تأثيرات التردد الكهربائي غير منظم التزامن على الأطوار

تلعب وحدات قياس (Phasor-PMU) دوراً مهماً في الأمان والدور في التحكم في المراقبة الديناميكية لنظام الطاقة، ومع ذلك؛ فإن عمليات النشر الواسعة لمصادر الطاقة المتجددة ونقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) تجلب عدداً كبيراً من المركبات التوافقية البينية إلى شبكة الطاقة الكهربائية.

التأكيد على تأثيرات التردد الكهربائي غير منظم التزامن على الأطوار

في السنوات الأخيرة، أدى التنفيذ الواسع لوحدات قياس الأطوار (PMU) إلى تطورات متزايدة في مراقبة الأمن الديناميكي لنظام الطاقة والتحكم فيه استناداً إلى وحدة إدارة المشروع، ومثل ما بعد تحليل الأحداث ومراقبة التذبذب منخفض التردد الكهربائي والتحقق من صحة النموذج وتحديد الحاجة وما إلى ذلك، كما أحدثت قياسات الطور المتزامنة والسريعة والدقيقة للمكون الأساسي التي حصلت عليها وحدات إدارة المشروع ثورة في المراقبة والتحكم الديناميكي للأمان.

ومع ذلك، ومع التطور المتزايد للطاقة المتجددة ونقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC)؛ فإنه يتم نشر المزيد والمزيد من الأجهزة الإلكترونية في شبكة الطاقة، بحيث يقدم هذا عدداً كبيراً من التوافقيات البينية التي ليست مضاعفات صحيحة للمكون الأساسي لإشارات الطاقة، مما يغير قياس المكون الأساسي وقد يهدد بشكل أكبر أمن التشغيل لنظام الطاقة الكهربائية.

كما أن أحد التهديدات هو التذبذب غير المتزامن، والذي يضر بشدة بنظام الطاقة، بحيث تم الإبلاغ عن العديد من أحداث التذبذب غير المتزامن في النظام المتكامل مع الرياح حول العالم، مثل مجلس الموثوقية الكهربائية في تكساس (ERCOT) في عام (2009)م وشركة أوكلاهوما للغاز والكهرباء (OG&E) في عام (2011)م وبالإضافة الى شبكة الصين للطاقة (Jibei) في عامي (2013)م ، (2014)م .

ومنذ النصف الثاني من عام (2015)م، كان هناك العديد من التذبذبات غير المتزامنة الناتجة عن التوافقيات البينية التي حدثت في منطقة معينة من الصين مع تركيز عالٍ من مزارع الرياح وخطوط نقل (HVDC)، بحيث تم تعطل العديد من مولدات الطاقة الحرارية القريبة من خلال مرحلات الإجهاد الالتوائي (TSR)، كما وفقدت طاقة أكثر من (1) ميغاوات ثم تعثرت مزارع الرياح أيضاً.

التحويلات الحسابية الخاصة بالتردد الكهربائي غير المتزامن

يستخدم تحويل فورييه المنفصل (DFT) على نطاق واسع لتقدير الطور في وحدات إدارة المشروع ، ولكن لا يمكن لـ (DFT) استخراج الطور بدقة في ظل ظروف ديناميكية، ومع إصدار معايير (PMUs) حول العالم، بحيث تم تطوير العديد من التقنيات لتحسين أداء وحدات إدارة المشروع، كما تم تطوير خوارزمية قائمة على (DFT) للحصول على أطوار عندما تكون هناك مكونات تيار مباشر (DC) في المدخلات.

كما يتم تنفيذ الخوارزمية القائمة على “سلسلة تايلور” لتحسين أداء (PMUs) في ظل الظروف الديناميكية، ومع ذلك لا يتعامل أي من المراجع مع استكشاف قياس الطور للإشارات مع (interharmonics)، وفي هذا البحث تم اشتقاق التعبيرات الطورية للإشارات، والتي تحتوي على المكون الأساسي و (interharmonics)، ولقد وجد أن كلا من التوافقي شبه المتزامن وفائق التزامن سيؤدي إلى تذبذب غير متزامن في قياسات الطور.

كذلك تم الكشف عن آلية تحويل التردد بين التوافقي البيني وتذبذب الطور، وبعد ذلك يتم فحص بيانات التسجيل وقياسات الطور التي حصلت عليها وحدات إدارة المشروع أثناء التذبذب غير المتزامن في منطقة الصين ذات التركيز العالي لمزارع الرياح وخطوط نقل (HVDC)، بحيث تظهر نتائج التحليل العواقب الوخيمة للتوافقيات البينية والتحقق من صحة الاشتقاق النظري.

