دراسة محاكيات وتطبيقات انخفاض الجهد الكهربائي

أهمية دراسة محاكيات وتطبيقات انخفاض الجهد الكهربائي

مع الطلب العالمي المتزايد على الكهرباء والرغبة في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، هناك حاجة إلى الانتقال من الوقود الأحفوري إلى “الطاقة المستدامة”، وفي العقود الماضية تم دمج الأجيال الموزعة (DGs) التي تهيمن عليها طاقة الرياح وتوليد الطاقة الكهروضوئية (PV) وخلايا الوقود ومحطات توليد الطاقة بالغاز أو البخار تدريجياً في طبقات نظام الطاقة الموزعة و (RESs) الموزعة، والتي هي أكثر قابلية للتطوير من محطات “الطاقة المركزية”.

كما انه يمكن استخدامها محلياً أو متصلة بمرونة بأنظمة الطاقة الكهربائية، بحيث تحل تدريجياً محل محطات توليد الطاقة التقليدية وتلعب دوراً مهماً في “الشبكات الذكية المستقبلية”، ومع ذلك أصبحت أنظمة الطاقة الحديثة والعملاء أكثر حساسية لجودة الطاقة المزودة من ناحية، بحيث تشتمل الأجهزة الكهربائية في الصناعة الحديثة على مجموعة متنوعة من مكونات الطاقة الإلكترونية وأجهزة الاستشعار والمحركات الذكية  والتي يمكن أن تكون شديدة التأثر باضطرابات نظام الطاقة.

ومثل ذلك  انخفاض الجهد وانتفاخه وتغيرات الجهد وانحرافات التردد الكهربائي والمركبات التوافقية وعدم التوازن وغيرها من الانقطاعات العابرة، من ناحية أخرى يصبح العملاء الكهربائيون أكثر عرضة لفقدان الطاقة بسبب تعطل المعدات أو عطلها، ومن بين جميع أنواع مشاكل “جودة الطاقة”، كما يعد انخفاض الجهد هو أكثر الأحداث شيوعاً التي تحدث في أنظمة الطاقة وهي المشكلة الرئيسية في الصناعة.

بشكل عام، يعتبر ترهل الجهد بمثابة تخفيض مؤقت في حجم الجهد الكهربائي، والذي يشير إلى ظاهرة تغير سعة جهد الشبكة عندما تكون المدة من نصف دورة إلى دقيقة واحدة وتنخفض القيمة الفعالة للجهد بسرعة إلى القيمة المقدرة (0.1) pu إلى (0.9) pu.

وكما هو موضح في الشكل التالي (1)، قد تؤدي الكوارث الطبيعية أو الظروف العابرة للحمل إلى انخفاض جهد الشبكة الكهربائية مثل الظروف المناخية وفشل معدات شركات المرافق وتعشيش الطيور عبر خطوط التوزيع وأعطال ماس كهربائي وبدء تشغيل كبير محرك كهربائي وضربة صاعقة، بحيث تؤدي إلى إيقاف تشغيل المعدات أو نضوبها، مما يؤدي إلى آثار ضارة على عملية التصنيع الصناعية وخسارة اقتصادية ضخمة للعملاء.

أثر انخفاض الجهد الكهربائي في شبكات النقل والتوزيع

عندما يحدث انخفاض الجهد بسبب ظروف خطأ عن بعد في شبكات النقل أو التوزيع؛ فإن الحمل الحساس غالبًا ما يتنقل أو يتوقف، كما تظهر التحقيقات أن أكثر من 90٪ من اضطرابات نظام الطاقة ناتجة عن انخفاض الجهد، وذلك من أجل فهم تأثيرات انخفاض الجهد على الأحمال الحساسة والحرجة، وكذلك في أنظمة الطاقة المتجددة (RES)، لذلك من المهم اختبار مناعة المعدات الحساسة في ظل اضطرابات ترنح الجهد المختلفة.

ولفهم سلوك الحمل الحساس في ظل ظروف انخفاض الشبكة الكهربائية والتحقيق في مناعة انخفاض الجهد لمحولات الطاقة الإلكترونية المتصلة بالشبكة؛ فإنه من الضروري مراجعة معايير تنظيم ركوب الأعطال بإيجاز، كما تمت مناقشته في رموز الشبكة المختلفة والحديثة المنشورات.

لذلك يوضح الشكل التالي (2) مقارنة بين متطلبات القدرة على ركوب الأعطال لتوربينات الرياح في الصين وألمانيا وإسبانيا والولايات المتحدة والدنمارك، بحيث تتطلب معايير توصيل شبكة طاقة الرياح في الصين تركيب توربينات الرياح في مزارع الرياح لتلبية التعديل الديناميكي لعامل الطاقة في النطاق من (0.95) إلى (0.95) (متأخر).

