القصور الذاتي لمولدات الرياح وتخزين الطاقة الكهربائية

بسبب الاختراق العالي لموارد الطاقة المتجددة في الشبكات الصغيرة (MGs)؛ يصبح القصور الذاتي للشبكة الكهربائية منخفضاً مما يؤدي إلى تعرض الشبكة للاضطرابات الكبيرة، بحيث يمكن أن تلعب أجهزة تخزين الطاقة دوراً مهماً في تعزيز القصور الذاتي لـ (MGs)، ومع ذلك ونظراً لارتفاع تكلفة الاستثمار للمخازن أو قيود (dp / dt).

دراسة تأثير القصور الذاتي لمولدات الرياح وتخزين الطاقة الكهربائية

في الوقت الحاضر، يتجه تصميم أنظمة الطاقة التقليدية نحو استخدام أنظمة الطاقة الصغيرة التي تسمى (MG)، بحيث تم تسريع استخدام (MGs) نظراً لفوائدها العديدة مثل الموثوقية والمرونة وتوفير التكاليف وزيادة قدرة الشبكة على العمل في ظل ظروف الأعطال، كما تمتلك (MGs) القدرة على دمج موارد الطاقة الموزعة (DER)، والتي تشمل أنظمة تخزين الطاقة (ESS) والأحمال الكهربائية القابلة للتحكم ومنصات الاتصالات.

كذلك تجمع (MGs) بين موارد الطاقة المتجددة النظيفة والفعالة من حيث التكلفة مع مجموعات المولدات الموثوقة التي يمكنها تلبية متطلبات صناعة الطاقة المستقبلية، بحيث تتمتع هذه الشبكات بالقدرة على العمل على المدى الطويل أو القصير المدى بشكل مستقل عن شبكة المنبع لأن مجموعة متنوعة من الأجيال الموزعة وموارد تخزين الطاقة متوفرة في هذه الشبكات.

وبالتالي؛ فهي خالية من الأضرار التي لا يمكن إصلاحها والناجمة عن أعطال شبكة المصدر الرئيسي، كذلك تزيد القدرة على تخزين الطاقة وشراء وبيع الطاقة الكهربائية في أوقات مختلفة من التبرير الاقتصادي لمركبات (MG)، ونظراً لموثوقيتها العالية؛ فهي مناسبة للتطبيقات الهامة مثل المستشفيات والشبكات الرئيسية.

أثر المشاكل البيئية في تعزيز دور الطاقة البديلة

في عالم اليوم، اجتذبت الآثار الضارة لانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري الكثير من الاهتمام، ولكن الحد بشكل كبير من استخدام هذه الملوثات من أنظمة التدفئة والنقل لم يكن ممكناً حتى الآن وفقاً للظروف الحالية والمستقبلية، كذلك المجتمعات الحديثة تتجه نحو استخدام مصادر الطاقة المتجددة.

كذلك ترتبط هذه المصادر بالشبكة مع واجهات كهربائية قائمة على الطاقة، ومع ذلك؛ فإن الاختراق العالي لمصادر الطاقة المتجددة قد يفرض تحديات على استقرار التردد الكهربائي الحرج، وبشكل عام موارد الطاقة المتجددة لديها استجابة بالقصور الذاتي قليلة أو معدومة، ولذلك؛ فإن استبدال الموارد التقليدية بموارد الطاقة المتجددة يقلل من الجمود العام للنظام. تم زيادة تغلغل مصادر الطاقة المتجددة التي لا يمكن أن تشارك عادة في التحكم في التردد الكهربائي.

كما تستهدف هذه المشكلة اختراقاً أعلى في شبكات الطاقة في المستقبل، وبالتالي؛ فإن عدد وحدات الطاقة الأخرى التي توفر قدرة يمكن التحكم فيها للتحكم الأولي والثانوي يتناقص، ونتيجة لذلك سيزداد انحراف التردد، وللتغلب على تحديات عدم استقرار التردد؛ فإنه يجب تطوير موارد الطاقة المتجددة حتى تتمكن من المشاركة في تنظيم التردد وزيادة استقرار النظام الكهربائي.

انخفاض التردد وأثره على تخزين الطاقة الكهربائية

في الوقت الحاضر؛ فإن تحقيق (MGs) ذات قاعدة الرياح العالية الاختراق ليس بعيداً عن التوقعات، ومع ذلك؛ فإن القصور الذاتي المنخفض في (MGs) وانخفاض التردد المفاجئ في حالة حدوث اضطرابات كبيرة في الطاقة، بحيث يؤدي ذلك إلى حدوث أعطال متتالية تمثل تحديات لمركبات (MG) باستخدام مصادر الطاقة المتجددة.

