DOI: https://doi.org/10.1016/j.ref.2025.100806
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Himanshu Sharma وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحسين نظام الطاقة الكهربائية
نظرة عامة
تناقش ورقة البحث دور مزارع الرياح البحرية (OWFs) في إزالة الكربون على المستوى العالمي وتنتقد النهج التقليدي المتسلسل لتحسين التصميم والمشاركة في السوق، والذي غالبًا ما يؤدي إلى أداء دون المستوى الأمثل بسبب عدم أخذ الشكوك في الموارد المتجددة بعين الاعتبار. يقترح المؤلفون منهجية تصميم مشترك للتحكم تعمل على تحسين قرارات التصميم والتحكم بشكل متزامن لدمج مزارع الرياح البحرية في شبكة الطاقة، مع الأخذ في الاعتبار أيضًا المشاركة في أسواق الطاقة والتردد الأساسي. تشمل هذه الطريقة حلول الحجم الأمثل لأنظمة تخزين الطاقة على اليابسة، بهدف تعزيز الإيرادات لمطوري مزارع الرياح البحرية بمرور الوقت. تكشف تحليل خمسة مواقع لمزارع الرياح البحرية على الساحل الغربي للولايات المتحدة أن الإطار المقترح يمكن أن يزيد الإيرادات السوقية بنسبة 3.2% ويحسن المرونة في إدارة الشكوك المتعلقة بمصادر الرياح.
تؤكد الاستنتاجات على أهمية دمج العمليات والتحكم والمشاركة في السوق في تخطيط أنظمة الطاقة المتجددة لتحقيق الاعتمادية والأداء الأمثل. تقوم منهجية تصميم التحكم المشترك متعددة الأوقات والمراحل التي تم تطويرها في هذه الدراسة بنمذجة تعقيدات المشاركة في سوق الطاقة وتعالج الشكوك في الموارد المتجددة والأسعار. يتم التحقق من صحة الإطار من خلال دراسة حالة حول دمج مزارع الرياح البحرية في الشبكة، مع تحسين حجم كابلات تصدير الطاقة HVDC وأنظمة تخزين الطاقة لتعزيز جدوى المشروع والإيرادات. يُقترح أن تشمل الأعمال المستقبلية طرق تقدير الأسعار المتقدمة، واستكشاف تكوينات الشبكات المختلفة، وإدماج متغيرات تصميم إضافية، بهدف تكييف الإطار لنماذج سوق الطاقة من الجيل التالي.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الأهمية المتزايدة لمزارع الرياح البحرية (OWFs) في الانتقال إلى الطاقة المستدامة، خاصة بسبب قدرتها على استغلال الرياح الأقوى فوق البحار المفتوحة. شهد خط أنابيب طاقة الرياح البحرية في الولايات المتحدة نموًا ملحوظًا بنسبة 53% في عام 2024، مع تطورات كبيرة على كلا الساحلين. مع تقدم نشر مزارع الرياح البحرية، يصبح تعزيز قدرة الشبكة أمرًا أساسيًا، مما يتطلب بنية تحتية قوية للنقل لنقل الكهرباء بكفاءة من المواقع البحرية. الابتكارات مثل أنظمة التيار المباشر عالي الجهد (HVDC)، بما في ذلك محولات مصدر الجهد (VSC) والمحولات متعددة المستويات المودولارية (MMC)، هي محور تصميم الشبكات HVDC متعددة المحطات (MTDC)، والتي تعتبر حاسمة لدمج مزارع الرياح البحرية.
تؤكد الدراسة على أهمية تصميم حجم الكابلات داخل شبكة MTDC لتحسين التكاليف والحفاظ على الكفاءة التشغيلية. يعد الحجم المناسب لكابلات النقل أمرًا حيويًا لتلبية متطلبات الطاقة عند نقطة الربط المشترك (PCC) ولتجنب الآثار الاقتصادية الناتجة عن نقص الحجم أو زيادته. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة دمج أنظمة تخزين الطاقة (ESS) كوسيلة لتعزيز المرونة التشغيلية واستقرار الشبكة، خاصة في سياق تطور متطلبات التحكم في الشبكة مع انتشار مصادر الطاقة المتجددة. كما تشير الورقة إلى إمكانية مزارع الرياح البحرية لتنويع مصادر الإيرادات من خلال المشاركة في أسواق الطاقة والخدمات المساعدة، مستفيدة من التقدم في التكنولوجيا والإلكترونيات الكهربائية لتعظيم الربحية وضمان المشاركة الموثوقة في السوق.
الطرق
تم تصميم المنهجية المقترحة، الموضحة في الشكل 2، لتسهيل التصميم المتزامن والتحكم التشغيلي لأنظمة الطاقة المتنوعة مع الأخذ في الاعتبار المشاركة في السوق. هذا الإطار قابل للتطبيق بشكل عام، مما يسمح بتنفيذه عبر سياقات مختلفة. تركز الورقة بشكل خاص على تصميم التحكم المشترك لمشاركة مزارع الرياح البحرية (OWF) المدمجة مع أنظمة تخزين الطاقة (ESS) في أسواق الطاقة. ستتناول الأقسام التالية الخطوات الفردية الموضحة في الرسم التخطيطي، مقدمة مناقشة مفصلة حول مكونات المنهجية وأهميتها لديناميات سوق الطاقة.
النتائج
تقدم نتائج الدراسة تحليلًا شاملاً للأداء الاقتصادي لأنظمة تخزين الطاقة (ESS) ومزارع الرياح البحرية (OWFs)، كما هو موضح في الجداول 2 و3. تم الإبلاغ عن إجمالي الاستثمار لكل من المحولات على اليابسة والبحرية بمبلغ 855.4 مليون دولار عبر جميع السيناريوهات. من الجدير بالذكر أن الحالة الأساسية، التي تحتفظ بسعة لدعم التردد، تحقق أقل ربح، بينما حالة عدم الاحتياطي، التي تعظم مبيعات الطاقة للسوق، تؤدي إلى أعلى ربح. يؤدي غياب ESS في حالة عدم وجود ESS إلى أرباح أقل مقارنة بسيناريو CCD18-3.
علاوة على ذلك، تشير التحليلات إلى أن الأرباح أعلى بكثير في الحالات التي تستخدم بيانات 2022، وذلك بسبب ارتفاع أسعار الطاقة مقارنة بعام 2018. تستخدم معظم السيناريوهات أصغر حجم لكابل النقل يلبي الحد الأدنى من المتطلبات الموضحة في القيد (8)، مما يقلل التكاليف بشكل فعال. تحدد الدراسة عتبتين حرجتين لحجم ESS: 3% وحد أقصى 5% من القدرة المقدرة لمزرعة الرياح البحرية، مع تعيين حجم ESS عادةً عند إحدى هذه القيم في معظم السيناريوهات.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدم والتحديات في تحسين مزارع الرياح البحرية (OWFs) المدمجة مع أنظمة تخزين الطاقة (ESS) للمشاركة في أسواق الطاقة المتعددة. ركزت الدراسات السابقة على تحسين العمليات وحجم تخزين الطاقة، لكنها غالبًا ما تغفل عن تحسين معلمات التحكم بشكل متزامن، وهو أمر حاسم لتعزيز أداء النظام. ينتقد المؤلفون النماذج الحالية بسبب افتراضاتها الثابتة حول الحجم ويقترحون نهج تصميم مشترك للتحكم يدمج التخطيط التصميمي والتشغيلي، مع التركيز بشكل خاص على تحسين معلمات التحكم في الانحدار لدعم التردد. يهدف هذا النهج إلى تحسين مشاركة مزارع الرياح البحرية في السوق والجدوى الاقتصادية العامة.
تقدم الدراسة صياغة تصميم التحكم المشترك متعددة الأوقات والمراحل التي تأخذ في الاعتبار الشكوك في سرعة الرياح وأسعار الطاقة. من خلال استخدام مخطط توليد السيناريوهات، يهدف المؤلفون إلى إنشاء تصاميم قوية تعظم إنتاج الطاقة ومشاركة السوق مع تقليل المخاطر. يتضمن إطار التحسين متغيرات القرار المتعلقة بحجم ESS وكابلات HVDC، بالإضافة إلى متغيرات التحكم لزيادة الانحدار لكل من OWF وESS. يتم التحقق من صحة المنهجية المقترحة من خلال المحاكاة، مما يوضح قدرتها على تعزيز الكفاءة التشغيلية وتوليد الإيرادات لمزارع الرياح البحرية في سياق أسواق الطاقة المتطورة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ref.2025.100806
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Himanshu Sharma et al.
Primary Topic: Electric Power System Optimization
Overview
The research paper discusses the role of offshore wind farms (OWFs) in global decarbonization and critiques the traditional sequential approach to optimizing design and market participation, which often results in sub-optimal performance due to overlooked uncertainties in renewable resources. The authors propose a control co-design methodology that simultaneously optimizes design and control decisions for integrating OWFs into the power grid, while also considering participation in energy and primary frequency markets. This approach includes optimal sizing solutions for onshore energy storage systems, aimed at enhancing revenue for OWF developers over time. The analysis of five U.S. west-coast OWF locations reveals that the proposed framework can increase market revenue by 3.2% and improve flexibility in managing wind resource uncertainties.
