أنظمة توليد الطاقة الموزعة والحماية الكهربائية

أهمية أنظمة توليد الطاقة الموزعة والحماية الكهربائية

في العقود السابقة وبسبب الاستنفاد المتكرر والمتوقع “للطاقات التقليدية” القائمة على الأحافير (مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي)؛ فإن استغلال واستخدام موارد “الطاقة الأحفورية” التقليدية كان سبباً بتلوث البيئة الطبيعية ويبدو أنه يؤثر على درجة حرارة الأرض، وبالتالي؛ فإن توليد الطاقة المركزية التقليدية باستخدام الوقود الأحفوري يعتبر “غير مستدام” في الخطط الاستراتيجية الوطنية طويلة الأمد.

وفقاً لذلك، تم توجيه العديد من الجهود العالمية المتكررة نحو تطوير المزيد من مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة “الشمسية الكهروضوئية” (PV) والطاقة “الحرارية الشمسية” والطاقة المائية والطاقة الحيوية وطاقة المحيطات، وعادةً ما يتم دمج مصادر الطاقة المتجددة في شكل “أنظمة توليد الطاقة” الموزعة (DPGS)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كذلك لقد تغير توليد الطاقة في دولة الدنمارك مثلاً من المركزية إلى اللامركزية مع الاستخدام الواسع النطاق لمزارع الرياح، بحيث يوضح الشكل التالي (2)، بحيث تطور قدرة الطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم من عام 2000م إلى عام 2015م، حيث تحتل “الطاقة الكهرومائية” المرتبة الأولى فيما يتعلق بإجمالي القدرة المركبة تليها طاقة الرياح و”الطاقة الشمسية الكهروضوئية”.

كما أدت المتطلبات الخاصة والمتكررة للطاقة الكهرومائية (على سبيل المثال، المواقع المادية لموارد الأنهار أو البحيرات) إلى إبطاء استخدامها وتطويرها التقني، وفي المقابل؛ فإنه يسهل الوصول إلى طاقة الرياح والطاقة “الشمسية الكهروضوئية”، وذلك مع اعتماد أقل على الموقع المادي (الفيزيائي)، ومن ثم فقد أصبحت مهيمنة في (DPGSs)، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (1).

علاوة على ذلك؛ فإن لها تأثير أقل على البيئة وقدرة أكبر غير مستغلة، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3)، ومن بين تقنيات الطاقة المتجددة الرئيسية؛ فقد حقق توليد طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية في جميع أنحاء العالم أسرع معدلات نمو بنسبة 17٪ و 28٪ على التوالي في عام 2015م.

التكوينات النموذجية DPGS

تقنية توليد طاقة الرياح (Wind DPGS)

يظهر الشكل النموذجي لنظام طاقة الرياح المتصل بالشبكات الموزعة (Wind DPGS) في الشكل التالي (4) كما هو موضح؛ فإن مدخلات (DPGS) هي الرياح، والتي يتم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية بواسطة التوربين، وبعد ذلك يقوم التوربين بتشغيل آلة كهربائية (مولد) يتم التحكم فيها بواسطة محولات الطاقة الإلكترونية.

كما تضمن مرحلة تحويل الطاقة الكهربائية أن تيارات الخرج في طور مع جهد الشبكة الكهربائية بشكل عام، وذلك لتعظيم الطاقة المحصودة، بحيث يجب استخدام مخطط تتبع توجيه الطاقة القصوى (MPPT) للتحكم في سرعة توربينات الرياح أو زاوية الميل، لذلك من الواضح أن الطاقة الملتقطة تتقلب مع تغير سرعة الرياح المدخلة، وذلك اعتماداً على مقاومة الشبكة الموزعة، كما يمكن أن يؤثر تذبذب الطاقة على استقرار النظام بأكمله، وعلى سبيل المثال التأثير على تغيرات الجهد الكهربائي.

كما هو مبين في الشكل السابق (4)، بحيث يتم اعتماد علبة تروس نموذجية في (Wind DPGS) بالنسبة لتوربينات الرياح متعددة الميغاواط، بحيث تكون سرعة دوران دوار التوربين منخفضة، وبالتالي هناك حاجة إلى مولدات ضخمة لالتقاط طاقة الرياح، والتي قد تتكبد تكاليف تركيب عالية، ونتيجة لاستخدام علبة التروس؛ يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية بسرعة أعلى وعزم دوران أقل، مما يقلل من حجم ووزن المولد الكهربائي.

وفي الوقت الحالي، لا مفر من استخدام محولات الطاقة الإلكترونية، حيث أنها توفر إمكانية التحكم في الطاقة الكهربائية وتسمح بتنفيذ الوظائف المتقدمة (على سبيل المثال، تعزيز المرونة والموثوقية)، وأخيراً يتم استخدام محول لزيادة مستوى الجهد بحيث يتم تحقيق نقل طاقة أكثر كفاءة في الشبكة الموزعة.

المطالب ذات الصلة بالمرونة واستراتيجيات التحكم

مصادر الطاقة المتجددة متغيرة وغير مؤكدة وغير قابلة للمناقشة، وبالتالي؛ فإن خطة التنمية المستدامة القائمة على موارد الرياح والطاقة الكهروضوئية قد تخلق مشاكل خطيرة، لا سيما في الاستجابة للطقس القاسي وفي ظروف العمل المتغيرة، كما يشار إلى هذه الخاصية على أنها مرونة (DPGS)، بحيث تميز مرونة منحة سياسات التنمية القدرة على تحمل الاضطرابات والقدرة على التعافي.

ولتعزيز مرونة الشبكة الكهربائية؛ فإن هناك ثلاث خطوات رئيسية:

• تخطيط شبكة التوزيع الكهربائي.

• تطوير عملية محسّنة بشكل كامل.

• تطوير إدارة الطوارئ.

وأخيراً تم استكشاف التطورات التكنولوجية في (DPGSs)، بحيث تم الكشف عن أن تقنيات الرياح والطاقة الكهروضوئية القائمة على (DPGS)، بحيث ستكون هي المهيمنة في السوق المستقبلية وأنظمة الطاقة المستقبلية.

كما قدمت هذا الطرح نظرة عامة على تقنيات الطاقة الإلكترونية لطاقة الرياح و (PVGSs)، حيث أن إلكترونيات الطاقة هي جوهر تحويل الطاقة، والأهم من ذلك ونظراً لأن طاقات الرياح والطاقة الكهروضوئية متغيرة وغير مؤكدة وغير قابلة للمناقشة؛ فإن ربط هذه الطاقة المتجددة بالشبكة الموزعة قد يتسبب في عدم الاستقرار.