اقرأ في هذا المقال
ضرورة تنفيذ التحكم الكهربائي الهرمي لشبكات AC / DC
يعد توليد الكهرباء من مزارع الرياح البحرية أحد أكثر المصادر ملاءمة لتلبية الطلب العالمي المتزايد على الطاقة الكهربائي، وفي السنوات الأخيرة زاد تغلغل طاقة الرياح البحرية بشكل كبير، وذلك لاستغلال الإمكانات الهائلة لطاقة الرياح، كما أنه من المقرر توصيل المزيد من مزارع الرياح البحرية (OWFs) في بحر الشمال بحلول عام 2030م.
ومع ذلك؛ فإن هناك العديد من التحديات التي يجب معالجتها من أجل تسخير موارد طاقة الرياح البحرية، بحيث يتمثل أحد التحديات الرئيسية في نقل الطاقة من (OWFs) البعيدة إلى مراكز الطلب الداخلية، حيث أن التحدي الآخر هو الموازنة بين العرض والطلب في نظام الطاقة بسبب التباين الكبير في الطاقة من (OWFs)، كما يعتبر هيكل الشبكة المتشابك من خلال المشاركة الفعالة لموارد طاقة الرياح البحرية خياراً جذاباً للتشغيل الموثوق للنظام بسبب الزيادة المتوقعة في عدد التركيبات البحرية.
لذلك يختلف سلوك شبكة التيار المباشر متعدد الأطراف (MTDC) عن سلوك شبكة التيار المتردد التقليدية بشكل أساسي بسبب استخدام أجهزة إلكترونية للطاقة سريعة المفعول في شبكة (MTDC)، علاوة على ذلك؛ فإنه نظراً لقلة الخبرة العامة في التعامل مع شبكات (MTDC)؛ فإن تكامل شبكات (MTDC) مع شبكة التيار المتردد التقليدية يقدم تحديات تشغيلية وإمكانية تحكم جديدة للنظام المدمج.
وفي هذا السياق، هناك حاجة إلى نماذج مناسبة ومفصلة لتحديد تشغيل الشبكة المدمجة، لذلك لم يتم توضيح تفاعل الحالة المستقرة بين شبكة التيار المتردد وشبكة (MTDC)، وبالتالي يجب التحقيق في المجالات التالية:
- كيف سيتصرف نظام (AC / MTDC) المدمج في ظل ظروف التشغيل المختلفة؟
- ما هي أفضل استراتيجية تشغيل للتحكم في تدفق الطاقة في نظام AC / MTDC المدمج؟
كما ركزت الدراسات السابقة على شبكة (MTDC) بشكل أساسي على ديناميكيات التحكم في الشبكة دون النظر في سلوك شبكة التيار المتردد، بحيث تم اقتراح العديد من تكوينات التحكم سابقاً، كما ركزت معظم التكوينات على تعديلات مختلفة للتحكم في العملية، وعلاوة على ذلك اقترحت العديد من الدراسات حلول تدفق الطاقة لشبكة (MTDC) دون مراعاة تكوينات التحكم، كما أجرت بعض الدراسات أيضاً نمذجة تفصيلية لأنظمة (AC / DC) المدمجة.
ومع ذلك في هذه الدراسات؛ فإنه لم تؤخذ تكوينات التحكم في الاعتبار أو تم النظر فقط في تكوين عنصر تحكم محدد، كما تناولت الدراسة في مشكلة تنفيذ الانحدار غير الخطي في تدفقات طاقة شبكة (MTDC) واقترحت طريقة لاستخدام متوسط الجهد الكهربائي بدلاً من جهد ناقل الركود الفردي في شبكة (MTDC) أثناء حل شبكات التيار المتردد والتيار المستمر بشكل منفصل.
إطار التحكم الكهربائي الهرمي المقترح
مطلوب هيكل تحكم منهجي لتشغيل شبكة مدمجة (AC / MTDC)، حيث أن الهدف الرئيسي لهيكل التحكم المنهجي هو الحصول على تدفقات الطاقة التفاعلية من شبكة (MTDC)، وذلك مع الحفاظ على جهد عقدة تيار مستمر ثابت ضمن حدود التشغيل، وفي حالة حدوث اضطراب أو انقطاع في شبكة (MTDC) مع أكثر من محطة (VSC) تتحكم في جهد عقدة التيار المستمر.
لذلك يتم تحديد نقطة التشغيل الجديدة بواسطة محطة(VSC) مع أدنى نقطة ضبط مرجعية عندما تكون تحت سيطرة مركزية أو وفقاً لخصائص توزيع السيطرة على محطات (VSC) المشاركة، كما يمكن تقسيم هيكل التحكم الهرمي لشبكة (MTDC) إلى مستويات عالية ومنخفضة، كما هو موضح في الشكل التالي (1).