التعبير الطوري للإشارة التي تحتوي على متناسق واحد

في ظل الظروف الديناميكية؛ فإنه لا تكون الصيغة الجيبية الثابتة النقية مناسبة حتى لمغلف الإشارة داخل نافذة بيانات حساب واحدة. يتم التعبير عن الإشارة الأساسية الديناميكية الصحيحة على النحو التالي:

حيث أن:

[x (t)]: هي القيمة الآنية للإشارة.

[Xm (t)]: تشير الى الحجم.

(φ0): زاوية المرحلة الأولية.

(f0): التردد الكهربائي الاسمي.

[Δf (t)]: انحراف التردد، ويعني حجم وتواتر الإشارة هما وظيفتان بالنسبة للوقت.

ثم يتم تمثيل المعادلة السابقة بإضافة متغير مركب (X˙) بحيث يُعرف بتمثيل الطور الديناميكي كالتالي:

لذلك من المعتاد قمع المصطلح [ej (2πf0t)] في التعبير أعلاه، وذلك على أساس أن الإحداثي المرجعي يدور مع التردد الزاوي (2πf0)، لذلك؛ فإن التردد المقاس باستخدام الإحداثيات الدورية هو الفرق بين التردد الحقيقي لنظام الطاقة والتردد المقدر، كما أن هناك حاجة إلى مزيد من تحويل قياس التردد للحصول على التردد الحقيقي لنظام الطاقة.

وعلى فرض أن الإدخال يحتوي على التوافقي الذي يبلغ (Xm1) فيه (5.773) فولت و (f1 20) هرتز وإشارة المعدل التي يبلغ (Xm0) فيها (57.73) فولت و (f0) هي (50) هرتز، ثم يتم تحديد حجم وزاوية الطور للطور المتراكب في الشكل التالي (2)، بحيث يمكن ملاحظة أن الطور المتراكب يتأرجح بتردد غير متزامن قدره (Δf1) = 30 هرتز.

مراقبة التذبذب غير المتزامن استناداً إلى قياسات PMUs

في هذا القسم، تمت دراسة التذبذب غير المتزامن الذي حدث في غرب الصين حيث يوجد تركيز كبير لمزارع الرياح وخطوط نقل (HVDC) وذلك باستخدام بيانات وحدة إدارة المشروع المسجلة، بحيث تظهر نتائج التحليل العواقب الوخيمة للتوافقيات البينية والتحقق من صحة الاشتقاق النظري.

توزيع التذبذبات غير المتزامنة

من يوليو (2015)م، حدثت العديد من التذبذبات غير المتزامنة الناتجة عن التوافقيات البينية في غرب الصين، مما أدى إلى العديد من أجيال الطاقة الحرارية وتعثر مزارع الرياح. بحيث تتبعت وحدات إدارة المشروع المثبتة في المنطقة عمليات التذبذب من خلال تسجيل القيمة الفورية للإشارة وقياس الطور، بحيث يتجاوز إجمالي بيانات (PMUs) (40) غيغابايت وتغطي أكثر من (140) خط نقل.

تحليل المركبات التوافقية

بالإضافة إلى القياسات الطورية، سجلت وحدات إدارة المشروع أيضاً القيم الفورية للإشارات لبعض خطوط النقل. يوضح الشكل التالي تحليل الطيف للقيم الآنية الحالية لخط الإرسال (C-E)، بينما يوضح الشكل اللاحق تحليل الطيف لقياسات الأطوار الحالية من وحدة (PMU) لنفس الإرسال خلال نفس الفترة، ولإظهار التوافقيات البينية وتأثيراتها على قياسات الطور بوضوح؛ فإنه لم يتم رسم المكون الأساسي في الشكلين التاليين.

في هذه الدراسة، تم الكشف عن تأثيرات التوافقيات البينية على قياسات التوافقيات، بحيث يُقترح التعبير الطوري للإشارة التي تحتوي على المكون الأساسي والتوافقيات البينية الفردية أو المتعددة، لذلك لقد وجد أن التوافقيات يمكن أن تسبب التذبذب غير المتزامن لقياسات الطور الكهربائي، كذلك تواتر تذبذب قياسات الطور هو الفرق بين المكون التوافقي والمكون الأساسي.

كما يتم تحليل القيمة اللحظية لإشارة الطاقة وقياسات الطور التي حصلت عليها وحدات (PMU) أثناء تذبذب غير متزامن من شبكة طاقة حقيقية بها تركيز كبير من مزارع الرياح وخطوط نقل (HVDC)، بحيث يوضح مخطط الأسلاك الجغرافي مع توزيع التذبذب الفائق التزامن أن المزيد من التوافقيات البينية توجد بالقرب من مزارع الرياح وتتأثر العديد من مستويات الجهد الكهربائي ومساحة واسعة.