الطيف الترددي الخاص بتقلب طاقة الرياح ومحطات التخزين

تحليل الطيف الترددي الخاص بتقلب طاقة الرياح ومحطات تخزين

شهدت تكنولوجيا توليد وتسخير طاقة الرياح نمواً سريعاً في الاستجابة للمخاوف البيئية المتزايدة حول العالم، وفي عام (2015م) سجلت صناعة الرياح في جميع أنحاء العالم عاماً قياسياً بتركيبات سنوية تبلغ (63) جيجاوات، حيث بلغت السعة المركبة بنهاية عام (2015م) حوالي (433) جيجاوات، وهو ما يمثل زيادة سنوية بنسبة (17٪)، وعلاوة على ذلك يتم توفير المزيد من توليد الطاقة الجديدة من مصادر طاقة الرياح بدلاً من تقنيات الطاقة الأخرى.

كما يعد توليد الطاقة الكهربائية من تكنولوجيا الرياح أسرع التقنيات نمواً نظراً لخصائصها الوفيرة، ومع ذلك وبسبب ميزتها العشوائية؛ فإن لها تأثير غير ضروري على عمليات واستقرار نظام شبكة الطاقة، على سبيل المثال يكون تذبذب مشكلة تردد الشبكة أكثر وضوحاً، بحيث يؤثر تذبذب التردد الكهربائي بدوره حتى على انهيار نظام الطاقة.

ولتقليل مثل هذه المشاكل، تم اقتراح استراتيجية التحكم في التدلي بالنواقل المطبقة على نظام التخزين المتغير السرعة (VSPS) القائم على آلة الحث ذات التغذية المزدوجة (DFIM)، بحيث يجب استخدام هذه الطريقة كحل لتعويض تقلبات طاقة الرياح في نظام تكامل شبكة مزرعة الرياح، كما يتكون نموذج النظام على أساس تقنية تسمى نموذج الطور.

أيضاً يتم استخدام نهج تحليل الطيف الترددي في محطة (VSPS) لتحديد الأداء الديناميكي للشبكة في حالة الطوارئ بما في ذلك تعويض تذبذب طاقة الرياح. منصة البرمجيات (MATLAB / Simulink) تستخدم للتحقق من أداء النظام المقترح، كما بينت النتائج أن طريقة تحليل الطيف الترددي فعالة في تحديد تذبذب طاقة الرياح ومتطلبات الاستقرار في شبكات القدرة الكهربائية الكبيرة.

وللتخفيف من تأثير تقلبات الطاقة لمزرعة الرياح، كما يتم تنفيذ طوبولوجيا المحول متعدد المستويات المتتالية للجسور (H) في نظام (VSPS) على أساس استراتيجية التحكم في الجهد الكهربائي الثابت للجزء الثابت، وعلاوة على ذلك، ولقمع انحرافات تردد الشبكة الكهربائية الناتجة عن تقلبات الطاقة في مزرعة الرياح؛ فقد تم اقتراح نهج التحكم في حل الخوارزمية لترشيح الطاقة، لكن هذه الدراسات لم تتناول تقنية المحاكاة لنهج نموذج الطور.

لذلك يتم أخذ تردد الشبكة كقيمة ثابتة، لأنه يتم تجاهل حلقة تأمين الطور (PLL) بواسطة تقنية نموذج الطور، بحيث يستخدم (PLL) لتجميع تردد الشبكة، لذلك؛ فإن التحكم في الطاقة النشطة هو التحكم في تردد الشبكة، كما يمثل التحكم في تردد الشبكة بنية تحكم في حلقة مفتوحة كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث ينتج عن هذا نقص الأداء الديناميكي لجهد التيار المتردد وترددات الشبكة، خاصة إذا تم فرض حالات طارئة.

الوصف الأساسي للتحكم في التردد الكهربائي

تردد الشبكة هو مقياس لتوازن الطاقة النشط في النظام، حيث إنها إشارة تغذية مرتدة تتيح للمشغل مراقبة توازن الطاقة المولدة والمستهلكة، كما إنها خاصية شائعة للجهد في جميع المواقع، ومع ذلك فهي تختلف بمرور الوقت بينما تتغير ظروف النظام داخل نظام طاقة التيار المتردد، أي اختلاف في التوليد أو الحمل يتسبب في انحرافات التردد التي قد تؤدي إلى عدم استقرار النظام ويمكن أن يكون تشغيل معدات التوليد والمستهلك في حده الأدنى، وفي الحالات القصوى قد تتلف معدات النظام.

