شبکه برق در حال تغییر است. برای دههها، بیشتر برق جهان توسط نیروگاههای بزرگی تولید میشد که از ژنراتورهای چرخان استفاده میکردند. نیروگاههای گازی، بخاری، آبی و هستهای فقط برق تولید نمیکردند؛ وجود همین ماشینهای بزرگ به حفظ نظم و پایداری شبکه نیز کمک میکرد. اما امروز سهم بیشتری از برق از منابعی مانند خورشیدی، بادی و باتری تأمین میشود.
این منابع معمولاً از طریق یک اینورتر به شبکه متصل میشوند. همین تغییر باعث ایجاد یک سؤال جدید شده است: اگر در آینده بخش بزرگی از برق توسط اینورترها تأمین شود، چه کسی به حفظ ثبات شبکه کمک خواهد کرد؟ یکی از پاسخهای مهم صنعت برق به این سؤال، فناوری Grid-Forming Inverter است.
برای فهم Grid-Forming، ابتدا شبکه برق را مثل یک ارکستر تصور کنیم. یک ارکستر بزرگ را در نظر بگیرید. اگر هر نوازنده بدون هماهنگی شروع به نواختن کند، نتیجه قابل استفاده نخواهد بود. همه باید یک ریتم مشترک را دنبال کنند.
شبکه برق هم شرایط مشابهی دارد. صدها نیروگاه و میلیونها مصرفکننده باید به شکلی هماهنگ فعالیت کنند. فرکانس و ولتاژ شبکه باید در محدوده مناسب باقی بماند تا تجهیزات بتوانند بهدرستی کار کنند.
در شبکه سنتی، ژنراتورهای بزرگ نقش مهمی در ایجاد و حفظ این نظم داشتند. اما بسیاری از اینورترهایی که امروز در نیروگاههای خورشیدی استفاده میشوند، رفتار متفاوتی دارند. آنها معمولاً شبکه موجود را تشخیص میدهند و خود را با آن هماهنگ میکنند. به این نوع اینورترها Grid-Following گفته میشود. به زبان ساده: شبکه ریتم را ایجاد میکند و اینورتر آن را دنبال میکند.
اینورتر Grid-Forming
یک اینورتر Grid-Forming فقط منتظر شبکه نمیماند تا از آن پیروی کند. این نوع کنترل میتواند خودش در ایجاد و حفظ ولتاژ و فرکانس نقش داشته باشد.
اگر دوباره از مثال ارکستر استفاده کنیم: Grid-Followingشبیه نوازندهای است که ریتم رهبر ارکستر را دنبال میکند. اما Grid-Forming میتواند تا حدی نقش همان رهبر را نیز بر عهده بگیرد و به بقیه تجهیزات یک مرجع برای هماهنگی بدهد.
این تفاوت زمانی اهمیت پیدا میکند که تعداد زیادی نیروگاه خورشیدی، بادی و باتری در شبکه حضور داشته باشند. اگر همه تجهیزات فقط منتظر باشند شبکه را دنبال کنند، اما تعداد منابعی که خود شبکه را پایدار نگه میدارند کاهش پیدا کند، حفظ تعادل دشوارتر میشود.
چرا امروز درباره Grid-Forming بیشتر صحبت میشود؟
چون شبکه برق امروز با شبکه بیست یا سی سال قبل یکسان نیست. در گذشته سهم بزرگی از تولید برق متعلق به نیروگاههایی بود که ژنراتورهای بزرگ چرخان داشتند. اکنون در بسیاری از کشورها، ظرفیت نیروگاههای خورشیدی، بادی و ذخیرهسازی باتری به سرعت در حال افزایش است. این اتفاق برای کاهش مصرف سوختهای فسیلی اهمیت زیادی دارد، اما همزمان نحوه کنترل شبکه را نیز تغییر میدهد.
پنل خورشیدی مستقیماً مانند یک ژنراتور سنتی به شبکه متصل نمیشود. برق آن ابتدا وارد اینورتر میشود و اینورتر تعیین میکند انرژی چگونه وارد شبکه شود. به همین دلیل، هرچه نقش اینورترها بیشتر شود، نرمافزار و نحوه کنترل آنها نیز اهمیت بیشتری پیدا میکند. Grid-Forming را میتوان یکی از نتایج همین تغییر دانست.
ارتباط Grid Forming با BESS دارد؟
سیستمهای ذخیرهسازی باتری یا BESS یکی از مهمترین کاربردهای Grid-Forming هستند. دلیل آن نسبتاً ساده است.
باتری میتواند خیلی سریع:
- انرژی تحویل دهد یا انرژی دریافت کند.
- اگر شبکه برای لحظهای به توان بیشتری نیاز داشته باشد، باتری میتواند دشارژ شود.
- اگر انرژی اضافی در سیستم وجود داشته باشد، باتری میتواند شارژ شود.
این سرعت واکنش در کنار یک اینورتر Grid-Forming باعث میشود BESS علاوه بر ذخیره انرژی، بتواند در پایداری شبکه نیز نقش داشته باشد. بنابراین نقش BESS در حال تغییر است.
