تحديات حماية الشبكة الكهربائية المصغرة وأساليب التخفيف

تكتسب (Microgrids) شعبية بسبب فوائدها الاقتصادية والبيئية إلى جانب فقدان الطاقة المنخفض والبنية التحتية الأصغر، ومع ذلك؛ فإن لديها العديد من التحديات التشغيلية مثل جودة الطاقة وعدم استقرار نظام الطاقة والموثوقية وقضايا الحماية، إضافة الى استراتيجية الحماية الكهربائية لـ (Microgrid).

مراقبة تحديات حماية الشبكة الكهربائية المصغرة

يتزايد الطلب على الكهرباء مع مرور الوقت، كما يجب تركيب العديد من محطات الطاقة الجديدة لتلبية الطلب المتزايد على الكهرباء، ولمحطات الطاقة التقليدية القائمة على الوقود الأحفوري العديد من العيوب مثل التلوث البيئي وانخفاض كفاءة النظام وارتفاع التكاليف وفقدان الطاقة، وبدلاً من مصدر طاقة واحد كبير؛ فإنه يتم استخدام العديد من المولدات الصغيرة والمولدات الموزعة مثل الكهروضوئية وتوربينات الرياح والوحدات المائية الصغيرة في شبكة التوزيع.

كما أن هذه المصادر الدقيقة صديقة للبيئة ولكنها متقطعة بطبيعتها بسبب استخدام موارد الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وما إلى ذلك، بحيث يتم استخدام هذه المصادر الدقيقة ومجموعة الأحمال الكهربائية، حيث يمكن التحكم فيها لتوفير الطاقة للمنطقة المجاورة لها يؤدي إلى مفهوم يسمى (microgrid).

كذلك يمكن النظر إلى المصطلح (microgrid) على أنه مجموعة موارد القدرة الموزعة (DERs) والأحمال المحلية جنباً إلى جنب مع نظام التحكم والحماية داخل “الحدود الكهربائية” ، كما أن الشبكة الصغيرة هي نظام طاقة محلي فعال ومنخفض التكلفة ومرن يتكون من (DERs)، كما ويزود الطاقة للأحمال المحلية بخسائر أقل مقارنة بالنظام التقليدي ذي خطوط النقل الطويلة.

ومن منظور المنفعة؛ تعد الشبكة الكهربائية الصغيرة عنصراً يمتلكه نظام الطاقة ويمكن إرساله بأحمال محلية دون أي نظام نقل، لكن من منظور المستهلك؛ فإنه نظام مصمم خصيصاً يوفر طاقة فعالة وموثوقة ومستقرة بمساعدة مُحسِّن الطاقة ووحدة التحكم المحلية ونظام الحماية الكهربائية.

أوضاع التشغيل الخاصة بأنظمة الشبكات الكهربائية الصغيرة

بشكل عام، تحتوي الشبكات الصغيرة على نوعين من أوضاع التشغيل، وكذلك وضع الجزر والوضع المتصل بالشبكة الكهربائية، وفي الوضع المتصل بالشبكة، بحيث تحصل الشبكة الصغيرة على الطاقة من مورد الطاقة الدقيقة وكذلك من شبكة المرافق، ولكن مصدر إمداد الطاقة الرئيسي هو موارد الطاقة الدقيقة التي يمكن تعريفها على أنها (DERs).

وعلاوة على ذلك، وأثناء الوضع المتصل بالشبكة؛ فإنها تتحمل شبكة المرافق مسؤولية تلبية الطلب على الحمل الإضافي داخل الشبكة الصغيرة وتوفير استقرار الجهد والتردد الكهربائي والموثوقية لوظيفة الشبكة الصغيرة، وأثناء التواجد في وضع الجزر؛ فإنها تعد موارد الطاقة الدقيقة هي المصدر الوحيد للطاقة الذي يفي بمتطلبات الحمل.

وفي وضع الجزر؛ كما تعد إدارة الطاقة هي المفتاح لتلبية طلب الحمل في وقت الذروة وخارجه، وفي وقت ذروة الطلب، يتم الحفاظ على توازن الطاقة من خلال توفير الطاقة للأحمال الأساسية فقط وفي غير أوقات الذروة يتم تخزين الطاقة الزائدة في التخزين المحلي.

