التحكم بالتردد باستخدام محركات الشبكة قصيرة المدى

الضرورة وراء التحكم بالتردد باستخدام محركات الشبكة قصيرة المدى

تعتبر المحركات الحثية الصناعية العمود الفقري للصناعة بسبب تكلفتها المنخفضة وبنيتها القوية، كما تُستخدم المحركات الحثية في مجموعة واسعة من الصناعات، مثل النفط والتعدين، الطاقة والورق ومياه الصرف الصحي، كما تشمل التطبيقات المراوح والمضخات والضواغط  والدرفلة المعدنية ورافعات المناجم والمصافي والدفع.

أيضاً يمكن توصيل المحرك التعريفي مباشرة بشبكة الطاقة (60) هرتز وسيعمل بسرعة ثابتة نسبياً، بحيث تتكون هذه المحركات من مرحلتين للتحويل  (AC إلى DC) و (DC إلى AC) أو مقوم وعاكس على التوالي، حيث أن المقوم والعاكس متصلان بمكثف وصلة (DC)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (1).

وللحصول على مثال لطوبولوجيا محرك أساسي، يتكون المحرك من جزأين، وهما العاكس والمعدل العاكس والمقوم متصلان من خلال وصلة مكثف (DC)، بحيث يتم توصيل جانب التيار المتردد ثلاثي الأطوار للعاكس بحمل المحرك، كما ويتم توصيل جانب التيار المتردد ثلاثي الأطوار من المعدل بشبكة القدرة ثلاثية الطور، بحيث يُشار إلى معظم “أنظمة المحركات” على أنها “محركات سرعة” قابلة للتعديل (ASDs) أو محركات متغيرة السرعة (VSDs).

مزايا محركات الشبكة قصيرة المدى

وفقاً لدراسة أجرتها وكالة الطاقة الدولية في عام 2011م؛ فإن (64٪) من إجمالي استهلاك الكهرباء عبارة عن أحمال محركات صناعية، بحيث تشكل المحركات الكهربائية الكبيرة التي تزيد طاقتها الإنتاجية عن 375 كيلو واط، أي حوالي 23٪ من إجمالي استهلاك طاقة المحرك.

ووفقاً لتقييم أجرته العديد من الدراسات في عام 2002م؛ فإن (8٪) فقط من جميع أنظمة المحركات الصناعية بها محركات متغيرة السرعة (VSDs)، ومع ذلك؛ فقد تم تحديد أن ما يقرب من ثلثي جميع وفورات كفاءة الطاقة المحتملة التي حددها اتحاد كفاءة الطاقة يتم تحقيقها من خلال تحسينات النظام، مثل (VSDs) أو حلقات الالتفافية في أنظمة الضخ.

كما تُظهر المضخات والمراوح والضواغط تحسينات كبيرة في الكفاءة عند تنفيذ محركات (VSD(، بحيث يمكن لـ (VSD) تنظيم تدفق الماء أو الغاز دون استخدام المعدات الميكانيكية التقليدية، مما يؤدي إلى خسارة كبيرة في نظام الإمداد الكهربائي.

تشير الدراسة إلى أن تقديراً متحفظاً  لتوفير الطاقة من (VSD) هو (787) (جيجاوات ساعة / سنة)، وذلك لأنظمة المروحة و (1366 جيجاوات ساعة / سنة) لأنظمة الهواء، وكذلك (6421 جيجاوات ساعة / سنة) لأنظمة المضخات. تقديرات المدى المتوسط ​​لهذه المدخرات ما يقرب من ضعف التقديرات المتحفظة.

اعتباراً من عام 2002م، بينما تم تجهيز 8 ٪ من أنظمة المحركات الصناعية بمحرك (VSD)؛ فقد كان 90 ٪ منها 20 حصاناًً أو أقل، ومع ذلك قدرت الدراسات أن (18-25 ٪) من إجمالي طاقة نظام محرك التصنيع يمكن أن تضيف (VSDs) بشكل فعال من حيث التكلفة.

كما أن متوسط ​​الإطار الزمني للاسترداد على استثمار (VSD) هو عام ونصف فقط. بالإضافة إلى زيادة كفاءة الطاقة، بحيث تعمل محركات (VSD) على خفض تيارات البدء ويمكنها تنظيم السرعة والقوة بشكل فعال عند أو أقل من التصنيفات الاسمية.

حيث أن العيوب المتأصلة في (VSDs) هي تأثير تغيير الجهد (PWM)، أي (إجراء التبديل) على المحركات، وذلك لأن (dV / dt) المتعدد والسريع الناتج عن العاكسات يمكن أن يؤدي إلى تيارات تحمل أو يؤدي إلى انهيار عزل لف المحرك، ومع ذلك فقد قام مصنعو المحركات بتعديل تصميمات المحركات بحيث يمكنهم العمل بشكل موثوق مع محركات (VSD) الأمامية.

بالإضافة إلى توفير كفاءة الطاقة؛ فإنه يمكن للمحرك المتصل (VSD) توفير فوائد محتملة للشبكة، بحيث يؤدي تقليل تيار التدفق نفسه أيضاً إلى تحسين استقرار الشبكة الكهربائية أثناء بدء تشغيل المحرك، وبالإضافة إلى ذلك يمكن التحكم في الأحمال مثل المراوح وضواغط الهواء والمضخات لتوفير الدعم لشبكة الطاقة، وهي نفس الأنظمة التي تجد غالبية فوائد كفاءة الطاقة من محركات (VSD).

غالباً ما يمكن تقليل سرعة (والطاقة المستمدة من المرافق) المراوح وضواغط الهواء والمضخات دون التأثير على عملية الإنتاج الأولية، بحيث تشكل هذه الأحمال ما يقرب من 11٪ من جميع أحمال المحركات الصناعية، وهذا مورد ضخم غير مستغل للمرافق، بحيث يمكن أن تستجيب هذه الأحمال لتقلبات الشبكة وتساعد في جعل الشبكة أكثر موثوقية.

الخدمات المساعدة لمحركات الشبكة قصيرة المدى

يمكن أن تدعم الخدمات المساعدة وظائف الشبكة الأساسية مثل قدرة التوليد وإمدادات الطاقة وتوصيل الطاقة، وغالباً ما يتم توفير هذا الدعم من خلال موارد الطاقة الموزعة (DER) أو التوليد الموزع (DG)، وذلك مع تكامل الأحمال الإلكترونية المتصلة بالطاقة، بحيث يمكن أيضاً توفير العديد من وظائف الدعم التي توفرها الخدمات المساعدة (DG) من خلال الأحمال المرنة.

أما في الوقت الحالي، لا تتيح متطلبات مشغلي النظام المستقلين مساحة كبيرة للأحمال للعمل في السوق التنظيمية، على سبيل المثال يتطلب مشغلو النظام المستقل في كاليفورنيا (CAISO) قدرة طاقة 0.5 ميجاوات على الأقل لتتمكن من المشاركة في سوق تنظيم التردد الكهربائي، بحيث يتركز الاهتمام الأكبر في الأحمال المرنة حول وحدات تكييف الهواء والأحمال السكنية الأخرى.

ومع ذلك؛ فإنه يمكن أن يكون لمحرك الجهد المتوسط ​​قدرة تشغيلية تقارب (5) ميغاوات، مما يسمح بسعة أكبر يمكن التحكم فيها، وبحلول عام 2009م، كان لدى كل من مشغل النظام المستقل في نيويورك (NYISO) و PJM Interconnect LLC) (PJM))، وهو برنامج خدمة مساعدة الى جانب الطلب، وبالنسبة إلى (NYISO)، يمكن أن تشارك موارد جانب الطلب في التنظيم والاحتياطي المتزامن وغير المتزامن.

لذلك يشار إلى استخدام الأحمال لتنظيم الشبكة على أنها استجابة الطلب، بحيث تقوم معظم برامج الاستجابة للطلب بضبط الحمل من خلال خيار التشغيل أو الإيقاف، كما يحدث هذا بإحدى طريقتين:

• يمنح العميل الإذن للمرافق بمقاطعة حملها خلال فترة زمنية محددة.

• يتم تحفيز العميل لتقليل الحمل خلال فترة زمنية.

ومع ذلك، ومع إدخال (VSDs)؛ فإنه يمكن أن تتغير سرعة الأحمال وبالتالي “التحميل” وبمرور الوقت، تعتبر المراوح والمضخات الصناعية الكبيرة مفيدة بشكل خاص لهذا التطبيق لأن هذه الأحمال يمكن تقليلها في كثير من الأحيان لفترة قصيرة ولن تقاطع أي عمليات إنتاج.

دعم تردد الشبكة باستخدام سرعة محرك متغيرة

يتم التحكم بشكل عام في محركات السرعة القابلة للتعديل باستخدام تحكم ثابت (V / f)، وباستخدام طريقة التحكم هذه؛ فإنه يمكن تقليل طاقة المحرك عن طريق تقليل سرعة المحرك، كما تتم محاكاة استجابة القصور الذاتي للمحرك المتصل بالخط باستخدام التحكم في استجابة التردد الكهربائي، ومع ذلك؛ فإن هذا التحكم يضيف التحكم الأساسي في التردد.

كما يستخدم مرجع التحكم في التردد في حلقة قفل الطور (PLL) لقياس تردد الشبكة، حيث أن تردد الشبكة وسرعة المحرك الأولية هما مدخلات النظام، حيث يظهر مخطط التحكم في الشكل التالي، كما ويشمل التحكم التحكم الأساسي في التردد من خلال الشكل 3 (a) ومحاكي القصور الذاتي في الشكل 3 (b) وكذلك جهاز التحكم في السرعة في الشكل 3 (c).