در گذشته سؤال اصلی این بود: باتری چند مگاواتساعت انرژی ذخیره میکند؟
اما در پروژههای جدید سؤالهای دیگری نیز مطرح میشوند:
- باتری با چه سرعتی واکنش نشان میدهد؟
- آیا میتواند در زمان اختلال به شبکه کمک کند؟
- آیا اینورتر آن قابلیت Grid-Forming دارد؟
این یعنی ارزش یک BESS فقط به ظرفیت باتری محدود نیست.
تفاوت Grid-Following و Grid-Forming به زبان ساده
نکته مهم این است که Grid-Forming الزاماً «بهتر» از Grid-Following برای همه پروژهها نیست.این دو فناوری میتوانند در کنار یکدیگر کار کنند. هدف این نیست که تمام اینورترهای جهان Grid-Forming شوند؛ بلکه شبکه باید به اندازه کافی منابعی داشته باشد که بتوانند نقش فعالتری در حفظ پایداری آن ایفا کنند.
شبکه ضعیف
برای درک یکی از کاربردهای مهم Grid-Forming، میتوان یک نیروگاه خورشیدی بزرگ را تصور کرد که در منطقهای دورافتاده ساخته شده است. این نیروگاه ممکن است از طریق یک خط انتقال طولانی به شبکه اصلی متصل باشد.
در چنین شرایطی، شبکه در محل اتصال نیروگاه ممکن است به اندازه یک شهر بزرگ و نزدیک به چند نیروگاه اصلی، «قوی» نباشد. تغییر ناگهانی تولید یا مصرف میتواند تأثیر بیشتری بر شرایط محلی شبکه بگذارد.اینجاست که اینورتر Grid-Forming میتواند مفید باشد.
بهجای اینکه فقط منتظر یک شبکه بسیار قوی برای هماهنگ شدن باشد، میتواند خودش در تثبیت شرایط الکتریکی محل اتصال نقش بیشتری داشته باشد. به همین دلیل این فناوری برای مناطقی با سهم بالای تجدیدپذیرها، شبکههای جزیرهای و برخی میکروگریدها اهمیت ویژهای دارد.
آیا نیروگاه خورشیدی هم میتواند Grid-Forming باشد؟
بله. Grid-Forming فقط برای باتری نیست و میتواند در سیستمهای خورشیدی و بادی نیز مورد استفاده قرار گیرد. اما تفاوت مهمی وجود دارد.
باتری معمولاً مقداری انرژی ذخیرهشده دارد و میتواند در صورت نیاز فوراً آن را آزاد کند. نیروگاه خورشیدی فقط زمانی انرژی کافی در اختیار دارد که تابش مناسب وجود داشته باشد. اگر پنلها در همان لحظه با تمام ظرفیت ممکن کار کنند، دیگر انرژی اضافی زیادی برای افزایش ناگهانی تولید وجود ندارد. به همین دلیل، ترکیب: Solar + BESS + Grid-Forming میتواند بسیار جذاب باشد.
خورشیدی انرژی تولید میکند، باتری انعطاف لازم را فراهم میکند و اینورتر Grid-Forming به مدیریت بهتر ارتباط مجموعه با شبکه کمک میکند.
آیا Grid-Forming میتواند هنگام خاموشی شبکه کمک کند؟
یکی از جذابترین کاربردهای این فناوری همین موضوع است.اینورترهای معمول متصل به شبکه غالباً برای فعالیت به وجود یک شبکه پایدار نیاز دارند. اما یک سیستم Grid-Forming میتواند در شرایط مناسب شبکه محلی خود را تشکیل دهد.
برای مثال، تصور کنید یک کارخانه دارای: نیروگاه خورشیدی، BESS، اینورتر Grid-Forming باشد.
اگر شبکه اصلی قطع شود و طراحی سیستم اجازه دهد، باتری میتواند به ایجاد ولتاژ و فرکانس شبکه داخلی کارخانه کمک کند تا بخشی از تجهیزات همچنان فعال بمانند البته این قابلیت به طراحی کامل سیستم بستگی دارد. صرفاً داشتن عبارت Grid-Forming روی مشخصات یک اینورتر به این معنی نیست که هر سایت میتواند هنگام قطع شبکه بهصورت مستقل فعالیت کند.
Grid-Forming و Black Start یکی نیستند
یکی از اصطلاحاتی که همراه Grid-Forming زیاد شنیده میشود Black Start است. Black Start یعنی یک سیستم بتواند پس از یک خاموشی کامل، بدون کمک شبکه بیرونی شروع به کار کند و مرحله به مرحله بخشی از شبکه را دوباره برق دار کند.
قابلیت Grid-Forming برای چنین کاری بسیار مفید است، اما این دو مفهوم یکسان نیستند. یک سیستم برای Black Start علاوه بر اینورتر مناسب، به موارد دیگری مانند: انرژی کافی در باتری، تجهیزات کنترلی، ترتیب صحیح روشن کردن بارها و طراحی مناسب سیستم نیاز دارد.
