاده می‌شود.
• مدیریت منابع تولید پراکنده (DG): لازم است مکان‌یابی و تعیین ظرفیت بهینه DGها و ESS در مرحله طراحی انجام شود تا بیشترین قابلیت اطمینان و کمترین هزینه تأمین شود.
•  

حفاظت از شبکه و خطا

• جریان خطای متغیر: در ریزشبکه‌هایی که نفوذ اینورترها بالاست، جریان خطا به سرعت و به صورت غیرمنتظره تغییر می‌کند. این امر، سیستم‌های حفاظتی سنتی مبتنی بر جریان اتصال کوتاه را دچار مشکل می‌کند. توسعه تکنیک‌های حفاظتی تطبیقی و مبتنی بر مخابرات ضروری است.
• تشخیص جزیره‌ای شدن: اطمینان از اینکه ریزشبکه در زمان قطع برق شبکه اصلی، به درستی از آن جدا شود (و بالعکس) برای ایمنی پرسنل و تجهیزات ضروری است.

مدیریت هوشمند انرژی (MEMS)

• بهینه‌سازی چندهدفه: سیستم مدیریت انرژی باید تصمیم‌گیری‌های پیچیده‌ای را با هدف همزمان کاهش هزینه، حداقل‌سازی آلودگی و حفظ پایداری سیستم (بهره‌برداری اقتصادی-زیست‌محیطی) انجام دهد. این امر به الگوریتم‌های پیشرفته بهینه‌سازی (مانند الگوریتم‌های هوش ازدحامی و منطق فازی) نیاز دارد.

▪️سطوح ولتاژ ریزشبکه‌ها

1.  1) ولتاژ در ریزشبکه‌های AC

ریزشبکه‌ها اساساً در سطح شبکه توزیع (Distribution Grid) عمل می‌کنند و بر این اساس دسته‌بندی می‌شوند:

۱. ریزشبکه‌های ولتاژ پایین (Low Voltage Microgrids - LV MG)

• محدوده ولتاژ (AC): معمولاً کمتر از ۱ کیلو ولت (kV). در استانداردهای مختلف، این محدوده اغلب به ولتاژهای نهایی مصرف‌کننده (مانند ۲۲۰ ولت یا ۴۰۰ ولت در سیستم‌های سه‌فاز) اشاره دارد.
• کاربرد: عمدتاً در ساختمان‌های مسکونی، تجاری کوچک، و مجتمع‌های اداری/دانشگاهی که به طور مستقیم بارهای ولتاژ پایین را تغذیه می‌کنند.
• ویژگی‌ها: این ریزشبکه‌ها اغلب با خطوط مقاومتی (R) بیشتری روبرو هستند و چالش‌های تقسیم توان راکتیو در آن‌ها (در ریزشبکه‌های AC) متفاوت است.

۲. ریزشبکه‌های ولتاژ متوسط (Medium Voltage Microgrids - MV MG)

• محدوده ولتاژ (AC): معمولاً بین ۱ کیلو ولت تا ۳۵ کیلو ولت (kV).
• کاربرد: برای تغذیه پردیس‌های دانشگاهی بزرگ، پایگاه‌های صنعتی، مجتمع‌های نظامی یا بیمارستان‌های بزرگ که نیاز به توان بالا و قابلیت اطمینان بسیار زیاد دارند.
• ویژگی‌ها: این ریزشبکه‌ها معمولاً به دلیل فواصل انتقال بیشتر، از ولتاژ بالاتری برای کاهش تلفات و بهبود پروفیل ولتاژ استفاده می‌کنند. در این سطح، تجهیزات حفاظتی و کنترلی پیچیده‌تر هستند.
•  

 2) ولتاژ در ریزشبکه‌های DC

در ریزشبکه‌های DC، سطح ولتاژ بیشتر بر اساس نوع بار و ایمنی تعیین می‌شود و استانداردهای یکنواختی مانند سیستم‌های AC وجود ندارد، اما سطوح رایج عبارتند از:

• ولتاژهای بسیار پایین (LV DC): ۴۸ ولت (برای تجهیزات IT و مخابرات).
• ولتاژهای رایج (DC): معمولاً ۳۸۰ ولت یا ۴۰۰ ولت (به دلیل سازگاری با بسیاری از منابع DC و کاهش تلفات نسبت به ۴۸ ولت).
• ولتاژهای بالاتر: در برخی کاربردهای صنعتی یا حمل‌ونقل ممکن است از ولتاژهای بالاتر (مثل ۷۶۰ ولت یا ۱۵۰۰ ولت) نیز استفاده شود.

