مراجعة شاملة للمصادر الكهربائية ذات التيار المستمر والمتناوب

يمكن أن يؤدي التكامل الواسع النطاق لمصادر الطاقة المتجددة في نظام الطاقة إلى حدوث مشكلات عدم الاستقرار، مما يؤدي إلى تدهور جودة الطاقة في مصدر الجهد الكهربائي، ولمعالجة هذه المشكلة، تم الإبلاغ عن المصادر الكهربائية (ES)، وهي تقنيات التحكم في الطلب على الحمل الكهربائي المرن.

التحليل الشامل للمصادر الكهربائية ذات التيار المستمر والمتناوب

تم تعزيز استخدام مصادر الطاقة المتجددة بشكل كبير من خلال أزمة الطاقة والقضايا البيئية حول العالم خلال العقود القليلة الماضية، بحيث استهدفت العديد من دول الاتحاد الأوروبي (EU) حصة (20٪) من مصادر الطاقة المتجددة في إجمالي استهلاك الطاقة النهائي بحلول عام (2020)م، وزيادة الحصة إلى (27٪) بحلول عام (2030)م.

لكن التكامل المستدام لمصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية؛ فإنه سيشكل حتماً تحديات كبيرة لتشغيل نظام الطاقة بسبب توليدها المتقطع للطاقة الكهربائية، بحيث يتم اقتراح حلول مختلفة لمعالجة قضايا عدم الاستقرار الناشئة عن الأجيال المتجددة الموزعة المتكاملة.

في جانب التوليد الكهربائي؛ فإنه يمكن تجميع أنظمة التوليد الموزعة كمحطة طاقة افتراضية (VPP)، وذلك بسعة طاقة أعلى، والتي توفر مصدر طاقة أكثر موثوقية من مجموعة توليد واحدة من خلال تنسيق الأجيال المختلفة (Microgrid) هو حل فعال آخر، حيث إنه في الأساس تكامل شامل لمصادر الطاقة المتجددة المحلية والأحمال وأنظمة تخزين الطاقة (ESS).

كما يمكن للشبكات الصغيرة “تبادل الطاقة” مع الشبكة الرئيسية في وضع متصل بالشبكة وتوفير الطاقة للأحمال المحلية في حالة الطوارئ في وضع الجزيرة، كما تختلف استراتيجيات التحكم والتشغيل للشبكات الصغيرة عن نظام الطاقة التقليدي.

لذلك لقد حظيت باهتمام عالمي في العقود القليلة الماضية، مثل الأجهزة الحديثة الداعمة للشبكة مثل أنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS) وأنظمة نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) ونظام تخزين الطاقة (ESS) هي أنظمة قائمة على إلكترونيات القدرة مصممة لتحسين إمكانية التحكم في ناقل الحركة والقدرة الكهربائية.

الحلول المقدمة لضبط عملية توليد الطاقة الكهربائية

كحل فعال لدرء التوليد المتجدد المتقلب، يتم انتقاد أنظمة تخزين الطاقة، مثل البطاريات والحذافات ومحطات طاقة التخزين التي يتم ضخها، وذلك بسبب تكلفتها العالية نسبياً واستجابتها الديناميكية البطيئة، الى ذلك إدارة جانب الطلب (DSM)، بحيث توفر التكنولوجيا خياراً بديلاً يتطلب استهلاك الطاقة يمكن تغييره بشكل تكيفي لمتابعة التوليد الكهربائي.

وبالنظر إلى الصعوبات في التحكم في توليد السائبة الخرقاء لمتابعة التوليد المتجدد الموزع المتقلب؛ فإن طريقة (DSM) أكثر جدوى نسبياً للتنفيذ في الوقت الفعلي، بحيث يمكن أن تؤدي طريقة “الطلب التالي التوليد” إلى:

• انخفاض تكلفة موازنة الحمل والطلب.

• تحسين كفاءة الشبكة الكهربائية.

• تحسين الاقتصاد في التشغيل في الوقت الفعلي.

• تحسين جودة الطاقة الكهربائية.

كذلك يمكن تنفيذ الاستجابة للطلب بعدة طرق بما في ذلك التحكم المباشر في الحمل والبرامج القائمة على الأسعار والاستجابة الآلية للطلب (ADR) ويمكن للمستهلكين اتخاذ إجراءات لتغيير استهلاكهم للطاقة استجابة للإشارات، على سبيل المثال معلومات السعر أو أوامر الطاقة، والتي يرسلها مشغلو شبكة الطاقة الكهربائية.