كما يُعرَّف مفهوم ثبات التردد في أنظمة القدرة على أنه المطلب الذي يضمن بقاء تردد النظام ضمن حدود أمان معينة أثناء التشغيل العادي وأيضاً في حالات الطوارئ، كما يتم ضمان ذلك باستخدام آليتين هما التحكم في التردد والتحكم النشط في توازن الطاقة، وفي تصميم النظام وتشغيله، يعد التحكم في التردد مشكلة تحكم حيوية، وفي الوقت الحاضر أصبح هذا الأمر أكثر أهمية بسبب تعقيد نظام الطاقة الحديث المدفوع بالحجم المتزايد والقيود البيئية ومصادر الطاقة المتجددة الناشئة والشكوك.

لذلك يمكن تعريف نموذج استجابة تردد مبسط مع وحدة مولد واحدة في نظام طاقة مترابط متعدد الآلات بحيث يعتمد على النموذج الديناميكي لحمل المولد وهو الارتباط بين اختلال توازن الطاقة لـ (Pm − PL) وانحراف تردد الشبكة ( Δf) ويمكن التعبير عنها من حيث معادلة التأرجح الخاصة بالتأرجح، وذلك على النحو التالي:

حيث أن (ΔPm ، PL ، D ، H) هي تغيرات خاصة بالقوة الميكانيكية وتغير الحمل ومعامل تخميد الحمل وثابت القصور الذاتي، وفيما يتعلق بوظيفة تحويل لابلاس، بحيث يُشار إلى التعبير عن تغيير التردد في المعادلة التالية:

من خلال المعادلة يتناسب انحراف التردد عكسياً مع معامل التخميد وثابت القصور الذاتي، وللحفاظ على تردد نظام الطاقة بقيمة اسمية، كما يمكن استخدام آليات مختلفة اعتمادًا على حجم الانحراف للتردد المواجه، بحيث يمكن لأنظمة التحكم الأولية وأنظمة التحكم في التردد تنظيم انحرافات التردد الصغيرة، وفي الظروف المعقدة والانحرافات الكبيرة، تتم معالجة استعادة التردد من خلال مخطط التحكم في حالات الطوارئ، مثل فصل حمل التردد.

كما يتراوح الإطار الزمني للاهتمام لدراسة استقرار التردد من ثوانٍ إلى دقائق بسبب التأثير الديناميكي السريع والبطيء عليه، وبالنسبة لنظام تذبذب الطاقة الكبير؛ فإنه يتم أخذ مشكلة الاستقرار طويلة المدى في الاعتبار وكذلك في هذه الدراسة.

وصف النظام المقترح الخاص بشبكة الطيف الترددي

يوضح الشكل التالي (2) هيكل النظام المقترح والذي يوضح أن الهيكل يحتوي على محطة (VSPS) مدمجة مع شبكة شبكة مزرعة الرياح، كما تحتوي الشبكة على الأحمال التقليدية القائمة على المولدات المتزامنة الحرارية والطاقة الكهرومائية، بحيث يتم تغذية وحدة (VSPS|) بواسطة (DFIM)، وهي الجزء الثابت من (DFIM) متصل بالشبكة.

نمذجة آلة (VSPS): استناداً إلى النموذج الديناميكي لآلة الحث ثلاثية الطور، يتم التعبير عن ديناميكيات (DFIM) بواسطة المعادلات التالية، والتي تشرح النظام الكهربائي والمعادلة الأخيرة تحدد النظام الميكانيكي.

نمذجة المحول من (VSC-NPC) لـ (VSPS): (VSC) هو محول عميق يمكن التحكم فيه وسريع، حيث أن لها استخدام واسع في تطبيقات أنظمة واجهة (AC / DC)، كذلك لها أنواع مختلفة في طوبولوجيتها، بحيث يتم تطبيق (NPC) من ثلاثة مستويات على نطاق واسع. يشتمل هذا النوع من المحولات على ثلاثة أذرع في الكتلة، كما يحتوي كل ذراع على أربعة مكونات تحويل مع اثنين من الشخصيات غير القابلة للعب وثنائيات مضادة للتوازي.

وبالنسبة الى استراتيجيات التحكم للمحول الجانبي الدوار (VSC NPCr)، تقسم الى:

• التحكم الفعال في الطاقة الكهربائية، وذلك لتعويض تقلبات الطاقة في الشبكة الناتجة عن مزرعة الرياح، كما يجب استخدام استجابة سريعة واستراتيجية تحكم فعالة.

• التحكم في تدلي التردد في (VSPS)، يعد التحكم في التردد الأساسي في نظام الطاقة مهماً، بحيث يعد التحكم في التردد في وحدة (VSPS) للشبكة المتكاملة أمراً حيوياً.

• التحكم في القوة التفاعلية لمحرك (VSPS)، بحيث تم تصميم نظام التحكم في القدرة التفاعلية لـ (VSPS) الخاص بـ (DFIM)، وذلك باتباع إجراءات مماثلة كما هو الحال في تطوير حلقة التحكم في القدرة الحقيقية.