كما يعد استخدام قدرة توربينات الرياح في استجابة القصور الذاتي والتحكم الأولي في التردد أحد الحلول، وللتغلب على الانحراف عالي التردد في (MGs) المستندة إلى مزرعة الرياح، كما تستخدم بعض الأوراق وضع تشغيل التفريغ لتوربينات الرياح لتوفير خمول افتراضي سريع ودعم تردد أولي لمجموعات (MGs)، بحيث يتم ضبط مكاسب وحدة التحكم فيما يتعلق بسرعة الرياح.

وهناك طرق تقدير سرعة الرياح ليست طرقاً دقيقة وتفرض شكوكاً على أجهزة التحكم، ومع ذلك ومن خلال الاحتفاظ بنقطة تشغيل توربينات الرياح في نقاط التفريغ؛ فإنه سيتم فقد الطاقة المشتقة الكبيرة من توربينات الرياح والتي قد لا تكون حلولًا فعالة من حيث التكلفة لأصحاب مزارع الرياح.

مفهوم القصور الذاتي الافتراضي لمولد الرياح

في هذا البحث، تم استخدام مصدرين للطاقة للمشاركة في زيادة القصور الذاتي الافتراضي لـ (MG) المدروسة.

• مولدات الرياح: يمكن إطلاق طاقة حركية عالية إلى الشبكة وتقليل اختلال توازن الطاقة في الشبكة الكهربائية.

• مصادر تخزين الطاقة: مصادر تخزين الطاقة المختلفة ضرورية لكل (MG) لتخزين أو إطلاق الطاقة، بحيث يمكن أن تشارك هذه المصادر في التخميد التردد في (MGs9).

قدرة مولدات الرياح على دعم القصور الذاتي

يمكن تنظيم قوى خرج مولدات الرياح من خلال التحكم في واجهات إلكترونيات القدرة، ومن ناحية أخرى يمكن أن توفر الطاقة الحركية المتاحة في توربينات الرياح استجابة القصور الذاتي لـ (MGs)، لذلك يمكن لمولدات طاقة الرياح المشاركة في التخميد الترددي (MGs) عند حدوث اضطراب كبير في (MG)، لذلك تعتمد طاقة ناتج مولد الرياح على عوامل مختلفة مثل كثافة الهواء (ρ) وقطر الدوار (R) وسرعة الرياح (υω).

لذلك لا يمكن تحويل كل الطاقة إلى كهرباء، لكن يمكن حساب إجمالي الطاقة الناتجة عن توربينات الرياح على النحو التالي:

في المعادلة أعلاه، يعتمد العامل [Cp (λ، β)] على تصميم التوربين وزاوية الملعب (β) ونسبة السرعة الطرفية (λ).

حيث أن (ωr) هي السرعة الزاوية لتوربينات الرياح، وبالنظر إلى قيمة ثابتة لـ (β)؛ فإنه يمكن اشتقاق نقطة القدرة القصوى (MPP) لسرعات رياح مختلفة كما هو مبين في الشكل التالي:

ولتنفيذ مولد الرياح الفعال من حيث التكلفة؛ فإنه يوصى بتشغيل توربينات الرياح في ظل ظروف (MPPT)، كما يمكن تقريب هذه الظروف كوظيفة بسيطة موضحة في الشكل السابق ولتشغيل توربينات الرياح تحت تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT)، لذلك لا يتم استخدام استراتيجية التشغيل غير المحمل، وبالتالي تشارك توربينات الرياح في الاستجابة بالقصور الذاتي فقط.

أيضاً تستهدف (MGs) أن تتغذى بمستوى اختراق عالٍ لمصادر الطاقة المتجددة التي تتسم بقصور ذاتي منخفض، وفي هذه الشبكات وعندما يحدث عدم توازن مفاجئ في الطاقة العالية؛ ربما لا يتم تثبيط التذبذب الشديد في التردد الكهربائي بشكل فعال.

وبالتالي يمكن عزل العديد من مصادر الطاقة أو الأحمال عن الشبكة عن طريق فتح مرحلات الحماية الكهربائية، ومع استمرار هذا الوضع؛ فإن ظاهرة التعتيم أمر لا مفر منه. لفترة محدودة، ولتحسين الاستجابة بالقصور الذاتي للشبكة الكهربائية؛ فإنه يمكن لمولدات الرياح إطلاق المزيد من الطاقة على (MPP)، بحيث يؤدي إطلاق الطاقة الحركية لتوربينات الرياح إلى تقليل سرعة دوار الرياح.

وأخيراً يتم عرض مراحل التعافي المختلفة في عملية الاسترداد، بحيث يجب مراعاة منطقة التشغيل لتوليد الرياح، والتي يتم فحصها بشكل مناسب في أوراق قليلة، كما تحدد المنطقة المذكورة الطاقة الحركية الصادرة للشبكة وقصر مدة الوقت لمولد الرياح المشارك في استجابة القصور الذاتي، كذلك القوة القصوى لها حدود عزم الدوران، وكذلك قيود السرعة المنخفضة والعالية هي عوامل فعالة في الحد الأقصى للطاقة الحركية المتاحة.