تقنيات تعويض أحمال الطاقة الكهربائية الثابتة

يشهد قطاع الطاقة تحولاً غير مسبوق في النظام بأكمله بما في ذلك التوليد والنقل والتوزيع، وهو مدعوماً بأبحاث مكثفة في أنظمة الطاقة من الجيل التالي واستنفاد موارد الوقود التقليدية، ونظراً لتوفرها في الطبيعة وتوليد الطاقة الصديق للبيئة، كما يفضل المتخصصون في قطاع الطاقة اعتماد موارد الطاقة المتجددة، وذلك كأساس لمواجهة أزمة الطاقة من الجيل التالي.

التعريف العام بتقنيات تعويض أحمال الطاقة الكهربائية الثابتة

للاستفادة من موارد الطاقة المتجددة، تم بالفعل إنشاء أنظمة الشبكات الصغيرة واستخدامها لتوفير الكهرباء في المناطق المعزولة عن الشبكة الكهربائية، وتلبية الطلب العام في الإعداد الصناعي، وكذلك (Microgrid) باعتبارها مجموعة محلية من مصادر الكهرباء والأحمال، بحيث تعمل ككيان واحد يمكن التحكم فيه وتتم مزامنتها مع شبكة المرافق التقليدية.

ووفقاً للظروف المادية والاقتصادية؛ فإنه يمكن تشغيله بشكل مستقل ويمكن عزله عن شبكة المرافق في حالة وجود أي موقف غير مرغوب فيه، وفي نظام الطاقة من الجيل التالي، وتعد الشبكة الصغيرة خياراً مفضلًا نظراً لعدد من الأسباب، أولاً تتطلب معظم الصناعات والمنظمات المهنية والمؤسسات الأكاديمية دعماً موثوقاً للطاقة بسبب الطبيعة غير المؤكدة والمتقطعة.

كذلك تعد النسخ الاحتياطية للطاقة المتاحة مثل التوليد الخاص وأنظمة تخزين الطاقة ومحركات الديزل باهظة الثمن، وذلك من خلال اعتماد نظام (microgrid)، بحيث يمكن التخلص من ذلك وتجربة حل فعال من حيث التكلفة وموثوق أثناء أزمة الطاقة، وبصرف النظر عن ذلك  وبالنظر إلى الصورة الأوسع؛ فإنه من الممكن توفير مليارات الدولارات إذا كان من الممكن إدارة بضع مئات من ساعات الذروة في الصيف.

نظام الشبكة الكهربائية الخاص بالمرافق

في نظام شبكة المرافق، يتم فقد قدر كبير من الطاقة بسبب النقل، وفي تطبيقات الشبكة المصغرة؛ فإنه يمكن تقليل فقد الإرسال هذا إلى حد كبير، إلى جانب ذلك لا يتطلب الأمر استثماراً في الوقود لتوليد الكهرباء، وبالتالي يمكن تقليل التكاليف الإجمالية، كما أنه يمكن أن تتمتع الأماكن التي يستحيل فيها الحصول على توصيلات شبكة المرافق بامتياز الكهرباء بغض النظر عن البنية التحتية للنقل من خلال استخدام أنظمة الشبكات الصغيرة، ومن ثم فإنه يضمن كهربة جماعية.

ومع تقدم التكنولوجيا، تتزايد تطبيقات أجهزة إلكترونيات القدرة، مما يؤدي إلى زيادة أحمال الطاقة الثابتة (CPLs) بمعدل هائل مما له تأثيرات هائلة على استقرار أنظمة الطاقة، خاصة في أنظمة الطاقة الموزعة مثل الشبكات الصغيرة. تتعامل (Microgrids) كثيراً مع العدد المتزايد من أحمال الطاقة الثابتة (CPL) مثل الأحمال القائمة على العاكس، كما تظهر أحمال الطاقة الثابتة مقاومة تدريجية سلبية، وبالتالي تسبب مشاكل خطيرة في عدم الاستقرار في نظام الطاقة.

كما يعرض الشكل التالي (1) خصائص الممانعة الكهربائية الإضافية السلبية لـ (CPLs).

ولتعويض عدم استقرار قانون الإجراءات البحثية، تم إجراء عدد من الأبحاث حول العالم، وذلك على الرغم من أن الأبحاث المتعلقة بعدم استقرار الشبكات الصغيرة قد بدأت في أوائل (1998-1999)، ومع تزايد صناعة الكهرباء الجماعية، وفي النهاية تقنية الشبكات الصغيرة؛ فقد لفتت هذه القضية انتباه آلاف الباحثين حول العالم بمرور الوقت وضرورة متزايدة، كما يوضح الشكل التالي (2) نمو البحث في تعويض عدم استقرار حمل الطاقة الكهربائية الثابت.

ومن هذا الرسم التوضيحي، يتضح أن البحث المتعلق بتكنولوجيا الشبكة الدقيقة قد زاد بشكل كبير بعد عام 2010م، ولإلغاء أي فرصة لسوء الفهم؛ فإنه من الضروري الإشارة إلى أن هذه المراجعة الشاملة تم إعدادها بناءً على الدراسات البحثية المنشورة حتى مايو (2016)، وبصرف النظر عن ذلك؛ فإنه انطلاقاً من ذلك وعلى الرغم من أن الولايات المتحدة الأمريكية تقود تكنولوجيا الشبكة الصغيرة.