ومع ذلك، تتطلب معايير البلدان الأخرى، مثل إسبانيا وألمانيا مظهراً أكثر استرخاءً في منحنى الركوب ذي الجهد المنخفض، علاوة على ذلك قدمت ألمانيا وبريطانيا وكندا مجموعة واسعة من عوامل الطاقة لتوربينات الرياح، بحيث تتطلب ألمانيا أن تكون “توربينات الرياح” قادرة على التغيير بسرعة ثابتة تبلغ 1٪ من الطاقة المقدرة في الدقيقة في النطاق الكامل بين الحد الأدنى و”القوة الاسمية” في ظل ظروف التشغيل المستمر.

علاوة على ذلك، وفي ظل أي ظروف تشغيل؛ فإنه يجب أن تكون توربينات الرياح قادرة على تقليل خرج الطاقة النشط والصعود من أي نقطة تشغيل إلى نقطة تعيين الطاقة القصوى المحددة.

وبالنسبة للمتطلبات الفنية لمحطات الطاقة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة، تختلف المعايير الصينية اختلافاً طفيفاً عن المعايير الأخرى في ملف تعريف (LVRT)، والذي تمت مناقشته، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (3)، بحيث يجب أن تتمتع محطات الطاقة الكهروضوئية بالقدرة على تحمل اختلالات الجهد الكهربائي إلى حد معين من أجل منع فقدان خرج الطاقة في ظل ظروف جهد الشبكة غير الطبيعية.

وفقاً للوائح الفنية لربط مزرعة الرياح ومحطة الطاقة الكهروضوئية بشبكة الطاقة؛ فإنه يجب محاكاة الأعطال والاضطرابات المختلفة لشبكة الطاقة بشكل فعال، وخاصة أحداث انخفاض جهد الشبكة، وبالتالي من المفيد التحكم بفعالية في حجم تذبذب التردد وعمق الترهل ومدة الترهل لجهد شبكة الطاقة وتقلبات التردد.

وبالتالي ؛ فإن هناك حاجة ماسة إلى مولدات ترهل الجهد (VSG) أو المحاكيات لهذا النوع من التطبيقات، لذلك قدمت بعض الدراسات والأبحاث نظرة عامة شاملة على مولدات وتطبيقات انخفاض الجهد الكهربائي، كما ويمكن أن تكون بمثابة إرشادات فنية عند اختيار (VSG) لاختبار تكيف الشبكة للمحولات المتصلة بالشبكة و (DGs).

أسباب وخصائص الانتشار وتصنيف ترهل الجهد الكهربائي

هنا يتم تحليل أسباب وخصائص وانتشار وأضرار تقلبات الجهد، والتي سيتم وصفها في الأقسام الفرعية التالية.

أسباب ترهل الجهد الكهربائي: تعتبر الأشكال الرئيسية لخطأ الدائرة القصيرة هي ماس كهربائي أحادي الطور و”دائرة قصر ثنائية الطور” و”دائرة قصر تأريض ثنائية الطور” ودائرة قصر تأريض ثلاثية الطور، وذلك مع احتمال حوالي (70٪ ، 15٪ ، 10٪ ، 5٪)، وبشكل عام كلما اقتربنا من نقطة الانهيار؛ كلما زاد ترهل الجهد وكلما زادت خطورة حدوث الخطر للأجهزة الكهربائية الحساسة.

خصائص ترهل الجهد الكهربائي: تتضمن خصائص ترهل الجهد سعة ترهل الجهد والمدة وتردد الخطأ وقفز طور الجهد، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (4)، بحيث تشير (ΔUA) و (UB) و (ΔUC) إلى عمق الترهل وتشير (Δta ، tb ، Δtc) إلى مدة انخفاض الجهد في كل مرحلة.

كما تحدث قفزة طور الجهد بشكل أساسي بسبب الاختلاف بين نظام الطاقة [XS / RS] ونسبة الخط [XF / RF] أو ينتقل خطأ عدم توازن الجهد الذي يحدث في نظام الجهد العالي إلى نظام توزيع الجهد المنخفض من خلال محولات التنحي.

وكما هو مبين في الشكل التالي (5)، [Zs = Rs + jXs] ، [ZF = RF + jXF]، حيث أن زاوية قفزة الطور (φ) تظهر في النقطة (1)، كذلك يمكن تجنب قفزة الطور في حالة فشل الخط عندما [Xs / Rs = XF] الترددات اللاسلكية .

حيث أن:

(Zs): هي ممانعة النظام بين (PCC) وأنظمة الطاقة.

(ZF): هي مقاومة الخط بين (PCC) ونظام الطاقة.

(RF): هي مقاومة النظام بين نقطة الخطأ.

(PCC ، XS): هي مفاعلة الخط بين (PCC) ونظام الطاقة.

(XF): هي مفاعلة الخط بين نقطة الخطأ و (PCC).