مشاكل عدم الاستقرار التي تسببها مصادر الطاقة المتجددة

• شبكات التيار المتردد: يمكن رسم مخطط الدائرة المكافئة ومخطط الطور لخط التوزيع كما هو موضح في الشكل التالي (1-a) و (1-b)، كما يتم نقل تدفق الطاقة من (Ps + jQs)، وذلك من محطة الإرسال إلى بوابة الاستقبال، وبالنسبة لأقطاب الجهد الكهربائي الموضحة في الشكل (1-a)؛ فإنه يمكن التعبير عن جهد طرف الاستقبال على النحو التالي:

ومن خلال إهمال المصطلح المتعامد لـ [²(Qs | Vs | R − Ps | Vs | X)]؛ فإنه يمكن التعبير عن الجهد عند طرف الاستقبال على أنه:

وفي شبكة توزيع الجهد المنخفض (LVDN)، تكون ممانعات الخط مكونة مقاومة كبيرة، وبالنظر إلى تقلب الطاقة النشطة الناتجة عن مصادر الطاقة المتجددة الموزعة ويتم تنظيم (Vs) بإحكام في المحطة الفرعية؛ فإن الفولتية عند الطرف المستلم ستتقلب فيما يتعلق بالجيل المتقلب من مصادر الطاقة المتجددة البينية، وبالنظر إلى القصور الذاتي غير المهم للدوار؛ فإنه يمكن التعبير عن توازن الطاقة المبسط في نظام الطاقة المتكاملة للطاقة المتجددة على النحو التالي:

حيث أن:

(Jr): هو القصور الذاتي الدوراني للعضو الدوار.

(ω f): هي السرعة الزاوية للعضو الدوار.

(PS ، PL ، Pr): تشير إلى مصدر الطاقة وطاقة الحمل والطاقة المتجددة على التوالي.

وبالنظر إلى أن الاستجابة الديناميكية للجيل السائب بطيئة، سيتم تخزين التوليد المتجدد المتطاير بواسطة الطاقة الحركية المخزنة في الدوار، ونظراً لأن تردد الشبكة (f) مثبت بالسرعة الدورانية للمولد المتزامن؛ فإن سرعة الدوران المتغيرة للدوار ستؤدي إلى تذبذب تردد تردد الشبكة، مما يعرض استقرار الشبكة للخطر.

إلى جانب ذلك، يمكن للأعطال العرضية، والتي يمكن أن تبدأ حماية الجهد المنخفض للأجيال المتجددة المتصلة، حيث تؤدي أيضاً إلى عدم استقرار تردد الشبكة، وعندما ينشط جهد الشبكة المنخفض غير المتوقع الناجم عن الأعطال فصل مصادر الطاقة المتجددة؛ فإنه يجب توفير الفقد الفوري لتوليد الطاقة النشطة من خلال تباطؤ الدوار، مما يقوض استقرار التردد الكهربائي.

• شبكات التيار المستمر: في شبكات التيار المستمر، يتم توصيل الأجهزة المتصلة بشكل عام بالمحول، بحيث يتم تثبيت المكثفات في ناقل التيار المستمر لتقليل تموجات التبديل وتوفير جهد تيار مستمر سلس نسبيًا للأجهزة، كما يمكن التعبير عن توازن الطاقة في ناقل (DC) كـ:

حيث أن (vM ، CM) هما جهد التيار المستمر وسعة (DC) المكافئة على التوالي، كما سيؤدي تباين (Pr) إلى شحن وتفريغ (CM)، مما يجعل جهد الناقل يتقلب، وبالمثل؛ فإن تكامل أنظمة تحويل الطاقة أحادية الطور والأعطال العرضية يمكن أن يؤدي أيضاً إلى تغيير (Vbus)، وفي المقابل سيتم إنشاء التوافقيات ذات تردد مزدوج الخط ومضات على جهاز (VM).

مفاهيم ومبادئ التشغيل الأساسية للتيار المتردد

• (AC ES): تم ذكر مفهوم الزنبرك الكهربائي وفقاً لمفهوم المصادر الميكانيكية، لذلك؛ فإن مصدر الجهد الذي يمكن التحكم فيه، والذي يتم تحقيقه بواسطة محولات الطاقة في وضع التبديل، بحيث يتم توصيله بشكل متسلسل بحمل غير حرج (NCL)، وهو حمل قابل للإلغاء مع تفاوت كبير نسبيًا للجهد المطبق.

• (Dc ES): لا يتم امتلاك المزايا المميزة لـ (ES) في نظام طاقة التيار المتردد فحسب؛ بل يتم الحفاظ عليها أيضاً عند توسيع مفهوم (ES|)، وذلك ليشمل شبكة توزيع التيار المستمر، بحيث يتم إجراء أعمال بحثية لاستكشاف استقرار الجهد وتحسين جودة الطاقة وتقليل تخزين الطاقة باستخدام [(DC Electric Spring (DC]، وذلك على غرار (AC ES).

بالمجمل المصادر الكهربائية هي تقنية فعالة لإدارة جانب الطلب لترويض تقطع مصادر الطاقة المتجددة، وفي هذا البحث تم تلخيص مبدأ التشغيل وطوبولوجيا الدائرة وطرق التطبيق والتحكم في المصادر الكهربائية (AC) و (DC)، بحيث طورت أعمال البحث المبلغ عنها جميع أنواع وظائف أجهزة (ES)، ونظراً لأن (ES) هي آلية (DSM) الموزعة؛ فإن تنسيق (ES) متعددة في شبكات (DC ، AC) لا يزال يتطلب مزيداً من التحقيق.