القصور الذاتي لأنظمة الطاقة الكهربائية أكثر من الإلكترونيات

تحليل القصور الذاتي لأنظمة الطاقة الكهربائية أكثر من الإلكترونيات

العوامل التقنية التي تساهم في التبني النهائي للتيار المتردد (ac) على التيار المباشر (dc) في تسعينيات القرن التاسع عشر تشكل تزاوجاً بين تطورات المحولات العملية والأنظمة متعددة الأطوار، بحيث تلعب المحولات دوراً حيوياً لأنها تتيح تحويل طاقة التيار المتردد ونقلها بسهولة عند مستويات الجهد العالي، إلى جانب الأنظمة متعددة الأطوار التي ابتكرتها شركة تسلا.

كذلك تصبح طاقة التيار المتردد أكثر جاذبية. كمؤشر أساسي للصحة لأنظمة طاقة التيار المتردد، كما يكشف تردد الشبكة عن درجة التوازن بين التوليد والطلب، وبالإشارة إلى الشكل التالي (1)؛ سينخفض ​​تردد الشبكة طالما أن الطلب يتجاوز التوليد، والعكس صحيح، حيث تشترك أنظمة الطاقة في غالبية دول العالم في تردد قياسي يبلغ (50) هرتز، باستثناء الأمريكيين وأجزاء من آسيا، حيث يكون التردد الاسمي (60) هرتز.

كما أن يبدو التوحيد الشامل على مستوى العالم غير جذاب اقتصادياً ولا يوجد سبب تقني كبير لتفضيل أحدهما على الآخر، بحيث تُستخدم ترددات تصل إلى (400) هرتز في الأنظمة الصغيرة الحساسة للوزن، مثل الطائرات والغواصات وأنظمة إمداد الطاقة بالكمبيوتر، وذلك بشكل أساسي لتقليل حجم المحولات والمرشحات.

وعلى العكس من ذلك، تعمل أنظمة طاقة الجر للسكك الحديدية بترددات منخفضة (على سبيل المثال، 16.67 و 25 هرتز في العديد من البلدان في أوروبا والولايات المتحدة على التوالي)، ولأسباب تاريخية تتعلق بشكل أساسي باستخدام محركات الجر القائمة على التيار المستمر وأنظمة طاقة السكك الحديدية هذه متصلة ببعضها البعض بأنظمة طاقة رئيسية 50 هرتز (أو 60 هرتز) من خلال محولات التردد الدوارة أو المحولات الإلكترونية للطاقة الثابتة.

كما يعتبر التحكم في التردد الكهربائي، أي التوازن بين التوليد والطلب ذا أهمية كبيرة وقد تم تحديده كمنطقة ذات أولوية عالية من قبل العديد من مشغلي أنظمة الطاقة، على سبيل المثال، تنفق الشبكة الوطنية في بريطانيا العظمى حوالي (160-170) مليون جنيه إسترليني سنوياً على التحكم في التردد، ومن الناحية المثالية، يجب أن يظل تردد الشبكة الكهربائية دائماً عند قيمته الاسمية.

ولسوء الحظ، سوف تتسبب ملفات تعريف الحمل والتوليد المتغيرة باستمرار في انحرافات التردد، كذلك قد يؤدي تشغيل وحدات التوليد عند التردد المنخفض إلى فرض ضغوط اهتزازية على ريش التوربين وتقليل مخرجات مضخات أو مراوح تغذية الوحدات الحرارية للحماية من عمليات التردد المنخفض، كما يتم عادةً تضمين مرحلات الحماية تحت التردد بحيث يتم تعطل المولدات عندما يكون انخفاض التردد مفرطاً.

تأثير القصور الذاتي على التحكم في التردد الكهربائي

قبل إثبات تأثير القصور الذاتي، يتم عرض إطار معياري للتحكم في التردد لأنظمة القدرة أحادية المنطقة بشكل تخطيطي في الشكل (2)، حيث يُشار إلى (R) على أنها تنظيم السرعة أو التدلي، والتي يمكنها  جنباً إلى جنب مع [Kg (s)]، نمذجة منظم السرعة والتوربينات لمحطات الطاقة الحرارية والهيدروليكية والنووية.

كما تشير (D) بقيمة نموذجية من (1) إلى (2) إلى ثابت التخميد، ومادياً يعني التغيير في القدرة الممتصة لأحمال المحرك مع التردد بسبب التغير في سرعات المحرك الكهربائي (ΔPm_pu و ΔPl_pu)، كما أن موقف لتغيير القدرة الميكانيكية وتغيير الحمل غير الحساس للتردد على التوالي، حيث يكون الرمزان (pu) والبادئة (Δ) لكل وحدة وتدوينات مضطربة على التوالي، (ΔPc_pu و Kc (s)) مرتبطان بالتحكم في القصور الذاتي وسيتم مناقشتهما لاحقاً.

