معماريات النظام الكهربائي وواجهات شبكة التيار المتردد

أهمية معماريات النظام الكهربائي وواجهات شبكة التيار المتردد

بدأ عصر القرن العشرين بنقاش واسع للغاية حول نوع توصيل الكهرباء وجوانبها الأساسية وكيفية نقلها واستخدامها بشكل أساسي، بحيث يُعرف هذا الجدل باسم “حرب التيارات”، حيث أيد جورج وستنج هاوس ونيكولا تسيلا التيار المتناوب (AC) وخصمهم توماس أديسون دعا التيار المباشر (DC)، بحيث كان من الواضح أن توليد الطاقة بالتيار المستمر كان محدوداً بجهد منخفض نسبياً وكان الانخفاض في مستوى الجهد مشكلة حرجة.

لذلك، كان لابد من استخدام محطات توليد الطاقة في (Edison) محلياً، أي أن الأحمال يجب أن تكون قريبة من محطات التوليد، وفي المقابل، يمكن تصعيد جهد التيار المتردد بسهولة لتسهيل نقل الطاقة عبر مسافات طويلة ثم تنحيته لتوصيله إلى المستخدمين النهائيين، علاوة على ذلك؛ فقد اخترع (Tesla) المحرك التعريفي (AC-IM)، والذي أثبت أنه مغير قواعد اللعبة في هذه الحرب.

نتيجة لهذه العوامل، تفوق التيار المتردد في “حرب التيارات” باعتباره الشكل البارز لتوليد الكهرباء وتوصيلها مما أدى تحقيق هذا الإنجاز التأسيسي في تاريخ الكهرباء بشكل ملحوظ إلى عصر توليد الطاقة المركزية (محطة الطاقة) والتوسع في نقل وتوزيع طاقة التيار المتردد في جميع أنحاء العالم، كما أصبحت محطات توليد الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري (الفحم والغاز الطبيعي) الوسيلة البارزة لتوليد الكهرباء.

في السنوات الأخيرة، أصبحت القضايا البيئية لمصادر الطاقة التقليدية هي الشواغل الرئيسية بسبب انبعاث “غازات الاحتباس الحراري” واستنفاد مصادر الطاقة، إلى جانب ذلك؛ فإن تقادم البنية التحتية الحالية للنقل والتوزيع والطلب المتزايد باستمرار على الطاقة الكهربائية قد شدد على أنظمة توصيل الطاقة، ونتيجة لذلك اعتبر العديد من الباحثين والسياسيين أن الابتكار في “إمدادات الطاقة المستدامة” أمر ضروري لتوفير مصادر طاقة موثوقة ونظيفة ولتحسين نوعية الحياة على هذا الكوكب.

وعلى الرغم من أن التطورات الأخيرة في الأجيال الموزعة مثل مصادر الطاقة المتجددة المتصلة بالشبكة (RES) قد أظهرت بالفعل نتائج واعدة، إلا أن زيادة تغلغل الأجيال الموزعة في شبكات التيار المتردد للمرافق يمكن أن يتسبب في ارتفاع الجهد ومشكلات الحماية، بحيث سيؤدي ذلك إلى زيادة التحدي الذي يواجه أمن شبكة المرافق وموثوقيتها وجودتها.

ومن أجل حل هذه المشكلات؛ فقد تم اقتراح مفاهيم جديدة، تُعرف باسم “Microgrid” و “الشبكات الذكية” لأنظمة الطاقة الكهربائية المستقبلية، كما أن الشبكة الصغيرة عبارة عن شبكة طاقة منخفضة الجهد (LV) تحتوي على مصادر طاقة موزعة مثل المصفوفات الكهروضوئية (PV) وتوربينات الرياح الدقيقة وخلايا الوقود وأجهزة تخزين الطاقة (مثل البطاريات والمكثف الفائق ودولاب الموازنة).

كذلك بدأت فكرة الشبكة الصغيرة كحل لتلبية الطلب المحلي على الطاقة من خلال ربط مصادر الطاقة الموزعة بشبكات التوزيع مثل المحطات الفرعية المحلية دون مزيد من التوسع في شبكات المرافق المركزية المكلفة، وعادةً ما تكون الشبكات الصغيرة متصلة ببعضها البعض بشبكات توزيع الجهد المنخفض أو المتوسط ​​(MV) عبر اتصال مباشر أو محول طاقة بيني، مما يتيح الفرصة للحصول على الطاقة من شبكة المرافق وأيضاً إعادة الطاقة إلى شبكة المرافق أثناء توليد الطاقة الفائضة.

في حالة حدوث عطل، تنفصل الشبكة الكهربائية الصغيرة عن شبكة المرافق بأسرع ما يمكن وتتحكم في حملها باستخدام طرق تحكم مختلفة مثل التحكم في التدلي، وفي هذه الحالة تعمل الشبكة الصغيرة في وضع النشاط، كما تعمل الخصائص الخاصة للشبكة المصغرة (وفقاً لمتطلبات الشبكة الذكية المحددة) على تحسين أمن الطاقة وموثوقية وجودة الشبكة وكذلك العملاء المحليين.

