تثبيت الحماية الكهربائية من منظور القدرة التفاعلية

أهمية تثبيت الحماية الكهربائية من منظور القدرة التفاعلية

يستلزم خطر انقطاع التيار الكهربائي في نظام الطاقة توافر الإجراءات “المضادة التشغيلية” ضد الانقطاع في جميع الأوقات، وعلى وجه الخصوص تسمى عملية استعادة النظام بأكمله أثناء انقطاع التيار الكهربائي، والذي ينتج عنه عدم وجود مصدر طاقة في النظام، “البداية السوداء”، وتحقيقا لهذه الغاية توجد أنواع مختلفة من المولدات الكهربائية ذاتية التشغيل في النظام.

مثلاً في كوريا؛ فإن معظم هذه المولدات ذاتية التشغيل عبارة عن مولدات تخزين بالضخ، كما وتقع عادةً في الجبال نظراً لخصائصها، ونظراً لأن مولدات التخزين التي يتم ضخها لا تحتوي على سعة كبيرة ولديها مدة نقل قصيرة لإمداد الطاقة؛ فهي محدودة في قابليتها للتطبيق كمولدات ذاتية التشغيل، كما يتم توفير الطاقة التي تولدها المولدات ذاتية التشغيل إلى المولدات سريعة البدء القريبة، أي المولدات ذات الأولوية، عند بدء تشغيل المولد ذي الأولوية، تستمر عملية استعادة نظام الطاقة.

كذلك توجد مولدات التخزين التي يتم ضخها عادةً في الجبال، وفي المقابل توجد المولدات ذات الأولوية عادة على طول الشاطئ أو على الأرض، لذلك لديهم مسافات إرسال طويلة، بحيث تبلغ المسافة بين التخزين الذي يتم ضخه والمولدات ذات الأولوية حوالي (20) كيلومتراً، بحيث تجعل هذه المسافة سعة شحن خط النقل كبيرة والطاقة المطلوبة لتشغيل المولد ذي الأولوية ضئيلة، وهي قريبة من عدم وجود حمولة.

وبالتالي يحدث ما يسمى بتأثير (Ferranti) عندما يصبح جهد نهاية المستقبل أعلى من جهد نهاية الإرسال، وعند تطبيق جهد على خط النقل، بحيث يكون الطرف المستقبل دائماً تحت خطر التعرض لجهد زائد، حاصةً إذا تم إنشاء الجهد الزائد؛ فمن المرجح أن يتم تمديد وقت استعادة التعتيم لأن قاطع الدائرة الموجود في المولد ذي الأولوية يتم تنشيطه تحت الجهد الزائد.

ولحل هذه المشكلة، يجب تقليل المسافة بين مولدات البدء الذاتي والأولوية، وكبديل يتم استبدال المولد الذاتي بنظام تخزين الطاقة (ESS) لإزالة القيود المكانية على موقع التثبيت، كذلك البحث عن هذا الاستبدال مستمر، بحيث أظهر معهد أبحاث الطاقة الكهربائية، كما أنه يمكن استبدال المولد الذاتي التشغيل بـ (ESS).

أيضاً يتم تحقيق ذلك من خلال حساب القوة النشطة والمتفاعلة المطلوبة لإجراء بداية سوداء باستخدام (ESS) وتحليل ظروف الجهد لشحن الخط مع الظواهر العابرة المطلوبة، ومع ذلك تركز تلك الدراسة بشكل أكبر على الظواهر العابرة، وهي متجاهلة التغيرات في متطلبات الطاقة النشطة (التفاعلية) وفقاً للموقع.

توفير الطاقة النشطة لضبط التردد الكهربائي

لإجراء بداية سوداء باستخدام (ESS)؛ فإنه من المهم ليس فقط توفير الطاقة النشطة لضبط التردد الكهربائي ولكن أيضاً توفير الطاقة التفاعلية لتوليد الجهد المطلوب، وعلى وجه الخصوص ينطبق هذا على مزارع الرياح أو مزارع الخلايا الكهروضوئية (PV) بسبب خصائصها المتقطعة لتوليد الطاقة والتحكم في التردد والتحكم في توازن الطاقة، بحيث أنهم يعملون مع (ESS) لمعالجة مشكلة الجهد المنخفض.

ومع ذلك في مصادر الطاقة المتجددة؛ فإن التحكم في التردد هو التركيز الأساسي بدلاً من التحكم في الجهد، لذلك من الصعب افتراض استخدام المعيار البيئي والاجتماعي (ESS) فقط لبداية سوداء، لذلك إذا كانت هناك حاجة إلى توفير القوى النشطة والمتفاعلة عند استخدام (ESS)؛ فيجب زيادة حجم (ESS) لذلك، تم فحص النظام الهجين الذي يتم فيه توصيل المكثفات التبادلية (ESS) والمكثفات المبدلة في وقت واحد لتعديل الجهد الكهربائي.