انواع ریزشبکه‌ها بر اساس جریان اصلی

۱. ریزشبکه جریان متناوب (AC Microgrid)

• ساختار: از باس‌ها (Bus) و تجهیزات برقی جریان متناوب (AC) استفاده می‌کند.
• مزایا:
  • سازگاری با شبکه موجود: به دلیل اینکه شبکه قدرت سنتی از نوع AC است، این نوع ریزشبکه برای اتصال و تبادل انرژی با شبکه اصلی به حداقل تغییرات نیاز دارد.
  • تغییر سطح ولتاژ آسان: تغییر سطح ولتاژ AC با استفاده از ترانسفورماتورها ساده است.
• چالش‌ها:
  • تبدیل‌های متعدد: از آنجایی که بسیاری از منابع تجدیدپذیر (مانند پنل‌های خورشیدی) و سیستم‌های ذخیره‌سازی (باتری) خروجی DC دارند، نیاز به استفاده از مبدل‌های DC/AC (اینورترها) دارند.
  • کنترل پیچیده: مدیریت فرکانس و توان راکتیو برای حفظ پایداری سیستم ضروری است.
  •  

• ۲. ریزشبکه جریان مستقیم (DC Microgrid)

• ساختار: از باس‌های و تجهیزات برقی جریان مستقیم (DC) استفاده می‌کند.
• مزایا:
  • بازدهی بالاتر و تلفات کمتر: بسیاری از منابع توزیع‌شده (PV، باتری‌ها) و بارهای مدرن (LED، کامپیوترها، وسایل نقلیه برقی) ذاتاً DC هستند. حذف مبدل‌های DC/AC و AC/DC اضافی، تلفات تبدیل انرژی را کاهش می‌دهد.
  • سادگی کنترلی: نیازی به مدیریت فرکانس، توان راکتیو و مسائل همگام‌سازی (Synchronization) وجود ندارد.
• چالش‌ها:
  • عدم سازگاری با شبکه سنتی: برای تبادل با شبکه اصلی AC نیاز به مبدل‌های دوطرفه AC/DC گران‌قیمت دارد.
  • حفاظت دشوار: قطع جریان خطا (Fault Current) در سیستم‌های DC به دلیل عدم وجود نقطه صفر جریان، دشوارتر است و نیاز به مدارشکن‌های (Breakers) سریع و پیشرفته دارد.
  •  

• ۳. ریزشبکه هیبرید (Hybrid AC/DC Microgrid)

• ساختار: ترکیبی از هر دو ساختار است و دارای هر دو باس AC و DC می‌باشد که توسط یک یا چند مبدل دوطرفه (Interlinking Converter) به هم متصل شده‌اند.
• مزایا:
  • بهره‌وری و انعطاف‌پذیری بالا: مزایای هر دو سیستم را ترکیب می‌کند؛ منابع DC مستقیماً به باس DC و منابع AC/بارهای سنتی به باس AC متصل می‌شوند و این کار تبدیل‌های غیرضروری را کاهش می‌دهد.
  • پشتیبانی از انواع بار: می‌تواند به طور همزمان بارهای AC و DC را تغذیه کند.
• چالش‌ها:
  • پیچیدگی کنترلی: نیاز به یک سیستم کنترل هماهنگ بسیار پیچیده دارد تا بتواند تبادل توان بین باس AC و DC را مدیریت کرده و پایداری کل سیستم را تضمین کند.

▪️ چالش‌های اساسی در توسعه و بهره‌برداری از ریزشبکه‌ها

۱. چالش‌های فنی و پایداری (Technical & Stability)

این چالش‌ها به طور مستقیم به فیزیک شبکه و نحوه عملکرد منابع تولید پراکنده (DER) مربوط می‌شوند:

۱.۱. اینرسی پایین و نوسانات فرکانس

• ماهیت مشکل: ریزشبکه‌ها (به‌ویژه در حالت جزیره‌ای) اغلب فاقد ژنراتورهای سنکرون بزرگ هستند که اینرسی (جرم دوار) طبیعی بالایی دارند. در عوض، عمدتاً به منابع مبتنی بر اینورتر (مانند PV و باتری) متکی هستند.
• اثر: هرگونه تغییر ناگهانی در بار یا تولید یک منبع تجدیدپذیر متغیر (مانند یک ابری که خورشید را می‌پوشاند)، باعث تغییرات شدید و سریع فرکانس و ولتاژ می‌شود.
• راهکار: استفاده از اینرسی مجازی (Virtual Inertia) و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS) که با پاسخ سریع خود، به تثبیت فرکانس کمک می‌کنند.

