DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2026.121136
تاريخ النشر: 2026-03-02
المؤلف: I. de la Parra وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة والطاقة المتجددة
نظرة عامة
تتناول هذه الورقة التحديات التي تطرحها تقلبات الطاقة قصيرة الأجل في مزارع الرياح المتصلة بالشبكة، لا سيما فيما يتعلق بالامتثال للوائح معدل الزيادة. وتقترح طريقة لتحديد السعة المثلى للطاقة والطاقة لأنظمة تخزين الطاقة (ESS) التي يمكن أن تخفف هذه التقلبات بشكل فعال. يتم التحقق من صحة النهج باستخدام بيانات عالية الدقة من مزرعة رياح في شمال إسبانيا، تتكون من خمسة توربينات بقدرة 3 ميغاوات، وتدمج ثلاث استراتيجيات تحكم تم تصميمها أصلاً للأنظمة الكهروضوئية. كما تحلل الدراسة تدهور الدورة السنوية لنظام التخزين، باستخدام بطاريتين من الليثيوم أيون بسعات طاقة وطاقة مختلفة متصلة بتوربين رياح بقدرة 3 ميغاوات.
تشير النتائج إلى أن الطريقة المقترحة توفر إطارًا رياضيًا لحساب الحد الأقصى من متطلبات الطاقة والحد الأدنى من تخزين الطاقة بناءً على سيناريوهات التقلبات الأسوأ. تشير النتائج إلى أن أحجام التخزين المبلغ عنها هي حدود عليا محافظة، مما يضمن الامتثال لحدود معدل الزيادة عبر جميع الأحداث الملاحظة. تستكشف الورقة استراتيجيات مختلفة لتحسين سعة التخزين، بما في ذلك التحكم الكلاسيكي في معدل الزيادة الذي يتطلب سعة بطارية أكبر، ونهج مقيد للمحول يحد من تقلبات الزيادة، وطريقة تعدل حالة الشحن (SOC) بناءً على الناتج الفعلي لمزرعة الرياح دون تكبد خسائر في الطاقة. تقدم كل استراتيجية تنازلات بين سعة البطارية، وتدهور الدورة، وخسائر الطاقة، مما يساهم في فهم شامل لمتطلبات التخزين لمزارع الرياح تحت لوائح الشبكة الجديدة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الانتقال الكبير الذي يحدث داخل الشبكة الكهربائية، والتي اعتمدت تاريخياً على المولدات المتزامنة من أجل الاستقرار. مع توقع تجاوز مصادر الطاقة المتجددة، لا سيما الرياح والطاقة الشمسية، 50% من إجمالي الإنتاج، فإن دمج أنظمة توليد الطاقة المعتمدة على الإلكترونيات يتسبب في تحديات جديدة لاستقرار الشبكة وعمليتها. يتطلب هذا التحول تطوير لوائح جديدة وقوانين للشبكة لضمان أمان الإمداد، لا سيما مع إمكانية أن تؤدي تقلبات الطاقة المتجددة إلى انحرافات في التردد تهدد موثوقية الشبكة. تم تحديد أنظمة تخزين الطاقة (ESS) كعوامل تمكين حاسمة لإدارة هذه التقلبات، حيث تعتبر بطاريات الليثيوم أيون نقطة محورية للامتثال للوائح معدل الزيادة التي تحد من سرعة تغييرات إنتاج الطاقة من مزارع الرياح.
تقترح الورقة إطارًا تحليليًا مبتكرًا لتحديد حجم والتحكم في ESS خصيصًا للامتثال لمعدل زيادة مزرعة الرياح. تقدم تعبيرات مغلقة الشكل لتحديد متطلبات الطاقة والطاقة لـ ESS بناءً على نموذج تجريبي عام لتقلبات طاقة الرياح الأسوأ. تقيم الدراسة ثلاث استراتيجيات للتحكم في معدل الزيادة وتتحقق من صحة طريقة الحجم المقترحة من خلال محاكاة موسعة باستخدام بيانات عالية الدقة من مزرعة رياح في شمال إسبانيا. تهدف هذه الدراسة إلى تقديم نهج شامل يجمع بين النمذجة التحليلية، والتحقق التجريبي، والاختبار التجريبي، مع معالجة فجوة في الأدبيات الحالية بشأن دمج ESS في تطبيقات طاقة الرياح. تؤكد النتائج على أهمية تحسين حجم ESS لتعزيز أمان التشغيل ومرونة أنظمة الطاقة ذات الاختراق العالي للطاقة المتجددة.
طرق
تحدد قسم المنهجية تطوير استراتيجية لتحديد حجم أنظمة تخزين الطاقة (ESS) في مزارع الرياح، مع التركيز بشكل خاص على قيود معدل الزيادة لضمان أن الطاقة المدخلة إلى الشبكة تلتزم بالحدود المحددة. تركز الدراسة على تحديد الحد الأقصى من الطاقة والحد الأدنى من سعة الطاقة المطلوبة لـ ESS للحفاظ على الامتثال لمعدل محدد من التغيير بمرور الوقت.
تم الحصول على النتائج التجريبية من مزرعة رياح حقيقية، باستخدام بطاريتين متميزتين: بطارية سريعة الاستجابة بقدرة 1 ميغاوات/0.39 ميغاوات ساعة وبطارية طاقة بقدرة 0.7 ميغاوات/0.7 ميغاوات ساعة، متصلة بتوربين رياح بقدرة 3 ميغاوات عبر محول تجاري معدل. سمح الإعداد التجريبي، الذي يتميز بهندسة “الطاقة بالإضافة إلى الطاقة”، بتحليل متميز لأداء البطارية تحت ظروف تشغيل متغيرة. أشارت النتائج إلى أن تنفيذ ESS ووحدة التحكم في معدل الزيادة قد نجح في تلطيف إنتاج طاقة الرياح لتلبية متطلبات 10%/دقيقة، مع تسجيل معدل الزيادة الوسيط عند 4.6%/دقيقة وعدم وجود انتهاكات لحدود قانون الشبكة. كانت خطأ التتبع بين الطاقة المقاسة والمحاكاة للشبكة ضئيلة، مما يؤكد فعالية وحدة التحكم المقترحة في تحقيق الامتثال تحت ظروف العالم الحقيقي.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في الورقة البحثية تنفيذ التحكم في معدل الزيادة لمصادر الطاقة المتجددة، مع التركيز بشكل خاص على مزارع الرياح. يحدد صياغة رياضية لقيود معدل الزيادة، التي تحد من الحد الأقصى المسموح به للتغير في إنتاج الطاقة لضمان استقرار الشبكة. يقدم المؤلفون محدد معدل الزيادة ونظام تخزين الطاقة (ESS) لإدارة تقلبات الطاقة التي تتجاوز هذه الحدود. تعوض ESS عن التغيرات السريعة في توليد طاقة الرياح، إما عن طريق امتصاص الطاقة الزائدة أو توفير الطاقة خلال الانخفاضات في التوليد. تقدم الدراسة حالة حيث يعمل توربين رياح بقدرة 3 ميغاوات تحت حد معدل زيادة 10%/دقيقة، مما يوضح الطاقة المطلوبة وسعة البطارية للحفاظ على الامتثال لهذا القيد.
تستكشف الورقة أيضًا السيناريوهات الأسوأ لتقلبات الطاقة، لا سيما خلال ظروف الرياح العالية، حيث يمكن أن تحدث تغييرات سريعة من السعة الاسمية إلى سرعات قريبة من الحد الأدنى. يستنتج المؤلفون تعبيرات رياضية لتحديد سعة ESS المطلوبة بناءً على هذه التقلبات، مشددين على أن الحجم محافظ ومصمم لتلبية أكثر الظروف تطلبًا التي تم ملاحظتها في البيانات التاريخية. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة تأثير تجميع التوربينات على شدة التقلبات، مما يكشف أن زيادة التجميع تؤدي إلى تقليل تباين الطاقة بسبب عدم الترابط المكاني للرياح. تختتم القسم بالتحقق من صحة منهجية تحديد حجم ESS المقترحة من خلال المحاكاة، مما يوضح فعاليتها عبر تكوينات توربين مختلفة وتعريفات معدل الزيادة، بينما تقترح أيضًا استراتيجيات لتقليل متطلبات التخزين دون المساس بالامتثال.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2026.121136
Publication Date: 2026-03-02
Author(s): I. de la Parra et al.
Primary Topic: Power Systems and Renewable Energy
Overview
This paper addresses the challenges posed by short-term power fluctuations in grid-connected wind farms, particularly regarding compliance with ramp-rate regulations. It proposes a method to determine the optimal power and energy capacity of energy storage systems (ESS) that can effectively mitigate these fluctuations. The approach is validated using high-resolution data from a wind farm in northern Spain, consisting of five 3 MW turbines, and incorporates three control strategies originally designed for photovoltaic systems. The study also analyzes the annual cycling degradation of the storage system, utilizing two lithium-ion batteries with different power and energy capacities connected to a 3 MW wind turbine.