ولتقييم مساهمات القصور الذاتي لكل من (SGs) الفردية، يتم تعريف ثابت القصور الذاتي (H) على أنه نسبة الطاقة الحركية (W⋅s) عند السرعة المقدرة إلى القدرة الأساسية للنظام (VA)، وهناك معبراً عنها بـ [H = Jω20m / (2VAbase)]، حيث يشير (J) إلى لحظة القصور الذاتي، كما ويمثل (ω0m) السرعة الزاوية المقدرة للدوارات، بينما يرمز (VAbase) إلى القوة المقدرة لـ (SGs).

وبالنسبة لأنظمة الطاقة ذات (SGs) المتعددة، كما يتم تعريف (Heq) لتمثيل ثابت القصور الذاتي لنظام الطاقة المكافئ، كما يوضح الشكل التالي (3) تأثير (Heq) على التحكم في التردد، لذلك من الواضح إلى حد ما أن الحالة مع زيادة (Heq) تحقق تحسيناً فعلاً في نظير التردد، وعلاوة على ذلك تساعد زيادة (Heq) أيضاً في التخفيف من (RoCoF)، لذلك؛ فإن آلية تعزيز القصور الذاتي هي في الأساس زيادة (Heq).

ومع نمو مستويات اختراق مصادر الطاقة المتجددة، يتم التخلص التدريجي من شبكات الطاقة الشمسية بواسطة المولدات المتجددة، ومع ذلك؛ فإن المولدات المتجددة هي في الأساس محولات إلكترونية للطاقة دون أي مساهمة مباشرة في القصور الذاتي، نتيجة لذلك قد تصبح مستويات (RoCoF) مرتفعة بشكل مفرط. لقد شكلت هذه المشكلة بالفعل تحدياً للتحكم في أنظمة الطاقة الصغيرة واستقرارها وستواجه قريباً أنظمة طاقة أكبر مترابطة.

التقنيات المثبتة لتحسين القصور الذاتي

من أجل الوضوح، تصنف هذه الدراسة تقنيات تعزيز القصور الذاتي إلى مجموعتين، أي التقنيات التي أثبتت جدواها والمستخدمة بالفعل في الممارسة والتقنيات الناشئة مع جهود البحث النشطة الجارية، بحيث سيتم الكشف عن مزيد من التفاصيل بعد ذلك.

تعزيز القصور الذاتي بواسطة المكثفات المتزامنة

المكثفات المتزامنة هي في الأساس (SGs) تعمل بدون محركات رئيسية أو أحمال، وعادة يتم استخدامها لتعويض الطاقة التفاعلية والتحكم في الجهد الكهربائي، وبصرف النظر عن هذا، يمكن أيضاً استخدام المكثفات المتزامنة لجني فوائد القصور الذاتي، كما تم الإبلاغ عن أن القيمة النموذجية لـ (H) للمكثفات المتزامنة هي 2.1 ثانية.

مضاهاة القصور الذاتي ودعم التردد بواسطة توربينات الرياح

تعتبر طاقة الرياح واحدة من مصادر الطاقة المتجددة الواعدة، كما أن القصور الذاتي الذي تحاكيه توربينات الرياح يوفر حوافز إضافية لاستخدام طاقة الرياح، وبالنسبة لتكوينات نظام توليد الرياح؛ فإن المولدات الحثية ذات التغذية المزدوجة (DFIGs) مع محولات الطاقة الجزئية تهيمن على السوق إلى حد بعيد، كما يوضح الشكل التالي (4) مخططًا لأنظمة توليد الرياح القائمة على (DFIG).

حيث يكون الجزء الثابت من (DFIG) متصلاً مباشرة بالشبكة بينما يكون الجزء المتحرك مرتبطاً بالشبكة من خلال محول من الخلف إلى الخلف يتكون من محول جانب الشبكة و محول جانب المولد الكهربائي، بحيث تم تصميم محول جانب الشبكة لتنظيم جهد وصلة التيار المستمر والطاقة التفاعلية، وفي المقابل يسعى المحول الموجود بجانب المولد إلى التحكم في الطاقة النشطة وسرعة الدوار، كما ويمكن استخدامه أيضاً لتنظيم القدرة التفاعلية.

تم تفصيل بنية التحكم ذات الصلة في الشكل التالي (4)، حيث يشير المرجع السفلي إلى التدوين المرجعي؛ فإن (PI ، PLL) هما اختصارات لوحدة التحكم النسبية المتكاملة والحلقة المغلقة بالطور (fg، g) هما التردد وزاوية الطور المقدرة بواسطة (PLL ،  Pc ، Qc) هما حقنات القدرة النشطة والمتفاعلة المحسوبة من قياسات الإشارة على التوالي.

وكما هو مبين في الشكل (5-b)، كما يمكن بسهولة تنظيم القدرة الكهربائية (Pc) المحقونة بالشبكة عن طريق تعديل مرجعها (P ∗ c_ref)، بحيث لاحظ أن شروط الفصل بين (d – و q -) محاور تم حذفها.