۱.۲. عدم قطعیت منابع تجدیدپذیر (Uncertainty)

• ماهیت مشکل: تولید توان از منابع بادی و خورشیدی به شدت به شرایط محیطی (سرعت باد و تابش خورشید) وابسته است.
• اثر: این عدم قطعیت، برنامه‌ریزی تولید و حفظ تعادل لحظه‌ای تولید و مصرف را دشوار می‌سازد، که منجر به افزایش هزینه خرید برق از شبکه اصلی یا نیاز به ذخیره‌سازی بیشتر می‌شود.
• راهکار: به‌کارگیری سیستم‌های پیش‌بینی پیشرفته (Forecasting) و بهینه‌سازی مقاوم (Robust Optimization) در سیستم مدیریت انرژی (MEMS).

۱.۳. جریان‌های گردشی در ریزشبکه‌های AC

• ماهیت مشکل: در ریزشبکه‌های AC، منابع تولید پراکنده متعددی که از روش کنترل دروپ (Droop Control) استفاده می‌کنند، در صورت عدم تطابق دقیق امپدانس خطوط (خطا در سهم‌بندی توان)، ممکن است جریان‌های توان راکتیو گردشی بین خود ایجاد کنند.
• اثر: کاهش راندمان سیستم، افزایش تلفات و کاهش پایداری ولتاژ.
• راهکار: استفاده از کنترل‌های ثانویه (Secondary Control) برای اصلاح خطای ولتاژ و فرکانس و هماهنگ‌سازی توان راکتیو.

۲. چالش‌های حفاظت (Protection Challenges)

حفاظت در ریزشبکه‌ها به دلیل تغییر مد عملکرد (متصل/جزیره‌ای) و ماهیت جریان‌های خطا، از پیچیده‌ترین مسائل فنی است.

۲.۱. جریان خطای متغیر (Variable Fault Current)

• ماهیت مشکل: در حالت متصل به شبکه، جریان اتصال کوتاه بالا است و رله‌های سنتی به راحتی خطا را تشخیص می‌دهند. اما در حالت جزیره‌ای، جریان خطا که توسط اینورترها تأمین می‌شود، به شدت محدود و کم است.
• اثر: رله‌های حفاظتی سنتی مبتنی بر اضافه جریان (Overcurrent) ممکن است در حالت جزیره‌ای خطا را تشخیص ندهند (عدم حساسیت)، یا در صورت اتصال مجدد، تنظیمات حفاظتی با شبکه اصلی همخوانی نداشته باشند.
• راهکار: توسعه سیستم‌های حفاظتی تطبیقی (Adaptive Protection) که تنظیمات خود را بر اساس مد عملکرد ریزشبکه (جزیره‌ای یا متصل) تغییر می‌دهند، و استفاده از حفاظت‌های مبتنی بر ارتباطات (Communication-based Protection) مانند حفاظت دیفرانسیل.

۲.۲. چالش حفاظت در ریزشبکه‌های DC

• ماهیت مشکل: در جریان DC، جریان صفر نمی‌شود (برخلاف AC)، که قطع قوس الکتریکی و خاموش کردن سریع جریان خطا را برای مدارشکن‌ها بسیار دشوار می‌کند. همچنین افزایش سریع جریان خطا به دلیل تخلیه خازن‌های لینک DC، یک چالش جدی است.
• اثر: نیاز به مدارشکن‌های DC (DC Circuit Breakers) بسیار گران‌قیمت و پیچیده.
• راهکار: الگوریتم‌های حفاظتی مبتنی بر نرخ تغییر جریان (di/dt) یا ولتاژ، و روش‌های زمین کردن متفاوت.

۲.۳. تشخیص جزیره‌ای شدن ناخواسته

• ماهیت مشکل: اگر ریزشبکه به طور ناخواسته از شبکه اصلی جدا شود اما تشخیص داده نشود، می‌تواند باعث خطر جانی برای پرسنل تعمیرات شبکه اصلی شود.
• راهکار: استفاده از روش‌های تشخیص فعال و غیرفعال جزیره‌ای شدن که استاندارد شده‌اند.