The findings indicate that the proposed method provides a mathematical framework for calculating the maximum power and minimum energy storage requirements based on worst-case fluctuation scenarios. The results suggest that the storage sizes reported are conservative upper bounds, ensuring compliance with ramp-rate limits across all observed events. The paper explores various strategies to optimize storage capacity, including a classical ramp-rate control that necessitates larger battery capacity, a converter-restricted approach that limits ramp-up fluctuations, and a method that adjusts state of charge (SOC) based on actual wind farm output without incurring energy losses. Each strategy presents trade-offs between battery capacity, cycling degradation, and energy losses, ultimately contributing to a comprehensive understanding of storage requirements for wind farms under new grid regulations.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant transition occurring within the electrical grid, which has historically depended on synchronous generators for stability. As renewable energy sources, particularly wind and solar, are projected to surpass 50% of total generation, the integration of power electronics-based generation systems poses new challenges for grid stability and operation. This shift necessitates the development of new regulations and grid codes to ensure supply security, particularly as the variability of renewable energy can lead to frequency deviations that threaten grid reliability. Energy storage systems (ESS) are identified as critical enablers for managing these fluctuations, with lithium-ion batteries being a focal point for compliance with ramp-rate regulations that limit the speed of power output changes from wind farms.
The paper proposes an innovative analytical framework for sizing and controlling ESS specifically for wind-farm ramp-rate compliance. It introduces closed-form expressions for determining the power and energy requirements of ESS based on a generalized empirical model of worst-case wind power fluctuations. The study evaluates three ramp-rate control strategies and validates the proposed sizing method through extensive simulations using high-resolution data from a wind farm in northern Spain. This research aims to provide a comprehensive approach that combines analytical modeling, empirical validation, and experimental testing, addressing a gap in existing literature regarding the integration of ESS in wind energy applications. The findings emphasize the importance of optimizing ESS sizing to enhance the operational security and resilience of power systems with high renewable penetration.
Methods
The methodology section outlines the development of a strategy for sizing energy storage systems (ESS) in wind farms, specifically addressing ramp-rate constraints to ensure that power injected into the grid adheres to specified limits. The study focuses on determining the maximum power and minimum energy capacity required for the ESS to maintain compliance with a defined rate of change over time.
Experimental results were obtained from a real wind farm, utilizing two distinct batteries: a 1 MW/0.39 MWh fast-response battery and a 0.7 MW/0.7 MWh energy battery, connected to a 3 MW wind turbine via an adapted commercial converter. The experimental setup, characterized by a “power-plus-energy” architecture, allowed for a differentiated analysis of battery performance under varying operational conditions. The findings indicated that the implementation of the ESS and ramp-rate controller successfully smoothed the wind power output to meet the 10%/min requirement, with the median ramp rate recorded at 4.6%/min and no violations of the grid code limit. The tracking error between measured and simulated grid power was minimal, confirming the effectiveness of the proposed controller in achieving compliance under real-world conditions.
Discussion
The discussion section of the research paper addresses the implementation of ramp-rate control for renewable energy sources, specifically focusing on wind farms. It outlines the mathematical formulation of ramp-rate constraints, which limit the maximum allowable variation in power output to ensure grid stability. The authors introduce a ramp-rate limiter and an energy storage system (ESS) to manage power fluctuations that exceed these limits. The ESS compensates for rapid changes in wind power generation, either by absorbing excess energy or supplying power during drops in generation. The study presents a case where a 3 MW wind turbine operates under a 10%/min ramp-rate limit, demonstrating the required battery power and capacity to maintain compliance with this constraint.
The paper further explores the worst-case scenarios for power fluctuations, particularly during high wind conditions, where rapid changes can occur from nominal capacity to near cut-in speeds. The authors derive mathematical expressions to quantify the required ESS capacity based on these fluctuations, emphasizing that the sizing is conservative and designed to meet the most demanding conditions observed in historical data. Additionally, the influence of turbine aggregation on fluctuation severity is discussed, revealing that increased aggregation leads to reduced power variation due to spatial decorrelation of wind. The section concludes by validating the proposed ESS sizing methodology through simulations, demonstrating its effectiveness across different turbine configurations and ramp-rate definitions, while also suggesting strategies to minimize storage requirements without compromising compliance.