تحسين جودة الطاقة والجهد الكهربائي المنخفض

أهمية تحسين جودة الطاقة والجهد الكهربائي المنخفض

يكمن الطلب العالمي على الطاقة الكهربائية آخذ في الازدياد والتوسع، كما أنه من المثير للاهتمام ملاحظة الزيادة الحادة في استهلاك الطاقة في الصين منذ عام 1973م، وذلك بمعامل (8.4) في (42) عاماً، بينما زاد الاستهلاك العالمي بمقدار (4) أضعاف وتضاعف عدد سكان العالم، لكن في عام 2017م، بحيث كان أكثر من مليار شخص لا يزالون محرومين من الكهرباء.

وهناك القطاعان الرئيسيان اللذان يستهلكان الكهرباء هما القطاع السكني – الثالث والصناعة، ومع ذلك؛ فإن هذا الاستهلاك له تأثير كبير على البيئة بسبب انبعاث ثاني أكسيد الكربون  وبالتالي فإن ظاهرة الاحتباس الحراري وتأثيرات الاحتباس الحراري أجبرت العديد من البلدان على توقيع اتفاقية لتعزيز العمل الدولي للحفاظ على الارتفاع العالمي في درجات الحرارة خلال هذا القرن أقل بكثير من درجتين مئويتين في مؤتمر تغير المناخ لعام 2015م في باريس.

وفي هذا السياق، بحيث تتجه سياسة الطاقة في معظم البلدان حول العالم نحو استغلال الطاقات المتجددة كمصدر نظيف ومتوفر وأرخص للطاقة من أجل الوصول إلى مستويات عالية من التكامل تقترب من عشرين بالمائة بحلول عام 2020م.

ومع ذلك، يتسم هذا المورد بعوامل تحد من استخدامه على نطاق واسع، وهي التقطع بسبب الاختلافات في مصدر الطاقة الأساسي الذي لا يمكن السيطرة عليه وعدم اليقين في التنبؤات الجوية التي تؤدي إلى عدم اليقين بشأن الإنتاج، كما يكون هذا التحدي أكثر وضوحاً بالنسبة لتوليد الرياح لأن التنبؤات بسرعة الرياح أقل موثوقية من توقعات إشعاع الشمس.

وهناك عامل آخر يحد من تكامل هذه الطاقات هو الموقع الجغرافي لمواقع إنتاج الطاقة المتجددة، والتي تقع بشكل عام في المناطق النائية حيث تكون ظروف الرياح والسطحية مواتية في حالة طاقة الرياح والطاقة الشمسية بينما تكون أنظمة النقل ضعيفة نسبياً، والتي يسبب تحديات جديدة للتحكم في الجهد وتعويض القدرة التفاعلية.

لذلك يمكن أن يكون للطبيعة العشوائية لمصادر الطاقة المتجددة هذه تأثير على السلوك الديناميكي للشبكة الكهربائية واستقرارها أثناء التغيرات المفاجئة والكبيرة في الطاقة التي توفرها وحدة أو أكثر من وحدات الطاقة العالية.

وبالمثل، خاصةً إذا تم فصل محطة طاقة متجددة تعمل بكامل طاقتها فجأة بسبب عطل في الشبكة الداخلية للتركيب، يجب أن تظل الشبكة مستقرة ويجب الحفاظ على الجهد والتردد الكهربائي للشبكة ضمن النطاقات المسموح بها، عامل آخر يؤثر سلبًا على جودة الطاقة يأتي من وجود تقنية إلكترونيات القدرة الحديثة كواجهة إخراج لمحطات الطاقة، لذلك لا تنتج هذه الأجهزة التوافقيات في النظام فحسب؛ بل إنها أيضاً حساسة جداً لإشارات الجهد الكهربائي المشوهة.

سيناريوهات محاكاة مقترحة ووصف النظام الكهربائي

يعتمد اختيار الطاقة الكهروضوئية أو توربينات الرياح أو كليهما على توفر المورد المتجدد بمرور الوقت وأيضاً الوفرة في موقع التثبيت، وفي الوقت الحالي، تعد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أكثر مصادر الطاقة المتجددة شيوعاً والأكثر قابلية للاستغلال.

كما أظهرت العديد من الدراسات أن الإشعاع الشمسي وتوزيع سرعة الرياح غالباً ما يكون لهما سلوك مكمل، وبالتالي في كثير من الحالات تم اعتماد تكوين هجين يجمع بين مولدات الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح، وعلى وجه الخصوص، عززت تقنيات الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح تكاملها في تكوينات أنظمة الطاقة الهجينة.

كما تعتبر هذه المجموعة واحدة من أكثر التكوينات كفاءة والتي يمكن استخدامها إما في أوضاع متصلة بالشبكة أو قائمة بذاتها. تعد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح مكملة بطبيعتها، وبالتالي يمكن استخدامها للتغلب على مشكلة التقطع وتوفير طاقة أكثر موثوقية بجودة أفضل لشبكة الكهرباء والمناطق النائية.