۳. چالش‌های اقتصادی، نظارتی و مالکیت (Economic & Regulatory)

• هزینه اولیه بالا: هزینه‌های اولیه طراحی، پیاده‌سازی و نصب تجهیزات پیشرفته کنترلی، ذخیره‌سازی و حفاظتی ریزشبکه‌ها معمولاً بالا است و بازگشت سرمایه را طولانی می‌کند.
• مدل‌های کسب و کار نامشخص: نبود قوانین و مقررات روشن در خصوص نحوه فروش مازاد برق توسط ریزشبکه به شبکه اصلی (Net Metering یا بازار عمده‌فروشی) و تعرفه‌های تبادل انرژی، جذابیت سرمایه‌گذاری را کاهش می‌دهد.
• مالکیت‌های متعدد در ریزشبکه‌های چندگانه: در سیستم‌های چند ریزشبکه یا خوشه‌ای، مدیریت توان و تبادل انرژی بین ریزشبکه‌هایی با مالکیت‌ها و اهداف مختلف (اقتصادی در برابر پایداری) نیاز به سیستم‌های مدیریت انرژی توزیع شده دارد که حریم خصوصی اطلاعات هر ریزشبکه را نیز حفظ کند.
• عدم وجود استاندارد یکپارچه: به ویژه در ریزشبکه‌های DC و هیبرید، عدم وجود استانداردها و کدهای شبکه (Grid Codes) یکپارچه برای مبدل‌ها و حفاظت‌ها، مانع از توسعه سریع و رقابتی می‌شود.

با غلبه بر این چالش‌های فنی و ایجاد یک بستر نظارتی و اقتصادی مناسب، ریزشبکه‌ها می‌توانند به بازیگران اصلی در سیستم انرژی توزیع شده تبدیل شوند.

۱. راهکارهای پایداری و کنترل (Stability and Control Solutions)

این روش‌ها برای مقابله با اینرسی پایین و نوسانات فرکانس/ولتاژ ناشی از منابع مبتنی بر اینورتر طراحی شده‌اند.

۱.۱. اینرسی مجازی (Virtual Inertia / Synthitic Inertia) 🔄

چالش اصلی در ریزشبکه‌ها، فقدان اینرسی طبیعی (به دلیل حذف ژنراتورهای سنکرون) است که منجر به تغییرات شدید فرکانس می‌شود.

• مفهوم: با استفاده از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS)، به ویژه باتری‌ها و خازن‌های بزرگ، و اعمال کنترل هوشمند توسط اینورتر، می‌توان عملکرد یک ژنراتور سنکرون با اینرسی بالا را شبیه‌سازی کرد.
• عملکرد: در هنگام یک افت ناگهانی در فرکانس (نشان‌دهنده کمبود تولید)، کنترلر اینورتر بلافاصله پاسخ می‌دهد و انرژی ذخیره‌شده (باتری) را تزریق می‌کند تا تغییرات فرکانس (نرخ تغییر فرکانس، $\frac{df}{dt}$) را کاهش دهد.
• مزیت: این کار اولین خط دفاعی در برابر اختلالات فرکانسی است و پایداری دینامیکی ریزشبکه را به شدت بهبود می‌بخشد.

▪️نتیجه‌گیری و چشم‌انداز آینده

ریزشبکه‌ها با ارائه بالاترین سطح از تاب‌آوری و استقلال انرژی، در کنار مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی، به عنوان بهترین بستر برای استفاده حداکثری از پتانسیل تولیدات تجدیدپذیر شناخته می‌شوند. در آینده، شاهد توسعه ریزشبکه‌های چندگانه (Multi-Microgrids) و شبکه‌های هوشمند (Smart Grids) خواهیم بود که در آن‌ها، ریزشبکه‌های کوچک‌تر به یکدیگر متصل می‌شوند تا منافع و قابلیت اطمینان خود را در سطحی گسترده‌تر افزایش دهند. این تحولات، مهندسی برق را به سوی یک سیستم توزیع فعال، غیرمتمرکز و بسیار هوشمند سوق می‌دهد.

💥 اگر این مطلب برایتان مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

▶️  کنترل سلسله مراتبی ریزشبکه‌های جریان متناوب در متلب-سیمولینک✔️

▶️ کنترل سلسله مراتبی ریزشبکه‌های جریان مستقیم در متلب-سیمولینک✔️

▶️ مدل‌سازی سیگنال کوچک و تحلیل پایداری ریزشبکه‌ها در متلب✔️