بنابراین: هر سیستم Black Start احتمالاً به قابلیتهایی شبیه Grid-Forming نیاز دارد، اما هر Grid-Forming الزاماً Black Start نیست.
آیا Grid-Forming جای نیروگاههای سنتی را میگیرد؟
نه به این سادگی. فناوری Grid-Forming قرار نیست یکشبه تمام نیروگاههای سنتی یا تجهیزات شبکه را جایگزین کند.
شبکه آینده احتمالاً ترکیبی از فناوریهای مختلف خواهد بود:
- ژنراتورهای سنکرون،
- نیروگاههای خورشیدی،
- توربینهای بادی،
- BESS،
- اینورترهای Grid-Following،
- اینورترهای Grid-Forming
- و سایر تجهیزات کنترلی.
آنچه تغییر میکند، سهم هرکدام از این تجهیزات است. هرچه منابع تجدیدپذیر بیشتری وارد شبکه شوند، احتمالاً نیاز به اینورترهایی که بتوانند مسئولیت بیشتری در پایداری شبکه بر عهده بگیرند نیز افزایش پیدا میکند.
آیا تمام Grid-Forming ها یکسان هستند؟
خیر. Grid-Forming نام یک محصول مشخص یا یک روش کنترل واحد نیست. سازندگان مختلف میتوانند روشهای متفاوتی برای ایجاد این قابلیت داشته باشند. به همین دلیل، وقتی در مشخصات یک BESS یا اینورتر عبارت Grid-Forming دیده میشود، بهتر است فقط به همین عبارت اکتفا نشود.
باید مشخص باشد سیستم دقیقاً چه قابلیتهایی ارائه میدهد و آیا آن قابلیتها با نیاز همان پروژه و شبکه سازگار هستند یا خیر. این موضوع با افزایش تعداد پروژههای Grid-Forming اهمیت بیشتری پیدا خواهد کرد.
چرا Grid-Forming برای آینده انرژیهای تجدیدپذیر مهم است؟
مرحله اول توسعه انرژیهای تجدیدپذیر بیشتر درباره این سؤال بود: چگونه برق پاک بیشتری تولید کنیم؟
اما با افزایش سهم خورشیدی و بادی، سؤال جدیدی شکل گرفته است: چگونه شبکهای با سهم بسیار زیاد انرژی تجدیدپذیر را پایدار نگه داریم؟
Grid-Forming یکی از فناوریهایی است که برای پاسخ به همین سؤال در حال توسعه است. این فناوری باعث نمیشود خورشید در شب بتابد یا باد همیشه بوزد؛ برای حل آن مشکل همچنان به ذخیرهسازی و ترکیب منابع مختلف نیاز داریم.
کاری که Grid-Forming انجام میدهد متفاوت است: به منابع مبتنی بر اینورتر اجازه میدهد در حفظ نظم و پایداری شبکه نقش فعالتری داشته باشند. نقش باتری در شبکه آینده ممکن است بسیار بزرگتر شود.
امروز بسیاری از مردم باتری را وسیلهای برای ذخیره برق میدانند. در سادهترین حالت همین است: برق زمانی ذخیره میشود و بعداً مورد استفاده قرار میگیرد. اما BESSهای بزرگ در حال تبدیل شدن به چیزی فراتر از یک مخزن انرژی هستند.
آنها میتوانند:
- انرژی ذخیره کنند؛
- پیک مصرف را کاهش دهند؛
- تولید خورشیدی را به ساعات دیگر منتقل کنند؛
- به تنظیم شبکه کمک کنند؛
- و با Grid-Forming در پایداری خود شبکه مشارکت داشته باشند.
این تغییر میتواند یکی از مهمترین تحولات بازار ذخیرهسازی در سالهای آینده باشد. Grid-Forming شاید در نگاه اول یک اصطلاح بسیار فنی به نظر برسد، اما مفهوم اصلی آن ساده است.
بخش بزرگی از اینورترهای امروزی برای کار کردن، شبکه موجود را دنبال میکنند. اما با افزایش سهم خورشیدی، باد و باتری، شبکه به تجهیزاتی نیاز دارد که فقط دنبالکننده نباشند و بتوانند در ایجاد و حفظ یک شبکه پایدار نیز مشارکت کنند. این همان نقش اصلی Grid-Forming است.
در این میان، BESS موقعیت ویژهای دارد؛ زیرا هم یک اینورتر بسیار سریع در اختیار دارد و هم انرژی ذخیرهشدهای که میتواند در لحظه مورد نیاز دریافت یا تحویل دهد.
بنابراین آینده سیستمهای ذخیرهسازی ممکن است فقط درباره این نباشد که:
«چه مقدار انرژی میتوانیم ذخیره کنیم؟»
بلکه سؤال مهمتری مطرح شود:
«باتری تا چه اندازه میتواند به خود شبکه برق کمک کند؟»
منابع: