تفاوت الجهد الكهربائي الديناميكي واضطرابات الشبكة الكهربائية

تحليل تفاوت الجهد الكهربائي الديناميكي واضطرابات الشبكة الكهربائية

يعتبر استيعاب توليد الطاقة المتجددة وإمدادات الطاقة الموثوقة من خلال أنواع مختلفة من الأحمال من الوظائف المهمة لأنظمة الطاقة الحديثة، ومع التطور السريع والتكامل بين توليد الطاقة المتجددة على نطاق واسع وأنواع جديدة مختلفة من الأحمال؛ فإن تقلباتها العشوائية تشكل تحديات كبيرة للتشغيل الآمن والمستقر للشبكة الكهربائية السائبة كذلك نظام الطاقة هو نظام غير خطي معقد للغاية.

لذلك يتم الجمع بين توليد الطاقة ونقلها ومحطاتها الفرعية وتوزيعها واستهلاكها بشكل عضوي، بحيث  ستسبب الاضطرابات العشوائية في أي من هذه الروابط تقلبات شديدة في الطاقة والجهد الكهربائي في شبكة الطاقة، مما قد يؤدي هذا إلى سوء تشغيل مرحل الحماية وخطر فشل السلسلة.

كما أن هناك اضطرابات مختلفة في نظام الطاقة، بحيث أن تأثير تقلبات الطاقة العشوائية على تشغيل نظام الطاقة يكون بشكل أساسي على تذبذب طاقة خط الربط وتقلب جهد الناقل، وفي البحث الحالي يعد تحليل تذبذب قدرة خط الربط مع الاضطرابات المختلفة معقداً إلى حد ما ويتم الحصول على طريقة تقدير سعة تذبذب القدرة لخط الربط في التذبذبات المختلفة، في حين أن البحث عن تذبذب الجهد لشبكة الطاقة المترابطة مع الاضطراب العشوائي نادر نسبياً.

وفي الوقت الحاضر، تركز معظم الأبحاث على عدم اليقين في تدفق الطاقة، كما وتهدف إلى خاصية تذبذب شبه ثابتة الحالة لجهد الناقل مع تذبذب الطاقة، وهي التي تحتوي على خاصية التذبذب لطاقة الرياح وخصائص تذبذب الحمل، كما تتحلل تقلبات الطاقة النشطة لخط ربط التيار المتردد بالتفصيل.

بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يتم الحصول على التوزيع الاحتمالي لجهد كل عقدة في نظام تكامل مزرعة الرياح بطريقة تدفق الطاقة العشوائية، بحيث يتم إعطاء خاصية تذبذب الجهد الناتج عن العوامل العشوائية من وجهة النظر الإحصائية، كما يستخدم المختصون طريقة تحليل الفاصل الزمني للتعامل مع تقلبات جهد العقدة في شبكة الطاقة الكهربائية بسبب طاقة الرياح وتقلبات الحمل.

كما ركزت الدراسات السابقة على تقلبات الطاقة النشطة لخطوط ربط التيار المتردد وتقلبات الحالة شبه المستقرة لجهود العقدة، وفي هذا الطرح تم تحليل آلية وخصائص توزيع تذبذب الجهد الديناميكي مع اضطرابات القدرة العشوائية، أولاً يتم تحليل اضطرابات الطاقة النموذجية مثل حمل الجر الكهربائي للسكك الحديدية وحمل الصهر وتوليد طاقة الرياح وظواهر تذبذب الجهد المقابلة لها.

ثانياً تمت دراسة آلية تذبذب الجهد الديناميكي للحافلة وخصائص التوزيع في ظل التذبذب القسري التقليدي والتذبذب القسري المعمم، وأخيراً يتم تحليل آلية وخصائص التوزيع لتقلب الجهد الديناميكي في ظل حالتين والتحقق من صحتها.

اضطرابات الطاقة النموذجية وتقلبات الجهد في شبكة الطاقة

يلخص هذا القسم الأشكال الرئيسية لاضطراب الطاقة في شبكة الطاقة، ثم يحلل الخاصية الديناميكية لتقلب الجهد المقابل.

ومن خلال تحليل منحنيات تذبذب الطاقة المقاسة لشبكة الطاقة العملية؛ فإنه تم العثور على ثلاثة أنواع من مصادر تذبذب الطاقة، وهي حمل الجر للسكك الحديدية وحمل الصهر وإخراج الطاقة النشطة لمزارع الرياح، ثم نأخذ المنحنيات المقاسة لمصادر تقلب الطاقة الثلاثة كأمثلة لتحليل أشكال تذبذب الطاقة في نظام الطاقة.

ومع التطور السريع لتكنولوجيا السكك الحديدية عالية السرعة؛ فإنه تم تعزيز قوة حمل الجر للسكك الحديدية وتوزيعها على نطاق واسع ويظهر تأثيرها على شبكة الطاقة المترابطة بشكل تدريجي، بحيث يوضح الشكل التالي (1 -a) منحنى الحمل النموذجي لحمولة جر سكة حديدية.

