محول التردد الكهربائي المتغير بتقنية نقل الطاقة الذكية

استخدام محول التردد الكهربائي المتغير بتقنية نقل الطاقة الذكية

يتطلب النمو السكاني السريع التصنيع على مستوى كبير للتعامل مع احتياجاتهم، خاصة بالنسبة للدول النامية والمتخلفة، بحيث سيؤدي التطور الصناعي السريع إلى النمو السريع والمتسق في الطلب على الطاقة، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن النقص في الوقود الأحفوري سيعيق تنمية الطاقة والعديد من الدول تواجه هذا التحدي وبالتالي تتطلع إليه.

كما أن أحد الحلول الممكنة هو توسيع طاقتها المتجددة على أساس توليد الكهرباء، ومع ذلك؛ فإن التنفيذ الناجح لمختلف مصادر الطاقة المتجددة ليس بالأمر السهل نسبياً بسبب طبيعتها غير المؤكدة، كما أن استقرار شبكة الطاقة الكهربائية غير مضمون.

التحفيز والتحريض: لتلبية الطلب الهائل على الطاقة، اختارت معظم الشبكات الوطنية والإقليمية والحضرية والريفية ربط الشبكات الكهربائية، بحيث يوفر ربط الشبكة الناتج موثوقية أكبر، وبالتالي تقديم تكلفة منخفضة لتوليد الكهرباء وتحسين خدمات الإمداد بالطاقة، وبالإضافة إلى ذلك يتجنب الربط البيني لشبكات الطاقة توليد متطلبات احتياطي في كل نظام.

وبالتالي؛ فإن التوصيل البيني يحد من الاستثمار في إنتاج الطاقة أو يوقف إلى حد ما الحاجة إلى إضافة سعة جديدة قريباً، وعلاوة على ذلك يؤدي الربط البيني لشبكات أنظمة الطاقة إلى سهولة سوق الكهرباء. إنها تمكن من تسويق الطاقة عبر مقاطعات ودول متعددة. تعمل معظم شبكات أنظمة الطاقة في العالم اليوم إما بترددات (50) هرتز أو (60) هرتز.

ويعد تكامل شبكات الطاقة القريبة منهجاً ديناميكياً لنظام الطاقة العالمي اليوم، كما ويعد إجراء المزيد من الأبحاث في هذا المجال ذا أهمية عالمية، حيث أن هناك تطور لشبكات صغيرة متعددة وتكامل مصادر الطاقة المتجددة المتعددة في شبكات المرافق والربط البيني لشبكات الطاقة الوطنية والإقليمية والمحلية المختلفة، ونظراً للحقائق المذكورة أعلاه، كما يتطلع العديد من الباحثين ومهندسي الطاقة إلى تقنيات الربط البيني المختلفة للشبكات وأجهزة التحكم في تدفق الطاقة المختلفة.

مراجعة الدراسات: لربط نظامين للطاقة، يلزم وجود رابط موثوق به وفعال من حيث التكلفة، كما يمكن ربط نظامين للطاقة من خلال الترابط المتزامن والتوصيل البيني غير المتزامن، بحيث يسمح التوصيل البيني المتزامن بالتوصيل البيني لشبكات الطاقة العاملة على نفس التردد من خلال رابط التيار المتردد، كما يوفر هذا الترتيب البساطة بالإضافة إلى الجدوى الاقتصادية.

ومع ذلك؛ فإن هذه الطريقة تفرض تعقيداً في تشغيل نظام الطاقة، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يفرض أيضاً قيوداً جدية على الاستقرار في ظل ظروف الأعطال الكهربائية الشديدة، كما يتم تنظيم التحكم في نقل الطاقة عبر خطوط التوصيل هذه بواسطة أجهزة مختلفة للتحكم في تدفق الطاقة مثل محول تحويل الطور (PST).

نظام (VFT) ومكوناته

إن (VFT) هو في الأساس محول متغير متغير الطور يمكن أن يعمل بزاوية طور يمكن التحكم فيها، وهو المكون الأساسي لـ (VFT)، وهو آلة الحث ذات التغذية المزدوجة (DFIM) والتي تعمل كمحول دوار، بحيث يتكون من لفات متوازنة ثلاثية الطور على الجزء الثابت والدوار، كما يتم توصيل أحد أنظمة الطاقة بالدوار بينما يتم توصيل نظام الطاقة الآخر بالجزء الثابت لنظام (VFT).

كذلك يتم عرض المكونات المختلفة لنظام (VFT) في الشكل التالي (1)، كما يتكون نظام الدوران (VFT) من محول دوار لتبادل الطاقة بين نظامي طاقة غير متزامنين ومحرك محرك لتطبيق عزم دوران التحكم على المحول الدوار لتنظيم تدفق الطاقة، كما أن لديها نظام تجميع يقوم بتوصيل التيار بين لف الدوار ثلاثي الأطوار وأعمال ناقل الحركة الثابتة.

يوفر محرك (DC) الخارجي عزم الدوران المتحكم، كما يؤدي تنظيم السرعة والعزم المطبق على الجزء المتحرك إلى تبادل ثابت للطاقة، وعندما تكون ترددات تشغيل الشبكات هي نفسها، يحاول دوار (VFT) التوجيه في موضع اعتماداً على التباين في زاوية الطور بين شبكتي الطاقة، وفي هذه الحالة ومن الناحية المثالية؛ فإن الطاقة المنقولة هي صفر، ولبدء نقل الطاقة؛ فإنه يُسمح لدوار (VFT) بالدوران.

وبافتراض عزم الدوران المطبق بطريقة واحدة؛ فإن عمليات نقل الطاقة من الشبكة الكهربائية لها زاوية طور أعلى للشبكة بزاوية طور أصغر، لذلك إذا تم عكس عزم الدوران المطبق؛ فإنه يتم أيضاً عكس اتجاه تبادل الطاقة وتبادل القدرة الصافي هو دالة في الحجم وكذلك اتجاه عزم الدوران المطبق على الجزء المتحرك، وحتى في وضع الخمول (عندما تكون سرعة التشغيل العادية لـ VFT صفراً)؛ فإن محرك القيادة يهدف إلى إنتاج عزم الدوران باستمرار.

وعندما تكون ترددات التشغيل لكلا الشبكتين غير متساوية؛ فإن دوار (VFT) يدور باستمرار، ومن ثم؛ فإن سرعة الدوران هي دالة للتباين في ترددات الشبكتين، لذلك يتم الاحتفاظ بتدفق الحمل الكهربائي، كما يعتبر (VFT) من أجل التحكم المستمر في تبادل القدرة حتى إذا كانت هناك ترددات عائمة على كلتا الشبكتين.

وبصرف النظر عن تبادل الطاقة الكهربائية؛ فإنه يتم توجيه الجزء المتحرك ضمنيًا لاتباع التباين في زاوية الطور المحدد بواسطة اثنين من الأنظمة غير المتزامنة، وذلك على عكس الهياكل الإلكترونية للطاقة الأخرى؛ فإن (VFT) لا تولد توافقيات وتتجنب التفاعلات التي لا تطاق مع المولدات المجاورة أو المعدات الأخرى على الشبكة الكهربائية.

السمات البارزة لنظام (VFT)

يجد رابط (HVDC) المتعاقب الكلاسيكي جدواه العملية لإنشاء اتصال بيني غير متزامن بين نظامي الطاقة، إلا أنه يسبب مخاوف جدية قد تهدد استقرار نظام الطاقة، وفي هذا السياق؛ فإنه من الضروري إيجاد حل بديل فعال، كما يقدم (VFT) الرصاص على رابط (HVDC) الكلاسيكي المتتالي في الجوانب التالية:

• قدرة التخميد الطبيعية على قمع تذبذبات الطاقة بسبب وجود قصور دوراني كبير للآلة.

• العملية خالية من التوافقيات حيث لا توجد مكونات إلكترونية للطاقة متضمنة في المسار الرئيسي لتبادل الطاقة.

• مساحة أصغر نظراً لوجود كثافة طاقة كبيرة لتصميم المولد المائي وعدم الحاجة إلى المرشحات.

• واجهة تحكم صغيرة مع وحدات مميزة مختلفة للشبكة (ديناميكيات أبطأ تمنع أي نوع من التحكم يتداخل مع الأجهزة المجاورة).

• قدرة عالية على التحميل الزائد (بسبب ثبات الوقت الحراري الكبير).

• التحكم المعزول في تبادل الطاقة الحقيقي والتفاعلي من خلال (VFT).

• تجنب انتشار الخطأ من جانب إلى جانب آخر من الشبكة الكهربائية.

وعلاوة على ذلك؛ فإن مقارنة (VFT) مع (HVDC) الكلاسيكي و (VSC-HVDC) موضحة أيضاً في الجدول
التالي (1)، وكما ويتضح من الجدول أن (VFT) قد يكون بديلاً مناسباً لوصلة (HVDC) المتتالية على مستوى أوسع لتحقيق الترابط غير المتزامن، وعلاوة على ذلك يتم تقديم وصف لعدد قليل من براءات الاختراع الأمريكية على (VFT) في الجدول (2)، كما ويرد في الجدول (3) قراءة شاملة توضح التفاصيل الدقيقة لمنشآت (VFT) التشغيلية الناجحة حتى الآن.