مشاكل شبكات الطاقة الكهربائية المخترقة لإلكترونيات القدرة

لقد تغلغلت إلكترونيات القدرة في أنظمة توليد وتوزيع الطاقة الكهربائية في السنوات الأخيرة، وذلك بدافع من الاستخدام المتزايد للمصادر المتجددة والسعي لتحقيق أداء أعلى في التحكم في تحويل الطاقة؛ فضلاً عن التأثير المتزايد للخطط الاقتصادية التي تتطلب تداول الطاقة بين مختلف المناطق أو مجموعات توزيع الطاقة.

أهمية حصر مشاكل شبكة الطاقة الكهربائية المخترقة

منذ بداية الطاقة الكهربائية في إنجلترا عام (1881)م، نمت شبكة توزيع الطاقة بسرعة ،في أجزاء مختلفة من العالم، كما ولعبت دوراً مهماً في العديد من البلدان المتقدمة، وذلك على مدار القرن الماضي وحتى الآن، كذلك كانت شبكة توزيع الطاقة تتكون أساساً من مجموعة من معدات التيار المتردد التقليدية (AC)، كما تم توليد الكثير من الطاقة الكهربائية وضخها في الشبكة بواسطة مولدات متزامنة.

كما ويتم تحويل مقادير الجهد في مواقع مختلفة بواسطة محولات التيار المتردد، وعلاوة على ذلك؛ فإن الطاقة التي تستهلكها الأحمال التقليدية يتم تحديدها في الغالب من خلال المكونات الكهربائية المتصلة بالشبكة الكهربائية، مثل المحركات ومصابيح الإضاءة المتوهجة وما إلى ذلك، بحيث تمت دراسة مسألة استقرار نظام الطاقة التقليدي بشكل جيد نسبياً وفهمها من قبل الباحثين والمهندسين الكهربائيين.

ومع ذلك؛ فإن أنظمة الطاقة اليوم تمر بتحول سريع، بحيث يتميز بمستوى متزايد من استخدام نوع جديد من المعدات ومحولات إلكترونيات القدرة، وفيما يتعلق بتوليد الطاقة ونقلها واستهلاكها؛ فقد تم استخدام أجهزة إلكترونيات القدرة على نطاق واسع بدلاً من نظيراتها التقليدية، بحيث تستمر الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة، على سبيل المثال، توربينات الرياح والألواح الكهروضوئية.

المزايا التي تحققها الكترونيات القدرة في الأجهزة الإلكترونية

تتمتع أجهزة إلكترونيات القدرة بآليات وديناميكيات مختلفة اختلافاً جوهرياً مقارنة بمعدات طاقة التيار المتردد التقليدية، بحيث تعتمد محولات إلكترونيات القدرة على إجراءات التحويل السريع لتحقيق تعديل الطاقة الكهربائية بدلاً من التحكم في الكتلة الدوارة، كما تتميز بديناميكيات سريعة قابلة للتحكم وسعة تخزين طاقة صفرية تقريباً.

لذلك؛ فإن تكيفها الواسع لا بد أن يغير الخصائص الإجمالية لنظام الطاقة، وبالإضافة إلى طرح تحديات صعبة لتحليل وتخطيط وتشغيل نظام الطاقة، وفي تشغيل شبكة الكهرباء في الصين على سبيل المثال؛ فقد تم العثور على مشكلة الاستقرار والسلامة لتكون أكثر خطورة بسبب هذا التطور، ووفقاً لنتائج المحاكاة التي أبلغت عنها شركة (State Grid Corporation) في الصين؛ فقد أصبحت مشكلة استقرار نظام الطاقة أكثر خطورة وتحدياً.

ومع ملاحظة بعض الأنواع الجديدة من التذبذبات الفرعية المتزامنة في المناطق التي بها قدر كبير من تركيب توربينات الرياح، يوضح الشكل التالي (1) التكوين العام لأنظمة الطاقة الحديثة ذات الأقسام الإقليمية (العناقيد) التي يتم توصيلها بواسطة وصلات نقل التيار المستمر أو التيار المتردد، وداخل كل مجموعة توجد محولات إلكترونيات للقدرة مثبتة للتحكم في تدفق الطاقة وأنظمة التخزين، كما يوضح الشكل التالي (2) تكويناً محدد لشبكة الصين، حيث تحتوي على (7) مجموعات متصلة ببعضها البعض بواسطة روابط (DC).

اتجاهات البحث الحديثة الخاصة بأنظمة الكترونيات القدرة

في هذه الدراسة، سوف يتم تحديد اتجاهات البحث الحديثة في القضايا الرئيسية المرتبطة بالنشر المكثف لإلكترونيات القدرة في توصيل الطاقة وشبكات التوزيع الكهربائية، وعلى وجه الخصوص تقديم زاويتين مختلفتين من الفحص، بحيث تتوافقان مع وجهات النظر المحلية والعالمية للشبكة الكهربائية، بحيث يغطي المنظور المحلي بشكل طبيعي الأساليب التحليلية الجديدة والتقليدية التي تهدف إلى فهم استقرار الأجهزة المتصلة بالشبكة (في الغالب المحولات) وكذلك الأجهزة المتفاعلة عبر الشبكة.

كما يعد هذا في الأساس نهجاً تصاعدياً لمعالجة المشكلات الأكبر والأكثر تعقيداً المتعلقة باختراق إلكترونيات القدرة في شبكة طاقة واسعة النطاق، كما يركز هذا النهج عادةً على مستوى الدائرة الكهربائية، وبينما يقدم عروض تفصيلية لديناميكيات الأجهزة في مواقع أو مجموعات محددة من الأجهزة المتصلة بالشبكة؛ فإنه يقصر حتماً في تقديم عرض شامل لكل الأجهزة المتصلة النظام، خاصة عندما تمتد تأثيرات العمليات أو الأحداث الديناميكية في منطقة محلية واحدة إلى أجزاء أخرى من النظام الكهربائي.

على سبيل المثال، يعد الفشل المتتالي في شبكة الطاقة أحد هذه المشكلات المهمة، وبالتالي؛ فإن الأساليب التحليلية التي تتخذ منظوراً عالمياً ستكون أكثر ملاءمة للأنظمة المتصلة واسعة النطاق، كما قد توفر رؤية أكثر اكتمالاً للظواهر التي تحدث على مستوى النظام العالمي، مما يوفر معلومات لا يمكن أن تكون متاحة من الطرق التي تأخذ طابعاً محلياً.

كذلك؛ فإن الأساليب المتاحة التي تأخذ نظرة عالمية تدرس بفعالية نظام الطاقة من منظور نظام شبكي من أعلى إلى أسفل، ومع ذلك؛ فهي محدودة إلى حد ما حتى الآن وأقل نضجاً مقارنة بتلك التي تتبع نهجاً محلياً في هذه الدراسة، كما تتم محاولة الجمع بين هذين المنظورين معاً وإعادة فحص التقدم الحالي للبحث في أنظمة الطاقة وسط النشر المكثف لإلكترونيات القدرة.

النهج التصاعدي: يتمثل التحول الرئيسي في نموذج شبكة الطاقة التقليدية في النشر الواسع لواجهات إلكترونيات القدرة، والتي تربط مصادر الطاقة وأحمال المرافق، ونظراً للوجود النمطي لناقل التيار المستمر في أنظمة الطاقة المتجددة وأنظمة التخزين وأنظمة تحويل الطاقة الكهربائية.

كما يتم اعتماد محولات (AC-DC) عالية السعة ثلاثية الطور على نطاق واسع في أنظمة توصيل وتوزيع الطاقة، وعلى وجه الخصوص؛ المستوى البسيط ثنائي المستوى يتم نشر طوبولوجيا محول الجهد أو المصدر الحالي والمحول المعياري متعدد المستويات (MMC) على نطاق واسع نظراً لبساطته وفوائده من تداخل التوافقيات المنخفضة.

نهج من أعلى إلى أسفل: في المناقشة السابقة حول دراسة المحولات المتصلة بالشبكة والأنظمة المتفاعلة، بحيث يتم أخذ وجهة نظر “محلية”، ومن هذا المنظور المحلي يتم توصيل محول إلكترونيات القدرة، وبشبكة التيار المتردد عند نقطة اقتران مشترك ويتم أخذ شبكة التيار المتردد كمصدر جهد خلف مقاومة التيار الحثي.

كما يمكن توسيع التحليل في ظل هذا المنظور ليشمل مجموعة من المعدات المحيطة بنقطة الاقتران المشترك، أو حتى مجموعات من المعدات التي تتفاعل عبر نقاط قليلة من أدوات التوصيل المشتركة، ومع ذلك إذا تم اتباع نهج تصاعدي؛ يبقى الوضع قريباً من التعقيد المتصاعد لإجراء تحليل الدائرة عندما يصبح عدد الأجهزة المتفاعلة كبيراً أو تتسع منطقة التفاعل.

كما إن المشكلات والتحديات التي يطرحها التطور الحالي التصاعدي، حيث تستمر أجهزة إلكترونيات القدرة في اختراق نظام الطاقة الكهربائية، بحيث تستحق اهتماماً ذا أولوية قصوى من الباحثين والمهندسين في أنظمة الطاقة، كما قدم هذا العرض العام هذه لفت الانتباه الجاد لمجتمع الدوائر والأنظمة حول العديد من الدوائر والأنظمة المتعلقة بالتحديات الناشئة عن تأثيرات زيادة تغلغل إلكترونيات القدرة.

بالنهاية ستستمر شبكة الطاقة في التطور، وبسرعة أكبر في السنوات القادمة، وذلك بناءً على احتياجات المستهلكين والمتطلبات البيئية والتقنيات والسياسات المتاحة وما إلى ذلك، بحيث سيكون اتجاه تطور أنظمة الطاقة في العقد المقبل بقيادة شركات الطاقة وصانعي السياسات أمراً حاسماً للتطوير المستقبلي لهذه البنية التحتية المهمة التي تؤثر على ملايين الأشخاص.