البناء الهيكلي الخاص بالشبكات الكهربائية الصغيرة Microgrid

يمكن تعريف الشبكة الميكروية على أنها شبكة لامركزية من وحدات (DERs) والأحمال التي تقع داخل حدود كهربائية محددة، كما يمكن تنفيذ عملياتها في وضع الجزيرة حيث تعمل بشكل مستقل دون تحكم خارجي أو في وضع متصل بالشبكة بمساحة واسعة، بحيث تنقسم (Microgrids) إلى مجموعتين رئيسيتين وهما شبكات ميكروية (AC) ، (DC) على أساس إطار عملياتها، كما يتم شرح تفاصيل بنية (AC) و (DC microgrid) على النحو التالي:

هيكل الشبكة الكهربائية ذات التيار المتردد (AC)

في شبكة ميكروية للتيار المتردد، يتم توصيل جميع أحمال (DER) و (AC) باستخدام ناقلات التيار المتردد، بحيث يمكن توصيل (DERs) والتي تولد طاقة التيار المستمر بناقلات التيار المتردد عن طريق المحولات الكهربائية، والتي تستخدم لتحويل الطاقة من التيار المستمر إلى التيار المتردد.

كما يتم توصيل الحمولة بحافلة التيار المتردد باستخدام محول يجلب مستوى الجهد المطلوب، ذلك قد يتم توصيل نظام إمداد طاقة غير منقطع (UPS) تستخدم فيه البطارية لتقديم خدمة أفضل، بحيث يتم توصيل ناقل (LV – AC) بشبكة مرافق التيار المتردد من خلال المحولات و (CBs) في (PCC) يتم وضع (PDs) (المرحلات، CBs، الصمامات والمفاتيح) لحماية (DER) وجانب الحمل ومحولات الطاقة.

كما أن نظام (AC – microgrid) كما هو مبين في الشكل التالي (1)، بحيث يمكن أن يكون نظام (AC microgrid) ثلاثي الطور أو نظام أحادي الطور، كما ويمكن تشغيله في وضع متصل بشبكة المرافق أو وضع الجزر، وفي الشكل (1) يتم توصيل شبكة ميكروغريد التيار المتردد بشبكة المرافق من خلال (PCC)، بحيث تحتوي شبكة (AC) الصغيرة على (DER) وتخزين الطاقة والأحمال المتصلة.

هيكل الشبكة الكهربائية ذات التيار المستمر (DC)

في (DC microgrid)، كما يتم توصيل (DERs) المستندة إلى مصدر (DC) مثل (PV) وخلايا الوقود وتخزين الطاقة وحمل (DC) مباشرة بناقلات (DC)، ومن خلال محول (DC-DC) إذا لزم الأمر، بحيث يمكن أيضاً توصيل (DERs) القائمة على مصدر التيار المتردد مثل توربينات الرياح والتوربينات الصغيرة ومولدات الديزل بناقلات (DC) من خلال محول (AC-DC).

أيضاً هيكل (DC microgrid) كما هو مبين في الشكل التالي (2)، بحيث يتم توصيل ناقل (DC) بشبكة المرافق من خلال المحولات ومحولات إلكترونيات القدرة في (PCC)، كما يتم توصيل الأحمال بحافلة (DC) من خلال المحول إذا لزم الأمر، كما أن المحول ثنائي الاتجاه مطلوب للحفاظ على الجهد الكهربائي بين البطارية ونواقل التيار المستمر.

كما يتم توصيل (DER) المستندة إلى مصدر (DC) بناقل (DC) من خلال محول التعزيز، بحيث يتم توصيل (DER) القائم على مصدر التيار المتردد مثل الرياح والتوربينات الصغيرة بحافلة (DC) عبر محول (AC-DC)، كما أنه يتم وضع (PDs) (المرحلات ، CBs ، الصمامات ، والمفاتيح) في كل (DERs) والحمل ومحولات الطاقة والمحول الكهربائي.

كذلك تستخدم أحمال التيار المستمر مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكثير من أحمال التيار المستمر الأخرى عالية الكفاءة طاقة التيار المستمر، لذلك قد تتجنب ناقل الشبكة الصغيرة للتيار المستمر استخدام معدات تحويل الطاقة الإلكترونية لتحويل التيار المتردد إلى طاقة التيار المستمر من شبكة مرافق التيار المتردد، وهذا يقلل من الخسائر أثناء تحويل الطاقة ونقل الطاقة ويقلل من تكلفة التشغيل.

وأخيراً يُستنتج من مناقشة بنية الشبكة الصغيرة أعلاه أن الشبكات الصغيرة للتيار المتردد والتيار المستمر لها هياكل مختلفة بسبب الطبيعة المختلفة لتدفق التيار مع إيجابيات وسلبيات مختلفة، لذلك لدى كل من الشبكات الصغيرة (AC) و (DC) أنواعاً مختلفة من تحديات الحماية الكهربائية.

وفيما بعد تم اجراء العديد من الدراسات،، والتي تدور حول الشرط الأساسي في حماية الشبكة المصغرة، والتي تشمل الشروط الأساسية طوبولوجيا الشبكة الصغيرة وأنواع الشبكات الصغيرة وتأثير الأنواع المختلفة من (DERs) في حماية الشبكة الصغيرة وأنواع الأعطال وأنواع الترحيل وقيود الحماية المختلفة التي سيتم مناقشتها.