استقرار التردد الكهربائي العابر في حالات الطوارئ لنظام الطاقة

الضرورة من استقرار التردد الكهربائي العابر في حالات الطوارئ لنظام الطاقة

مع ضغط نقص الطاقة الأحفورية وتغير المناخ واحتياجات البيئة، تتطور طاقة الرياح وهي طاقة خضراء ومنخفضة الكربون، وذلك بسرعة هائلة في الصين، وبشكل عام؛ فإنه يمكن تقسيم طاقة الرياح إلى طاقة الرياح البرية والبحرية، وحالياً تراكمت طاقة الرياح البحرية في الصين (4.4) مليون كيلوواط من السعة المركبة المتصلة بالشبكة الكهربائية؛ لتحتل المرتبة الثالثة في العالم في المرتبة الثانية بعد المملكة المتحدة وألمانيا.

علاوة على ذلك، تهدف الصين إلى الوصول إلى (75) جيجاوات من طاقة الرياح البحرية في عام (2030)م، والتي سيتم توزيعها بشكل أساسي في المناطق البحرية على طول (جيانغسو وفوجيان وقوانغدونغ وتشجيانغ)، بالإضافة الى المدن الساحلية الأخرى، لذلك اجتذب توليد طاقة الرياح البحرية الكثير من الاهتمام.

ومن ناحية أخرى، مع تطوير (VSC-HVDC)، تنقل بعض مزارع الرياح الطاقة من خلال (VSC-HVDC)، مثل مشروع جوتلاند في السويد ومشروع (Tjaereborg) في الدنمارك خمس محطات (VSC-HVDC) في تشجيانغ بالصين، ومع ذلك؛ فإن طاقة الرياح عشوائية ومتقلبة ومتقطعة بسبب الرياح، لذلك مع الترابط المرن لطاقة الرياح واسعة النطاق وشبكة الطاقة من خلال الأجهزة الإلكترونية للطاقة.

كما أنه قد يتدهور التردد الكهربائي، والذي يحدده توازن توليد الطاقة والمستهلك بسبب عدم توازن الطاقة وعوامل أخرى مثل الاضطراب وفشل توربينات الرياح وفشل خط التيار المستمر وما إلى ذلك، حتى أنه قد يهدد التشغيل الآمن والمستقر لشبكة الطاقة، لذلك؛ فإنه من الضروري دراسة استراتيجية التحكم في التردد لنظام الطاقة المترابط مع طاقة الرياح البحرية من خلال (VSC-HVDC).

بالإضافة إلى ذلك، وفيما يتعلق بالتحكم في استقرار نظام الطاقة المترابط مع طاقة الرياح البحرية؛ تركز معظم الدراسات على التحكم في ثبات زاوية الدوار والتحكم في ثبات الجهد الكهربائي والتحكم في التخميد وأيضاً التحكم في تردد الحالة، بينما يركز القليل من العمل على التحكم في استقرار التردد العابر، على سبيل المثال تم تقديم استراتيجية تحكم منسقة لشبكة التيار المستمر ومزارع الرياح البحرية لتحسين استقرار زاوية الدوار لنظام الطاقة المتزامن البري.

وعلاوة على ذلك، ومن وجهة نظر تدابير التحكم في الاستقرار؛ فإنه يمكن تقسيم تدابير التحكم لنظام الطاقة المترابط مع طاقة الرياح واسعة النطاق إلى فئتين تاليتين، الأول هو عنصر التحكم الكهربائي الخاص المدمج في (VSC-HVDC)، مثل التحكم في جهد التيار المستمر والتحكم في الطاقة النشطة والمتفاعلة، والآخر هو تقليص مزرعة الرياح وتعثر المولدات الكهربائية.

مشاكل شبكة الطاقة SZ والتردد الكهربائي العابر

يقدم هذا القسم شبكة الطاقة (SZ) ومؤشر استقرار التردد العابر، وذلك جنباً إلى جنب مع مشكلة استقرار التردد الكهربائي العابر لشبكة الطاقة (SZ).

مقدمة موجزة عن شبكة الطاقة (SZ): يقدم هذا القسم الفرعي مقدمة موجزة عن شبكة الطاقة (SZ)، حيث إن شبكة الطاقة (SZ) هي نظام طاقة نموذجي متصل مع طاقة الرياح البحرية من خلال (VSC-HVDC)، والتي يظهر هيكلها الطوبولوجي الرئيسي في الشكل التالي (1)، وهي تشتمل على خمس محطات (VSC-HVDC) ومزارع رياح.

كما أن محطات تحويل التيار المستمر الخمس هي (IDZ ، DZ ، QZ ، YZ ، SHZ) وكلها تعتمد تقنية (MMC)، بحيث يتم توصيل شبكة الطاقة (SZ) بشبكة الطاقة الخارجية الكبيرة من خلال ثلاثة خطوط دائرة مزدوجة، أي خط الدائرة المزدوجة (SZ-HZ) وخط الدائرة المزدوجة (XC-SZ) وخط الدائرة المزدوجة (HL-XC).