كما تلخص هذه الدراسة العديد من المقالات البحثية في الدراسات حول نظام الطاقة الهجين الكهروضوئية والرياح، ومن بين هذه اقترحت بعض الدراسات دمج طاقة الرياح القائمة على (PV) و (DFIG) في تكوين هجين لتزويد الطاقة المستدامة لمراكز التحميل البعيدة. يتمتع هذا التكوين بالعديد من المزايا بما في ذلك التصميم البسيط، والتحكم في فصل القوى النشطة والتفاعلية والمحولات المصنفة جزئياً والحد الأقصى لاستخراج طاقة الرياح من التوربين.

كما يوضح الشكل التالي (1)، كذلك الهيكل المقترح، كما ويتكون من محطة كهروضوئية بقدرة (500) كيلو وات متصلة بنظام توزيع عبر عاكس (PWM) ثلاثي الأطوار مع مرشح خانق (AC) ثلاثي الأطوار ومحول تصاعدي.

كما تتمتع (DFIG) بقدرة خرج اسمية تبلغ (500) كيلوواط ومتصلة بالشبكة في (PCC)، وذلك عبر محول تصعيد وتزويد الحمل، وبالتالي؛ فإن الطاقة الإجمالية المقدرة التي يوفرها النظام الهجين هي (1) ميغاوات، وهذا اتصال نموذجي لـ (PV-WTG) الهجين ولكن هناك طوبولوجيا أخرى للاتصالات، بحيث خلصت الدراسة المقارنة المقدمة إلى أن:

• من حيث كفاءة الطاقة؛ فإن طوبولوجيا المرحلة الواحدة أفضل.

• بالنسبة لاستقرار جهد وصلة التيار المستمر وتقليل التشوه التوافقي الكلي في الجهد الجانبي للتيار المتردد، بحيث يُفضل طوبولوجيا المرحلة.

• فيما يتعلق بأقصى دقة لتتبع القدرة، وذلك ضمن نطاق خطأ مقبول لتذبذب وحدة التحكم وفقدان الطاقة في مرشح جانب التيار المتردد، يمكن لكلا الهيكليين تلبية هذه المتطلبات.

أيضاً يتم استخدام محولات بدون محولات لتعزيز الكفاءة وتقليل الحجم وخفض تكلفة الدائرة، وذلك بسبب كفاءتها العالية، كما أصبحت الأنظمة الكهروضوئية الخالية من المحولات أكثر شيوعاً من الأنظمة الكهروضوئية التقليدية، وخاصة في الأسواق الأوروبية.

كما يتم تنفيذ سيناريوهات المحاكاة المقدمة في هذه الورقة على النحو التالي:

• تم فصل (DVR) ولا يوجد خطأ.

• تم فصل (DVR) أيضاً ولكن تم تطبيق الخطأ.

• هناك نفس السيناريوهات المذكورة أعلاه ولكن مع تشغيل (DVR).

كما تتعرض المزرعة الكهروضوئية للإشعاع الشمسي الموصوف في الشكل التالي (3)، ويعمل (WTG) بسرعة رياح تبلغ [12 م / ث] أثناء وقت المحاكاة البالغ (5) ثوانٍ.

وبالنسبة الى مصنع الكهروضوئية تتكون مجموعة النباتات الكهروضوئية من (16) وحدة سلسلة و (102) سلاسل متوازية (النوع: SunPower SPR-305-WHT)، كما يعتمد النموذج الكهروضوئي المستخدم في الورقة على الدائرة المكافئة ثنائية الصمام الموضحة في الشكل التالي (4).

كما تعد نمذجة محطة طاقة الرياح، وهي بمثابة النمذجة الأيروديناميكية لتوربينات الرياح، بحيث يتم التقاط الطاقة الحركية من الرياح بواسطة توربينات الرياح وتحويلها إلى طاقة ميكانيكية (Pm)، كما تتكون محطة طاقة الرياح من توربين رياح واحد قائم على (DFIG) وينتج (500) كيلو وات بجهد خرج (400) فولط.

كذلك يمكن تحديد قوة أو عزم دوران توربينات الرياح بعدة وسائل، حيث أن القدرة (Pm)، والتي تلتقطها توربينات الرياح هي دالة لنصف قطر الشفرة وزاوية الميل وسرعة الدوار.

كما أن مولد الحث ذو التغذية المزدوجة (DFIG)، كما يتم تصنيف مولدات التيار المتردد للتوليد المتجدد إلى تطبيقات ثابتة ومتغيرة السرعة، بحيث يتم توصيل المولدات ذات السرعة الثابتة مباشرة بالشبكة مثل المولد المتزامن (مولد المغناطيس الدائم المتزامن (PMSG)) والمولد التعريفي (مولد الحث القفص السنجابي).

كما تشتمل المولدات ذات السرعة المتغيرة على مولد تحريضي بمقاومة متغيرة للدوار (مولد تحريض دوار الجرح) ومولد حثي مزدوج التغذية (DFIG) ومولد مع محول مصنّف بالكامل (FRC)، كما أن أحد العيوب الرئيسية للمولدات ثابتة السرعة إلى جانب نطاق سرعتها الثابتة هو الحاجة إلى تصحيح عامل القدرة في أطراف مولد الحث.