لغز تذبذب تردد الكهرباء وأثر بطاريات الطاقة الذكية

تفحص البطاريات المتصلة بالإنترنت، ومنها بطاريات الطاقة الاحتياطية في مراكز البيانات، مستوى شحنها كل دقيقة، وفي اللحظة نفسها تقريباً، فينخفض تردد الشبكة الكهربائية انخفاضاً طفيفاً مع كل دقيقة. هذا ما توصّل إليه الباحث Dirk Witthaut وزملاؤه. والتذبذبات الناتجة يمكن تفاديها، لكنها قد تسهم في ظروف انقطاع الكهرباء الواسع إذا اجتمعت مع ضغوط أخرى على الشبكة.

ما اللغز الذي حيّر مشغّلي الشبكات؟

لسنوات، لاحظ مديرو الشبكات أن تردد الكهرباء ينخفض قليلاً كل 60 ثانية، وفي توقيت متطابق بين دول وقارات. ويظهر النمط المتكرر في بيانات أوروبا وأستراليا والولايات المتحدة وماليزيا.

تعتمد إدارة الشبكة على إبقاء التردد ضمن نطاق محدد. والتذبذبات الكبيرة، أو استجابة المشغّلين استجابة غير سليمة، قد تؤدي إلى انقطاع الكهرباء. كما أن هبوط التردد من دون ضبط قد يُتلف معدات محطات التوليد، وبخاصة التوربينات في محطات الطاقة الكهرومائية.

أحالت شركة Tennet Germany، أكبر مشغّل لشبكات النقل في ألمانيا، هذا اللغز إلى Witthaut، الباحث في مركز Forschungszentrum Jülich. واستغرق بحثه ونمذجته سنوات.

لماذا بدأ الباحثون بالطاقة الكهرومائية؟

بدأ فريق Witthaut من المحطات الكهرومائية، فهي تاريخياً من أبرز مسبّبات التذبذبات منخفضة التردد جداً (UFLOs). وتهتز التوربينات عند ترددات رنينية قد تتضاعف أحياناً إلى مستويات خطرة، وهو ما يشبه كأس النبيذ التي تتحطم بصوت مغنّية أوبرا.

نمذج الفريق نظام تحكّم في محطة كهرومائية على الشبكة الإسكندنافية، فأنتج النموذج رنيناً يبلغ ذروته مرة كل دقيقة، لكنه لم يفسّر سبب استمرار الظاهرة.

ماذا كشفت القياسات في حرم يولش؟

انتقل الباحثون بعد ذلك إلى القياس الميداني، فركّبوا أكثر من 80 عدّاداً ذكياً لجودة الطاقة في أنحاء حرم Jülich. ويضم الحرم خطوطاً متوسطة الجهد ومنخفضته، ومحوّلات، وألواحاً شمسية، وأنظمة تخزين بالبطاريات تعمل كمصادر طاقة احتياطية (UPS). وفي الموقع حاسوب عالي الأداء، وحواسيب مكتبية تعمل بأجهزة UPS أصغر.

كانت العدّادات تأخذ عيّنات من التردد والجهد والتيار والقدرة كل ثلاث ثوانٍ. وبلغت القياسات عند محوّل تخزين البطاريات ذروتها كل دقيقة، بما يطابق الأنماط المرصودة في الشبكة الأوسع.

وتبيّن أن البطاريات الثابتة، ومنها أجهزة UPS في مراكز البيانات والبطاريات الضخمة المرتبطة بالشبكة، تفحص حالة الشحن كل دقيقة. وساعات هذه البطاريات المتصلة بالإنترنت تعمل بتزامن شبه تام. وفحص بطارية واحدة يُحدث اضطراباً لا يُلحَظ في الشبكة الواسعة، أما حين تتزامن عمليات الفحص فيصبح الأثر ظاهراً.

لماذا تبدو أيرلندا مثالاً مقلقاً؟

تستهلك مراكز البيانات في أيرلندا جزءاً كبيراً من الكهرباء الوطنية، إذ مثّلت 18% من حمل الشبكة بحلول 2022. ويخدم كل مركز منها أسطول من أجهزة UPS.

وفي الفترة بين 2016 و2021 تضاعف انخفاض التردد الأيرلندي الذي يتكرر كل دقيقة أربع مرات، من 3 مللي هرتز إلى 12 مللي هرتز. وفي الآونة الأخيرة تجاوزت بعض الانخفاضات 20 مللي هرتز.

تعمل الشبكة الأيرلندية بتردد 50 هرتز، وهي مصمَّمة لتحمّل تذبذبات تصل إلى زائد أو ناقص 200 مللي هرتز. لكن مشغّل الشبكة يفضّل حصر التذبذبات في 100 مللي هرتز. وتبقى الأرقام الحالية دون هذين الحدّين، غير أن الاتجاه التصاعدي هو ما يلفت الانتباه. وقد تجتمع أحمال كهربائية أخرى مع اضطرابات أجهزة UPS فتدفع الشبكة نحو ظروف الانقطاع.

هل من حل، ومن يطبّقه؟

يوصي الباحثون بجعل مواعيد فحص حالة الشحن في أجهزة UPS والبطاريات الضخمة المرتبطة بالشبكة عشوائية بدل أن تقع جميعها في اللحظة نفسها.

والمشكلة لا تقتصر على البطاريات الكبيرة. فقد رصدت اختبارات تقلبات دورية في استهلاك الطاقة لدى أجهزة إنترنت الأشياء (IoT)، ومنها الأفران الذكية وتجمّعات حواسيب Raspberry Pi. ويمكن إصلاح ذلك بتحديث برمجي، لكن كثيراً من الأجهزة لا يُحدَّث. فقد وجدت دراسة حديثة أن أقل من 3% من أجهزة إنترنت الأشياء تعمل بأحدث إصدار من البرمجيات الثابتة، ويمكن الاطلاع على تلك الدراسة هنا. أما دراسة فحص تردد الشبكات فمنشورة بدورها.

وقد تطالب الجهات التنظيمية بإجراء تعديلات، لكنها لا تستطيع معالجة سوى قطاعات شبكاتها هي. ويرى الباحثون أن معالجة مشكلة موزعة على مستوى العالم تتطلب في النهاية تنسيقاً عالمياً. والسؤال المفتوح هو: هل ستتحرك الجهات التي تشغّل هذه البطاريات والأجهزة قبل أن يتسع أثر التزامن؟