مع الاتجاه الأخير في تطوير “المركبات الكهربائية” (EV)، زاد تأثير توصيلاتها بأنظمة توزيع الجهد المنخفض بشكل كبير، وبالمثل في “البيئات الصناعية”؛ فإنه يتم استخدام عدد من محركات التيار المتردد ذات السرعة القابلة للتعديل، والتي تتطلب أيضاً مراحل تحويل (AC-DC) و (DC-AC) في القطاعات السكنية والتجارية، كما تستخدم المعدات المتصلة بالشبكة مثل “أجهزة الكمبيوتر” وأنظمة الإضاءة عالية الكفاءة وشواحن البطاريات طاقة التيار المستمر.

وبالتالي، تتطلب هذه الأجهزة مرحلة تحويل (AC-DC) للاتصال بشبكة التيار المتردد، كما تقلل مراحل التحويل المتعددة هذه الكفاءة الكلية و”موثوقية الأنظمة”، بحيث يمكن تقليل بعض مراحل التحويل هذه أو استبدالها بمحول (DC-DC) عالي الكفاءة إذا كانت هذه الأجهزة متصلة مباشرة بشبكة (DC)، بحيث يبدو أن مفهوم “Microgrid” وأنظمة الطاقة المتجددة القائمة على إلكترونيات الطاقة يمكن أن تؤدي إلى ولادة جديدة لرؤية (Edison) الأصلية لنظام الطاقة.

الجانب الخاص بمعمارية شبكة التيار المستمر

في نظام شبكة التيار المستمر؛ فإنه يمكن توفير مصادر الطاقة وأحمال الطاقة الإلكترونية بشكل أكثر فعالية وكفاءة عن طريق اختيار مستوى جهد مناسب وبالتالي تجنب بعض مراحل التحويل كما هو موضح في الشكل التالي، وعلاوة على ذلك يمكن لنظام تخزين الطاقة (ESS) أن تكون متصلاً مباشرة بنقطة اتصال (DC) الرئيسية أو متصلة عبر محول (DC-DC).

ولكل نهج بعض الإيجابيات والسلبيات التي تعتمد على التطبيقات ومتطلباتها، وعلى سبيل المثال؛ فإنه لا يحتوي “نظام البطارية” على جهد خرج ثابت ويعتمد التباين في جهد الخرج على كيمياء البطارية والتيار ودرجة الحرارة المحيطة وحالة الشحن (SoC)، كما يمكن أن تؤدي “التوصيلات المباشرة” للبطارية إلى ناقل التيار المستمر إلى تذبذب في جهد الناقل وتيار التدفق، مما يؤدي إلى تقصير عمر البطارية.

أيضاً يمكن أن يؤدي تذبذب جهد التيار المستمر إلى حدوث مشكلات في الاستقرار والحماية في نظام شبكة التيار المستمر، لذلك يوصى عادةً بمحولات (DC-DC) لربط أنظمة البطارية بناقل التيار المستمر، بحيث يمكن لمحول (DC-DC) أن يضمن مستوى جهد تيار وإخراج يمكن التحكم فيهما، مما يوفر فرصاً لدمج عدد من البطاريات على الرغم من خصائصها المختلفة تماماً في (SoC)، وبشكل عام يمكن أن تقدم أنظمة التوزيع (DC) عدداً من المزايا في تطبيقات مختلفة مثل:

• فرضت الوكالات البيئية مؤخراً متطلبات قوية على إنتاج الكهرباء، وهو المسؤول إلى حد كبير عن ثاني أكسيد الكربون (CO2) والانبعاثات الضارة الأخرى، بحيث ستساعد زيادة استخدام مصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الكهرباء في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في البيئة|، كما يمكن تحقيق المزيد من التخفيض في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من خلال تحسين كفاءة أنظمة توليد الطاقة ونقلها، أيضاً يمكن القيام بذلك في أنظمة شبكة التيار المستمر مع عدد أقل من محولات الطاقة.

• كذلك لا يوجد تأثير جلدي في نظام التيار المستمر مما يسمح للتيار بالتدفق عبر الكبل بأكمله وليس فقط الحواف الخارجية، وهذا يقلل من الخسائر ويوفر أيضاً إمكانية استخدام كابل أصغر بنفس المقدار من التيار الكهربائي.

• ليست هناك حاجة إلى أي مزامنة لأنظمة الطاقة المتجددة المتصلة بالشبكة مع الشبكة وأيضاً التحكم في الطاقة التفاعلية، وهذا يمكن أن يقلل بشكل أكبر من التعقيد التشغيلي للنظام.

• تعمل الشبكة الصغيرة للتيار المستمر على زيادة الاستقرار والموثوقية وإمكانية التحكم وجودة الطاقة للنظام أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو اضطرابات الشبكة (على سبيل المثال، انخفاض الجهد أو انحرافه).