The conclusions emphasize the importance of integrating operations, controls, and market participation in the planning of renewable energy systems to achieve reliability and optimal performance. The multi-timescale, multi-stage stochastic control co-design methodology developed in this study models the complexities of energy market participation and addresses uncertainties in renewable resources and prices. The framework is validated through a case study on offshore wind farm grid integration, optimizing the sizing of HVDC power export cables and energy storage systems to enhance project viability and revenue. Future work is suggested to include advanced price estimation methods, exploration of different network topologies, and the incorporation of additional design variables, ultimately aiming to adapt the framework for next-generation energy market models.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing significance of offshore wind farms (OWFs) in the transition to sustainable energy, particularly due to their ability to harness stronger winds over open seas. The U.S. offshore wind energy pipeline has seen a remarkable 53% growth in 2024, with substantial developments along both coasts. As OWF deployment progresses, enhancing grid capacity becomes essential, necessitating robust transmission infrastructure to efficiently transport electricity from offshore sites. Innovations such as High-Voltage Direct Current (HVDC) systems, including Voltage Source Converters (VSC) and Modular Multilevel Converters (MMC), are pivotal for the design of multi-terminal HVDC (MTDC) networks, which are crucial for integrating OWFs.
The study emphasizes the importance of cable size design within the MTDC network to optimize costs and maintain operational efficiency. Proper sizing of transmission cables is critical to meet power requirements at the point of common coupling (PCC) and to avoid the economic implications of under-sizing or over-sizing. Additionally, the integration of energy storage systems (ESS) is discussed as a means to enhance operational flexibility and grid stability, particularly in the context of evolving grid control requirements as renewable energy sources proliferate. The paper also notes the potential for OWFs to diversify revenue streams by engaging in energy and ancillary service markets, leveraging advancements in technology and power electronics to maximize profitability and ensure reliable market participation.
Methods
The proposed methodology, illustrated in Figure 2, is designed to facilitate the simultaneous design and operational control of diverse energy systems while accounting for market participation. This framework is generically applicable, allowing for its implementation across various contexts. Specifically, the paper focuses on the control co-design for the participation of offshore wind farms (OWF) integrated with energy storage systems (ESS) in energy markets. The subsequent sections will elaborate on the individual steps outlined in the schematic diagram, providing a detailed discussion of the methodology’s components and their relevance to energy market dynamics.
Results
The results of the study present a comprehensive analysis of the economic performance of energy storage systems (ESS) and offshore wind farms (OWFs), as detailed in Tables 2 and 3. The total investment for both onshore and offshore converters is reported at $855.4 million across all scenarios. Notably, the base case, which reserves capacity for frequency support, yields the lowest profit, while the no reserve case, which maximizes power sales to the market, results in the highest profit. The absence of an ESS in the no ESS case leads to lower profits compared to the CCD18-3 scenario.
Furthermore, the analysis indicates that profits are significantly higher in cases utilizing 2022 data, attributed to increased energy prices relative to 2018. Most scenarios employ the smallest transmission cable size that meets the minimum requirements outlined in constraint (8), effectively minimizing costs. The study identifies two critical thresholds for ESS sizing: 3% and an upper limit of 5% of the OWF’s rated power, with the ESS size typically set at one of these values in the majority of scenarios.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the advancements and challenges in optimizing offshore wind farms (OWFs) integrated with energy storage systems (ESS) for participation in multiple energy markets. Previous studies have focused on operational optimization and energy storage sizing, but often neglect the simultaneous optimization of control parameters, which is crucial for enhancing system performance. The authors critique existing models for their fixed sizing assumptions and propose a control co-design approach that integrates design and operational planning, particularly emphasizing the optimization of droop control parameters for frequency support. This approach aims to improve OWFs’ market participation and overall economic viability.
The study introduces a multi-timescale, multi-stage stochastic control co-design formulation that accounts for uncertainties in wind speed and energy prices. By employing a scenario generation scheme, the authors aim to create robust designs that maximize energy production and market participation while minimizing risks. The optimization framework includes decision variables related to the sizing of ESS and HVDC cables, as well as control variables for the droop gain of both the OWF and ESS. The proposed methodology is validated through simulations, demonstrating its potential to enhance the operational efficiency and revenue generation of OWFs in the context of evolving energy markets.