أيضاً تم تقديم المكثف الفائق كمصدر طاقة تفاعلي منفصل لأن سعة (ESS) كبيرة جداً لغرضها الأصلي وهو ضبط التردد الكهربائي لضبط الجهد من خلال تعديلات القدرة التفاعلية، بحيث يجب أن تكون السعة أكبر، ومع ذلك وفي حالة البداية السوداء باستخدام (ESS)، قد يكون دور ضبط التردد صغيراً لأن الطاقة النشطة مطلوبة لتشغيل المولد ذي الأولوية، لذلك لا يلزم وجود جهاز منفصل لتعويض القدرة التفاعلية.

كما يجب أن يركز التحكم في القدرة التفاعلية لبداية سوداء أكثر على السعة المستخدمة بدلاً من مخطط التحكم في الجهد، لذلك سوف تختلف متطلبات الطاقة التفاعلية اعتماداً على موقع (ESS)، وذلك لأن القوة التفاعلية المستخدمة تختلف وفقاً، ولحساب متطلبات الطاقة التفاعلية؛ فإنه يجب الحصول على المعلومات المتعلقة بموقع مصدر الطاقة التفاعلية المتصل بالنظام.

بالإضافة إلى ذلك، من الضروري تحديد السعة ومقاومة خط النقل المتصل وحالة الاتصال عند حساب متطلبات القدرة التفاعلية، وعلى وجه الخصوص ونظراً لأن سعة شحن الخط تؤثر بشكل كبير على الجهد؛ فقد تحدث مشكلة في الجهد، لذلك إذا كانت القدرة التفاعلية كافية، فقد يتم تقليل كمية الطاقة التفاعلية التي يتم توفيرها، وبالتالي من الضروري إجراء تحليل دقيق لسعة الشحن.

لذلك يجب جمع معلومات عن وصلات الخط بين المولدات ذاتية التشغيل والأولوية بالإضافة إلى المواصفات الخاصة بكل مولد لحساب متطلبات الطاقة التفاعلية، بحيث يجب إجراء عمليات المحاكاة لاستقصاء التغييرات في متطلبات الطاقة التفاعلية عن طريق تحريك موضع المولد الذي يبدأ التشغيل الذاتي، كما هو موضح في الشكل التالي (1)، ومع ذلك يجب تطوير عمليات المحاكاة رياضياً وفحصها مسبقاً عندما يكون الموقع مناسباً.

محاكاة تثبيت الحماية الكهربائية من منظور القدرة التفاعلية

تم إنشاء النظام باستخدام (PSS / E) لخطوط النقل التصالحية الأولية للمناطق الست، بحيث تم إجراء عمليات المحاكاة بافتراض أن موقع (ESS) قد تغير من موضع مولد التشغيل الذاتي إلى موضع المولد ذي الأولوية، كما يجب فحص مقدار القوة التفاعلية المطلوبة مع تغير موقع (ESS)، لذلك لم يتم تصميم مولد التشغيل الذاتي على أنه (ESS).

وبدلاً من ذلك، تم تصميمه كمولد نموذجي مع ناقل سوينغ للتحقق من متطلبات الطاقة التفاعلية في النظام، بحيث يوضح الشكل التالي (3)، وهناك عملية المحاكاة لكل منطقة كمثال للعملية الموصوفة أعلاه، ومن الناحية العملية تم حساب مقدار الطاقة التفاعلية المطلوبة أثناء نقل (ESS) وتركيبه لجميع نقاط الربط.

هناك إظهار نتائج المحاكاة لكل منطقة، بحيث يتم رسم القيمة المطلقة للطاقة التفاعلية المطلوبة بعد نقل البطارية (ESS -BESS) بواسطة خط ناقل واحد من مولد البدء الأسود إلى المولد ذي الأولوية على الرسم البياني، بحيث يشير الرقم |(1) على المحور (X) إلى أن (BESS) مثبت في موضع مولد البداية السوداء، كما ويشير الرقم الأخير على المحور (X) إلى أن (BESS) مثبت في موضع المولد ذي الأولوية.

وكما هو مبين في الشكل التالي (3)، بحيث يتناقص مقدار الطاقة التفاعلية المطلوبة تدريجياً مع نقل موقع تركيب (BESS) إلى المولد ذي الأولوية، وفي الموضع التاسع مطلوب قدر صغير نسبياً من الطاقة التفاعلية، بحيث تُظهر المواضع من (11) إلى (13) الحد الأدنى من متطلبات الطاقة التفاعلية، ومن المركز الرابع عشر تزداد متطلبات الطاقة التفاعلية بشكل طفيف.