كما يشتمل التحكم عالي المستوى على عناصر تحكم أولية وثانوية وثلاثية، وذلك غرار نظام التيار المتردد في حين أن التحكم في المستوى المنخفض يشمل التيار الداخلي الأساسي والتحكم في إطلاق النار لمحطات (VSC)؛ فإنه يمكن تنفيذ وحدة التحكم الداخلية لمحطة (VSC) بطريقتين مختلفتين، وهما التحكم المباشر والتحكم المتجه (d-q decoupled).
وفي حالة التحكم المباشر؛ فإنه يتم التحكم في مقدار الجهد وزاوية الطور بشكل مباشر عن طريق ضبط مؤشر التعديل (m) وانزياح الطور (δ) على التوالي، واستجابةً لمقارنة المعطيات الخاضعة للرقابة مع المعلمات المرجعية، يتطلب التحكم في الجهد المباشر قياسات الجهد والتيار من نقطة التوصيل المشترك (PCC).
بينما في التحكم في المتجهات والمعروف أيضاً باسم التحكم المنفصل (d-q)، بحيث يمكن التحكم في القوة النشطة والمتفاعلة بشكل مستقل باستخدام استراتيجية التحكم الحالية (d-q)، والتي يمكن أن تحد بطبيعتها من التحميل الزائد للمفاتيح، بحيث يتكون تكوين التحكم لمحطة (VSC) على أساس التحكم المنفصل من التحكم المتتالي.
ومع وحدة تحكم داخلية أسرع ووحدة تحكم خارجية لتوفير معلمات مرجعية لوحدة التحكم الداخلية؛ فإنه يوفر التحكم الخارجي مرجعاً لتيار المحور (d) للتحكم في الطاقة النشطة أو جهد عقدة التيار المستمر، كما أنه يوفر مرجعاً لتيار المحور (q) للتحكم في القدرة التفاعلية أو جهد شبكة التيار المتردد اعتماداً على متطلبات شبكة التيار المتردد.
كذلك يمكن اعتبار مسؤولية إدارة تنظيم جهد عقدة التيار المستمر بمثابة تحكم أساسي، وعلى غرار التحكم الأساسي في نظام التيار المتردد مع تنظيم التردد؛ فإنه يمكن تنفيذ التحكم الثانوي لضبط مبادلات الطاقة من شبكة (MTDC) لاستعادة ظروف ما قبل الاضطراب في الشبكة الكهربائية يمكن تنفيذ التحكم الثلاثي للحصول على نقاط الضبط المرجعية المُحسَّنة لعناصر التحكم الأولية والثانوية.
وهناك خصائص جهد التيار المستمر لشبكة (MTDC) مشابهة لخصائص القدرة والتردد لنظام التيار المتردد، ومع ذلك؛ فإن التردد هو معلمة عالمية في نظام التيار المتردد، بينما يختلف جهد عقدة التيار المستمر في كل محطة (VSC) وفقاً لتدفق الطاقة الكهربائية الفعلي وانخفاض الجهد في شبكة (MTDC)، وثانياً الطاقة المخزنة في شبكة (MTDC) محدودة جداً (للمكثفات والكابلات فقط)، مقارنةً بالطاقة الحركية في الآلات الدوارة بالتيار المتردد.
وهذا يجعل خصائص جهد التيار المستمر أكثر حساسية من خصائص تردد الطاقة لنظام التيار المتردد، ومن ثم؛ فإن استجابة وحدة التحكم في شبكة (MTDC) تكون أسرع، مما ينتج عنه ثوابت زمنية أصغر لعناصر التحكم عالية المستوى لشبكات (MTDC)، كما يتم تنشيط التحكم الأساسي لشبكة (MTDC) في بضعة أجزاء من الألف من الثانية مقارنة بثابت زمني من (10) إلى (15) ثانية للتحكم الأساسي في نظام التيار الكهربائي المتردد.
كما يتم تنشيط التحكم الثانوي في بضع ثوانٍ، بينما يتفاعل التحكم الثالث في غضون عشرات الدقائق إلى ساعة واحدة، ومع ذلك وعلى الرغم من هذه المزايا؛ فإن أحد التحديات التي تمت مواجهتها في شبكة (MTDC) المتشابكة هو القدرة على التحكم في الطاقة، كذلك فهو مطلوب هيكل تحكم منهجي مناسب للحفاظ على تدفق الطاقة الدقيق عبر شبكة (MTDC) المتشابكة.
