التحكم في الحمل الكهربائي الزائد في أنظمة طاقة الرياح

أهمية التحكم في الحمل الكهربائي الزائد في أنظمة طاقة الرياح

يتم توزيع موارد طاقة الرياح ومراكز التحميل بشكل عكسي، بحيث يعتمد تطوير طاقة الرياح بشكل عام على طريقة التطوير المركزي واسع النطاق ونقل الجهد العالي لمسافات طويلة، كما أصبح نقل طاقة الرياح من خلال التيار المباشر عالي الجهد المعتمد على محول الخط (LCC-HVDC) هو الطريقة الرئيسية لتخصيص مناطق متقاطعة لموارد طاقة الرياح لأن نظام النقل (LCC-HVDC) لديه قدرة نقل كبيرة ومسافة نقل طويلة، وهكذا ظهرت نسبة عالية من نظام نقل طاقة الرياح (AC / DC).

كما إن عاكس (LCC-HVDC) عرضة لفشل الاستبدال بسبب انخفاض الجهد في ناقل التيار المتردد وحتى يتسبب في فشل تبديل مستمر، مما يؤدي إلى كتلة التيار المستمر، بحيث تؤدي كتلة التيار المستمر إلى حدوث اضطراب قوي وتأثيرات شبكة طاقة التيار المتردد، كما تشير الحوادث مثل انقطاع التيار الكهربائي في (21) مارس في البرازيل، إلى أن فشل التبديل أو كتلة التيار المستمر يمكن أن يعيق نقل الطاقة النشط لـ (LCC-HVDC).

لذلك يجب أن تتوافق مكونات شبكة الطاقة مع مبدأ (N-1)، وذلك في ظل فشل أو حظر تبديل (DC)، بحيث يجب ألا تتنقل الخطوط الأخرى بسبب الحمل الكهربائي الزائد لذلك، كما من الضروري دراسة مشكلة الحمل الزائد للخط الناتج عن نقل تدفق الطاقة، ومن خلال إنشاء نموذج مبسط لنظام نقل طاقة الرياح (AC / DC)، وذلك جنباً إلى جنب مع الاشتقاق الرياضي وتجربة المحاكاة.

أيضاً تم تحليل آلية الرحلة المتتالية لخط التيار المتردد الناتجة عن نقل تدفق الطاقة، كما تمت زيادة حد الإرسال عن طريق تقوية شبكة الطاقة المتزامنة للتيار المتردد، لكن دورة البناء كانت طويلة جداً، بحيث تم استخدام وحدة تحكم تدفق طاقة موحدة لتحسين توزيع تدفق الطاقة لشبكة طاقة التيار المتردد، ومع ذلك  كانت العملية مكلفة للغاية.

كما يمكن تجنب الفشل المتتالي الناجم عن نقل تدفق الطاقة من خلال التوصيل البيني غير المتزامن المتتالي للتيار المستمر، لكن تأثير الطاقة النشط يتسبب في زيادة تكرار الشبكة الطرفية المرسلة، بحيث يتم تقليل القصور الذاتي للشبكة الطرفية المرسلة بشكل كبير بسبب استخدام توربينات الرياح واسعة النطاق، ولا يمكن كبح تغيرات التردد الكهربائي في الوقت المناسب، كما تم تعديل وحدة تحكم المعدل لـ (LCC-HVDC) للمساعدة في التحكم في التردد لشبكة نهاية الإرسال.

نموذج وخصائص تشغيل أنظمة نقل طاقة الرياح AC / DC

يتم دمج مزارع الرياح المطورة مركزياً على نطاق واسع بشكل عام من خلال أنظمة النقل لمسافات طويلة، كما وتكون نسبة طاقة الرياح في الشبكة الطرفية المرسلة عالية، وعادةً ما تحتوي أنظمة الإرسال على محطات متعددة في شبكة نهاية الاستقبال، والتي لا يمكنها فقط تحقيق توزيع الطاقة عبر المنطقة من خلال إرسال التيار المستمر، ولكن أيضاً تحقيق التوصيل البيني المتزامن مع شبكة الطاقة الإقليمية من خلال إرسال التيار المتردد.

وهكذا، ظهر هيكل الشبكة الكهربائية لطاقة الرياح عالية النسبة لنقل التيار المتردد / التيار المستمر، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث تستخدم مزرعة الرياح بشكل أساسي (DFIG)، كما ويستخدم نظام التيار المباشر ناقل الحركة (LCC-HVDC)، ويستخدم نظام التيار المتردد تيار متردد عالي الجهد (HVAC) لانتقال القدرة المقررة.

نموذج وخصائص القوة لـ (DFIG)

يتكون (DFIG) من توربينات الرياح ومولد كهربائي حثي ومحول من عاكس الى عاكس، بحيث يوضح الشكل التالي (2) هيكل التحكم في (DFIG)، كما يدرك المحول الجانبي الدوار (RSC) التحكم في فصل القوة النشطة والمتفاعلة للجزء الثابت (DFIG) من خلال ضبط تيار الدوار.