كما يوضح الشكل التالي (3) الرسم البياني الخاص بالبلد لأبحاث تعويض عدم استقرار حمل الطاقة الثابت في تقنية الشبكات الصغيرة.

نمذجة شبكة التيار الكهربائي المستمر والتيار المتردد

وفقاً “لوزارة الطاقة الأمريكية”؛ فإن الشبكة المصغرة عبارة عن مجموعة من الأحمال المترابطة وموارد الطاقة الموزعة ضمن حدود كهربائية محددة بوضوح تعمل ككيان واحد يمكن التحكم فيه فيما يتعلق بالشبكة ويمكن توصيلها وفصلها عن الشبكة لتمكينها تعمل في وضع متصل بالشبكة أو وضع الجزيرة، كما أن الشبكة الصغيرة هي شبكة طاقة صغيرة الحجم يمكن أن تعمل بشكل مستقل أو بالاقتران مع الشبكة الكهربائية الرئيسية في المنطقة.

تعتبر أي محطة محلية صغيرة الحجم ذات موارد طاقة خاصة بها وأحمالها وحدودها القابلة للتحديد بمثابة شبكة صغيرة، واستناداً إلى مبدأ نظام الطاقة؛ فإنه يمكن تشغيل عناصر الشبكة الصغيرة في أنظمة طاقة التيار المتردد والتيار المستمر؛ فإن هذا القسم مخصص لنمذجة أنظمة الشبكات الصغرى (DC ، AC)، وفي البداية، وفي الشكل التالي (4) والشكل (5)؛ فإنه يتم تقديم نماذج عامة لأنظمة الشبكات الصغرى (DC) و (AC) التي توضح العناصر المكونة.

يوضح الشكل التالي (6) نموذجاً رياضياً مفصلاً لشبكة صغيرة للتيار المستمر مع حمل طاقة ثابت (CPL) وحمل جهد ثابت (CVL)، كما تم تغيير نسبة الطاقة المشتركة بين (CPL) و (CVL)، وذلك لتحقيق الاستقرار لضمان حالة الاستقرار المطلوبة، يمكن اشتقاق وظيفة التحويل للنظام كما هو موضح في المعادلة التالية:

حيث أن (V0) هي جهد إدخال النظام و (VS) جهد خرج النظام، كما يمكن توضيح الشروط اللازمة للحفاظ على عمود النظام في النصف الأيسر من المستوى.

ومن شروط الاستقرار أعلاه؛ فإنه يمكن اشتقاق علاقتين بسيطتين:

ومن هذه الظروف؛ فإنه يمكننا أن نستنتج أنه لكي نكون مستقرين، بحيث يجب أن تكون قوة (CPL) أقل من قوة (CVL) ومكونات النظام الأخرى مجتمعة، الإضافة الى علاقة القدرة من النموذج الرياضي لـ (DC microgrid) هي:

حيث أن (PCPL) هي قوة حمل الطاقة الثابت و (PCVL) هي قوة حمل الجهد الثابت، كما تظهر علاقة القدرة مع تعويض القدرة التفاعلية في المعادلة التالية:

ونظراً لأن نسبة حمل الطاقة الثابت تتزايد في تطبيقات أنظمة الطاقة المتقدمة؛ فمن الضروري الاهتمام أو التعامل مع تعويضات الطاقة الحقيقية والتفاعلية بشكل مستقل من أجل استقرار الشبكة الصغيرة، وفي حالات معينة، تُستخدم أنظمة التخزين لتوفير كثافة طاقة عالية مع وقت شحن وتفريغ سريع للحفاظ على عدم استقرار الحالة العابر والثابت الذي تحدثه (CPLs) ومن ثم يجب اعتماد تعويض تحميل النقطة.

وبعد ذلك، يظهر في الشكل التالي نموذج رياضي مفصل للشبكة الدقيقة المتناوبة مع حمل طاقة ثابت (CPL) وحمل جهد ثابت (CVL)، كما يتم تمثيل (CVL) على أنه حمل (R-L)، وهو أكثر عملية ومبسطة لاستخدام قيمة (RMS) والوحدة وعامل القوى، كما يمثل هذا النموذج شبكة صغيرة كترتيب حيث يختلف (Vo) وهامش الاستقرار مع تغيير (Req ، Leq ، Ceq).

يمثل الشكل التالي دائرة مكافئة مبسطة لشبكة ميكروية متناوبة متصلة بشبكة مرافق تقليدية لمزيد من تحليل الاستقرار وتستند المعادلة التالية للتحكم في حركة الدوار لآلة متزامنة إلى المبدأ الأولي في الديناميكيات المعروف باسم معادلة التأرجح التي تنص على أن العزم المتسارع هو نتاج لحظة القصور الذاتي للدوار مضروباً في تسارعه الزاوي.

كما يمكن كتابة هذه المعادلة للمولد المتزامن بالشكل التالي: