الإدارة التشغيلية الاحتمالية لشبكة ميكروية معتمدة على الطاقة المتجددة مع مراعاة حالات عدم اليقين باستخدام خوارزمية البحث الجاذبية ذات التكيّف الذاتي

المحافظة على الإضاءة عندما يكون المستقبل غير مؤكد

مع اعتماد المزيد من المنازل والأعمال على طاقة الألواح الشمسية على الأسطح، وتوربينات الرياح المحلية، والبطاريات، تصبح المحافظة على استمرار التيار بتكلفة عادلة مهمة دقيقة ومتوازنة. تتغير أشعة الشمس والرياح وأسعار الكهرباء ساعةً بساعة، ويجب على نظم الطاقة الصغيرة على مستوى الحي المسماة ميكروغريد أن تتفاعل في الزمن الحقيقي. تبحث هذه الورقة في نهج جديد لتشغيل مثل هذه الميكروغريدات بحيث تظل موثوقة، وتستغل الطاقة النظيفة إلى أقصى حد، وتبقي التكاليف منخفضة حتى عندما يكون المستقبل غير مؤكد.

شبكات طاقة صغيرة قرب المنزل

الميكروغريد هو في الأساس شبكة طاقة صغيرة تخدم حرمًا جامعيًا أو حيًا أو بلدة صغيرة. بدلاً من الاعتماد فقط على محطة طاقة بعيدة، يمكنها السحب من مصادر قريبة مثل مايكروتوربين، خلية وقود، ألواح شمسية، توربين رياح، وبنك بطاريات، مع البقاء متصلة بالشبكة الرئيسية عند الحاجة. يقرر متحكم مركزي، ساعةً بساعة، مقدار الطاقة التي يجب أن ينتجها أو يخزنها كل جهاز. التحدي أن هذا المتحكم يجب أن يتخذ قرارات بناءً على توقعات حول كمية الاستهلاك، وشدة الرياح، وشدة الإشعاع الشمسي، وسعر السوق للكهرباء. إذا كانت هذه التخمينات خاطئة، قد تنتهي الميكروغريد بدفع مبالغ زائدة أو مواجهة مخاطر انقطاع الإمداد.

إجراء تخمينات ذكية حول مستقبل غير مؤكد

تتجاهل العديد من طرق التحكم الحالية حالة عدم اليقين أو تحاول التعامل معها بأدوات إحصائية ثقيلة جداً وبطيئة للاستخدام العملي. يلجأ المؤلفون إلى تقنية أخف وزناً تسمى طريقة تقدير النقاط 2m. بدلاً من تشغيل آلاف المحاكيات العشوائية، تختار هذه الطريقة عددًا صغيرًا من نقاط «ماذا لو» المختارة بعناية حول القيم المتوقعة للمدخلات الأساسية، مثل الطلب، وإنتاج المتجدد، وسعر السوق. من خلال حل مسألة تخطيط الميكروغريد عند هذه النقاط، يمكنها تقدير كيف ستتصرف التكلفة الإجمالية وتدفقات الطاقة تحت مجموعة واسعة من الظروف. يمنح هذا المتحكم صورة عملية عن المخاطر والتقلبات دون استنزاف موارد الحوسبة.

بحث مستوحى من الجاذبية لجدولة أفضل

لاختيار أفضل جدول تشغيل لجميع المولدات والبطارية واتصال الشبكة، تستخدم الدراسة طريقة بحثية مستوحاة من الجاذبية. في هذا النظام، تشبه كل خطة ممكنة جسيمًا ذا كتلة مرتبطة بجودة تلك الخطة: التكلفة الأقل والاستخدام الأفضل لمصادر الطاقة المتجددة يعنيان كتلة أكبر. هذه الجسيمات «تجذب» بعضها نحو بعض، متجهة نحو مناطق أفضل في فضاء الحلول. يحسن المؤلفون هذه الفكرة بإضافة لمسة تكيّف ذاتي. يقدمون نوعين من الدفعات العشوائية أو حركات الطفرة التي تساعد الجسيمات على الهروب من الفخاخ المحلية السيئة واستكشاف أوسع. تتتبع الخوارزمية أي حركة تعمل بشكل أفضل مع الوقت وتحوّل سلوكها تلقائيًا، مع إعطاء وزن أكبر للاستراتيجية الأكثر نجاحًا. يساعد هذا النهج القابل للتعديل الذاتي، المسمى خوارزمية البحث الجاذبية ذات التكيّف الذاتي، على إيجاد جداول عالية الجودة بسرعة وموثوقية أكبر.

اختبار البطاريات والتحكم الأذكى

يختبر الفريق الإطار المدمج—باستخدام تقدير النقاط لحالة عدم اليقين والبحث المحسن المعتمد على الجاذبية—على نموذج ميكروغريد منخفض الجهد يضم طاقة شمسية ورياح ومايكروتوربين وخلية وقود وبطارية نيكل–معدن هيدريد. يقارنون حالتين رئيسيتين: إحداهما بدون بطارية والأخرى مع بطارية تحت طريقة التحكم الجديدة. عند إضافة البطارية، يمكن للمتحكم تحريك الطاقة زمنياً، بشحن عندما تكون الطاقة رخيصة أو متوفرة بكثرة وتفريغها عندما يرتفع الطلب أو تتصاعد الأسعار. في المحاكاة، يخفض ذلك تكلفة التوليد اليومية الإجمالية تقريبًا إلى النصف ويزيد حصة الطاقة المتجددة بنحو 10 نقاط مئوية خلال ساعات الذروة. كما تتقارب الخوارزمية المحسنة أسرع بحوالي ربع الزمن وتعطي تكاليف تشغيل أقل مقارنة بالطرق التقليدية المعتمدة على الجاذبية ونهج سرب الجسيمات الشائع.

أداء متين في عالم متغير

لاختبار مدى صلابة الطريقة، يقوم المؤلفون بتغيير كل من الطلب وأسعار السوق صعودًا وهبوطًا بنسبة 10 و20 بالمئة. حتى في أسوأ الحالات، عندما يكون كلاهما أعلى بنسبة 20 بالمئة من المتوقع، ترتفع التكاليف الإجمالية بشكل معتدل فقط، ويكون الانخفاض في استخدام المتجدد محدودًا. تظهر الطرق المنافسة تقلبات أكبر في التكاليف وتتعرض لاضطراب أسهل. تستكشف الدراسة أيضًا سيناريوهات مستقبلية حيث تؤدي هبوط تكاليف الشمس والرياح والبطاريات المتقدمة إلى زيادة الوفورات واستخدام الطاقة النظيفة. عمومًا، تشير النتائج إلى أن الجمع بين نمذجة ذكية لحالة عدم اليقين وخوارزمية بحث قابلة للتكيف ذاتيًا يمكن أن يساعد الميكروغريدات على توفير طاقة أرخص وأنظف وأكثر موثوقية، حتى عندما يكون الطقس والأسعار غامضين غدًا.

الاستشهاد: Ahmed, E.M., Zaki, Z.A., Kamarposhti, M.A. et al. Probabilistic operational management of a renewable-based microgrid considering uncertainties using the self-adaptive gravitational search algorithm. Sci Rep 16, 12313 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42839-8

الكلمات المفتاحية: الميكروغريد, الطاقة المتجددة, تخزين البطاريات, خوارزمية التحسين, إدارة الطاقة