مؤشر استقرار التردد الكهربائي العابر: يقدم هذا القسم الفرعي مؤشر استقرار التردد العابر، كما ويقترح صيغة الحساب المناسبة لشبكة الطاقة (SZ)، بحيث يمكن أن يكون مؤشر استقرار التردد العابر، وذلك لنظام طاقة هو مجموع تكامل نطاق التردد المختلف بوزن مختلف، والذي يمكن التعبير عنه رياضياً على النحو التالي:

وبالتالي:

حيث أن:

(Kj): هو معامل الوزن لنطاق التردد الكهربائي.

(f [ti]): هو التردد في الوقت (ti).

(fN): هو التردد المقنن لشبكة الطاقة.

(Δti): هو طول خطوة حساب استجابة التردد.

(fj): هو تردد الحد الأعلى والأدنى لنطاق التردد (عندما يكون التردد أقل / أعلى من التردد المقدر).

كما يمكن تقسيم حساب مؤشر التردد الكهربائي العابر إلى الخطوات التالية، أولاً تقسيم النطاق الذي يمكن أن يصل إليه منحنى استجابة التردد إلى نطاقات تردد متعددة، ثم تخصيص أوزان مختلفة لنطاقات تردد مختلفة، وأخيراً؛ فإنه يمكن الحصول على مؤشر استقرار التردد العابر عن طريق التكامل الموزون.

وعلاوة على ذلك، وكما هو مذكور في الدراسات، إذا كان (F≥1)؛ فإن التردد العابر للنظام سيكون غير مستقر، وبعد ذلك ينبغي اتخاذ تدابير التحكم المقابلة، خاصةً إذا كانت (F <1)؛ فسيكون التردد العابر للنظام الكهربائي مستقراً.

وبالنسبة لشبكة الطاقة (SZ)؛ فإن تردد الجولة الأولى من فصل حمل التردد هو (49.0) هرتز، لذلك لا يمكن أن يتجاوز انحراف التردد للنظام الصغير (± 0.5) هرتز ومدى الانحراف العادي للتردد هو (± 0.2) هرتز، لذلك ينقسم منحنى استجابة التردد العابر إلى ثلاثة نطاقات تردد من المنخفض إلى العالي، وهي أقل من أو تساوي (49.0) هرتز، (49.0-49.5) هرتز و (49.5-49.8) هرتز على التوالي.

كما يعتبر أن مدة التردد الكهربائي الأقل من (49.0) هرتز يجب ألا تتجاوز (0.3) ثانية، بحيث يجب ألا تتجاوز مدة التردد الأقل من (49.5) هرتز (10) ثوانٍ، كما يجب ألا تتجاوز مدة التردد الأقل من (49.8) هرتز خلال (10) دقائق، أي أن معامل الوزن المقابل لنطاقات التردد المختلفة يجب أن يفي بالصيغة الموضحة في المعادلة الرياضية التالية:

كما أنه يمكن حساب معامل الوزن من المعادلات السابقة، ويمكن الحصول على مؤشر استقرار التردد العابر المناسب لشبكة الطاقة (SZ) كما هو موضح في:

مشاكل التردد العابر لشبكة الطاقة (SZ): في هذا القسم الفرعي، يتم التحليل الكمي لاستقرار التردد العابر لشبكة الطاقة (SZ) تحت اضطرابات مختلفة، لذلك يجب الوضع في الاعتبار الحالات الأربع التالية التي تتعلق باضطرابات وظروف تشغيل مختلفة، وهي:

• أولاً: تنخفض طاقة الرياح فجأة.

هنا تصبح توربينات الرياح من (BD ، SQ) كلاهما لهما انخفاض مفاجئ في الطاقة بمقدار (300) ميغاوات.

• ثانياً: (N-2 +) طاقة الرياح تنخفض فجأة.

على جانب (SZ) من خط (XC-SZ)، بحيث تحتوي الدائرة الواحدة على دائرة قصيرة ثلاثية الطور، بينما تحتوي الدائرة الأخرى أيضاً على رحلة ثلاثية المراحل، كذلك توربينات الرياح من (BD ، SQ) كلاهما لهما انخفاض مفاجئ في الطاقة بمقدار (300) ميغاوات.

• ثالثاُ: (N-4 +) طاقة الرياح تنخفض فجأة.

هنا يكون خط (HZ-SZ) قيد الصيانة، وعلى جانب (SZ) من خط (XC-SZ) تحتوي الدائرة الواحدة على دائرة قصيرة ثلاثية الطور، بينما تحتوي الدائرة الأخرى أيضاً على رحلة ثلاثية المراحل، أيضاً توربينات الرياح من (BD) و (SQ) كلاهما لهما انخفاض مفاجئ في الطاقة بمقدار 300 ميغاوات.

• رابعاً: تنخفض طاقة الرياح (+ N-6) فجأة.

هنا خط (BZ-SZ) وخط (XC-SZ) قيد الصيانة، وعلى جانب (SZ) من خط (HZ-SZ)، بحيث تحتوي الدائرة الواحدة على دائرة كهربائية قصيرة ثلاثية الطور، بينما تحتوي الدائرة الأخرى أيضاً على رحلة ثلاثية المراحل، أيضاً توربينات الرياح من (BD) و (SQ) كلاهما لهما انخفاض مفاجئ في الطاقة بمقدار (300) ميغاوات.