كما يحدث تذبذب حمل الجر بشكل أساسي في الوقت الذي يدخل فيه القطار ويغادر نصف قطر مصدر الطاقة لمحطة الجر الفرعية ويكون تذبذب الطاقة شديداً جداً من منحنى الحمل المقاس، بحيث يمكن ملاحظة أن تذبذب حمل جر السكك الحديدية يمكن تقسيمه إلى تقلب قوة متدرج وتقلب منحدر منخفض التردد وتقلب عشوائي عالي التردد. من سعة وأرقام المكونات الثلاثة، بحيث يعتبر تذبذب القدرة التدريجي هو المكون الرئيسي.

لذلك، عند النظر في تأثير تذبذب قدرة حمل جر السكك الحديدية على الخاصية الديناميكية لنظام الطاقة؛ فإن تذبذب الخطوة هو المكون الرئيسي الذي يؤخذ في الاعتبار، كما ويلاحظ أن سعة تذبذب القدرة التدريجي كبير ويصل محلياً إلى (50) ميغاواط، وبالتالي يمكن تحفيز التأرجح الديناميكي لشبكة الطاقة بالكامل من خلال هذا النوع من تذبذب الطاقة.

كما يوضح الشكل (1-b) خرج الطاقة النشط للمولد المجاور بالقرب من حمولة الجر للسكك الحديدية، كما أن هناك عربة تتحرك خارج المحطة في الساعة (08:32) وتذبذب الطاقة النشط للحمل ينتج عنه تأثير تدريجي على شبكة الطاقة، ومن المنحنى في الشكل (1-b) وجد أن التذبذب الحر للمولد بالقرب من حمل جر السكك الحديدية متحمس، وبالتالي يمكن تحفيز تذبذب الجهد تحت التذبذب الحر من خلال تقلب القدرة التدريجي في شبكة الطاقة.

في السنوات الأخيرة، ازداد تأثير حمل الصهر عالي الكثافة على ديناميكيات شبكة الطاقة المترابطة، وذلك يوضح الشكل (2-a) منحنى الحمل اليومي لحمولة الصهر. يمكن ملاحظة أن حمل الصهر يمكن أن يتحلل إلى حمولة أساسية وحمل نبضي وتكرار النبضة يكون منخفضاً، كما أن السبب الرئيسي هو أنه في عملية صهر الفولاذ؛ فإن هناك حاجة إلى طاقة أكثر نشاطاً للحفاظ على درجة الحرارة في الفرن، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن عمليات عملية الصهر الأخرى مثل الدرفلة تتطلب طاقة عالية.

وبالتالي؛ فإن الأداء العام هو تراكب الحمل الأساسي العالي والحمل الدافع، بحيث يتركز تردد مكون تذبذب القدرة في حمل الصهر بشكل أساسي في نطاق (0.7-0.8) هرتز، والذي يغطي بعض الأنماط الطبيعية لأنظمة الطاقة العامة، وبالتالي قد يكون لأحمال الصهر تأثير كبير على الخصائص الديناميكية لشبكة الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك بسبب الاستمرارية الواضحة لتذبذب قدرة حمل الصهر، كما أنه قد يحدث تذبذب قسري للقدرة. كما هو مبين في الشكل (2-b)؛ فإن التذبذب القسري للمولد بالقرب من حمل الصهر ناتج عن تذبذب قدرة حمل الصهر ويحدث تذبذب الجهد الكهربائي للنظام.

كما أظهرت الدراسات السابقة أن تكامل طاقة الرياح على نطاق واسع له أيضاً تأثير كبير على الخصائص الديناميكية لشبكة الطاقة المترابطة، بحيث يوضح الشكل التالي (3-a) منحنى خرج الطاقة النشط النموذجي لمزرعة رياح في الساعة (10: 00) – (11: 00)، والشكل (3-b) هو تذبذب القدرة النشط لخط ربط التيار المتردد المجاور بين المساحات عند (10: 00) – (11: 00).

تحليل تذبذب الجهد تحت التذبذب القسري الخاص

يشير التذبذب الإجباري الخاص لنظام الطاقة، أي التذبذب القسري التقليدي إلى تذبذب نظام الطاقة الناتج عن الاضطراب الدوري المستمر في شبكة الطاقة، كما ويتم إثارة صدى نظام الطاقة عندما يكون تواتر الاضطراب قريب من التردد الطبيعي لنظام الطاقة، بحيث يرتبط اتساع التذبذب ارتباطاً مباشراً بسعة الاضطراب وتخميد الوضع.

وبعد أن يدخل النظام في حالة التذبذب المستقر؛ فإنه يُظهر تذبذباً متساوياً في السعة، وكلما كان التخميد أكبر؛ كانت السعة أصغر، وذلك مع نفس التخميد، كلما زاد الاضطراب زادت سعة التذبذب، كذلك كان البحث السابق حول التذبذب القسري لأنظمة الطاقة معنياً بشكل أساسي بزاوية القدرة وتذبذب الطاقة النشط، كما وقد تم إيلاء اهتمام أقل لتقلب الجهد الكهربائي.