كما يستخدم المحول الجانبي للشبكة (GSC) للتحكم في جهد ناقل التيار المستمر والطاقة التفاعلية، بحيث يتم اعتماد تصميم الحلقة المزدوجة بشكل عام بواسطة نظام التحكم في (RSC)، بحيث تحدد الحلقة الخارجية القيمة المرجعية لتيار الدوار وفقاً للقيم المرجعية لعزم الدوران الكهرومغناطيسي والقدرة التفاعلية، أما الحلقة الداخلية هي حلقة التحكم الحالية، والتي تحسب القيمة المرجعية للجهد وفقاً للتيار المرجعي.

وعندما تدفع طاقة الرياح شفرات توربينات الرياح للدوران؛ فإن القوة الميكانيكية لـ (DFIG) تكون:

حيث (k1) هو معامل الارتباط لتوربينات الرياح، (v) هي سرعة الرياح، أما (Cp) هو معامل استخدام طاقة الرياح، وهناك دالة لنسبة سرعة الطرف (λ)، بحيث يمكن تركيب (Cp) كـ:

حيث يمكن التعبير عن نسبة سرعة الحافة (λ) كـ:

حيث (k2) هو معامل الارتباط لتوربينات الرياح، (ωr) هي سرعة الدوار لـ (DFIG)، ولتحقيق أقصى تحكم في تتبع نقطة القدرة (MPPT)؛ فإنه تم تعيين القيمة المرجعية لسرعة الدوار على أنها السرعة المثلى (ωrop)، كما ويمكن حسابها وفقاً لسرعة الرياح في الوقت الفعلي.

حيث يشير الحرف المرتفع “*” إلى القيمة المرجعية، لذلك؛ فإن الخيار هو النسبة المثلى لسرعة الحافة، وعندما تصل سرعة الدوار (ωr) إلى السرعة المثلى (ωrop)؛ فإنه يمكن الحصول على النسبة المثلى لسرعة الطرف (λopt) ومعامل الاستخدام الأقصى (Cpmax)، وبالتالي التقاط أقصى طاقة الرياح.

كما يوضح الخط المتقطع في الشكل التالي (3) خصائص قدرة (DFIG) وفقاً للمعادلات السابقة، وفي ظل سرعة رياح معينة، تزداد القوة الميكانيكية لـ (DFIG) مبدئياً ثم تتناقص مع زيادة سرعة الدوار، وعندما تصل سرعة الدوار إلى القيمة المثلى، تصل القدرة الميكانيكية إلى القيمة القصوى.

نموذج وخصائص تشغيل (LCC-HVDC)

يتكون (LCC-HVDC) من محطة المعدل ومحطة العاكس وخط نقل التيار المستمر ومرشح التيار المتردد، بحيث يتم استخدام محول ذو (12) نبضة بتبديل خط للتبديل الطبيعي في محطات المعدل والعاكس، كما يتكون المحول من الثايرستور، والذي لا يمكنه إطفاء التيار ويتطلب قدراً كبيراً من الطاقة التفاعلية أثناء التشغيل، كما يتم توفير القدرة التفاعلية بشكل أساسي بواسطة مرشح التيار المتردد.

وفي العمليات العادية، تعتمد محطة المعدل (LCC-HVDC) على تيار مستمر ثابت وأقل تحكم في زاوية إطلاق النار، كما وتتخذ محطة العاكس زاوية التلاشي ثابتة والتحكم في الانحراف الحالي، وعلاوة على ذلك تم تجهيز محطات المعدل والعاكس بمحدد ترتيب التيار المعتمد على الجهد الكهربائي (VDCOL).

كما يمكن التعبير عن التيار المستمر لمعرف (LCC-HVDC) والجهد المستمر لمحطة العاكس (Udi) كـ:

كذلك يمكن التعبير عن التيار المستمر لمعرف (LCC-HVDC) والجهد المستمر لمحطة العاكس (Udi) كـ:

ووفقاً للمعادلة السابقة؛ فإنها مرتبطة بـ (Id ، Ui ، β)، وذلك عندما يزيد المعرف أو تنخفض واجهة المستخدم، بحيث تنخفض (γ) وفقاً لذلك، وبمجرد أن تكون (γ) أقل من زاوية الانقراض الحرجة (γ) دقيقة، يحدث فشل التبديل في العاكس، مما يؤدي إلى انخفاض طاقة التيار الكهربائي المستمر أو انقطاعها.

لذلك، عند اكتشاف انخفاض الجهد في ناقل المحول الكهربائي؛ فإنه يتم تنشيط التحكم الوقائي لفشل التبديل (CFPREV) بشكل عام في محطة العاكس لزيادة زاوية تقدم الإطلاق، وبالتالي زيادة زاوية الانقراض لمحطة العاكس وتقليل احتمال فشل التبديل.