التردد الكهربائي

ما هو التردد الكهربائي؟

لفهم ما هو المقصود بالتردد وأهميته، نحتاج إلى فهم أمرين مهمين حول توليد الطاقة الكهربائية، بحيث تعمل المولدات عن طريق تحويل الطاقة الحركية (الميكانيكية) للتوربينات الدوارة إلى طاقة كهربائية، وفي المولد الذي يعمل بالبخار مثل تلك الموجودة في محطة (Drax) للطاقة، يقوم البخار عالي الضغط بتشغيل التوربين، والذي يحول الجزء الدوار والمثبت داخل الجزء الثابت، حيث يتم لف الأسلاك النحاسية حول الجزء المتحرك الذي يتم تنشيطه بواسطة الكهرباء، مما يحوله إلى مغناطيس كهربائي بقطبين شمالي وجنوبي.

يتكون الجزء الثابت من قضبان نحاسية كبيرة شديدة التحمل تحيط بالجزء الدوار، فعندما يدور الجزء المتحرك يمر مجاله المغناطيسي عبر القضبان النحاسية، ويحفز تياراً كهربائياً يتم إرساله إلى نظام النقل.

نظراً لأن المجال المغناطيسي له قطب شمالي وجنوبي، فإن القضبان النحاسية تشهد تغير في اتجاه المجال المغناطيسي في كل مرة يدور فيها الدوار، فهذا يجعل التيار الكهربائي يغير اتجاهه مرتين لكل دورة ويسمى التيار المتردد (AC)، كما توجد في الواقع ثلاث مجموعات من القضبان النحاسية في الجزء الثابت، تنتج ثلاثة نواتج أو مراحل كهربائية تسمى الأحمر والأصفر والأزرق.

التردد الكهربائي: هو مقياس معدل هذا التذبذب ويقاس بعدد التغييرات خلال الثانية، كما يسمى أيضاً بالهيرتز (هيرتز)، فإذا افترضنا وجود مولد يعمل بسرعة 3000 دورة في الدقيقة، مع وجود قطبين مغناطيسيين، يقوم بإنتاج الكهرباء بتردد 50 هرتز.

أهمية التردد الكهربائي:

يُعد الحفاظ على التردد الكهربائي ثابت أمراً مهماً؛ لأن الترددات المتعددة (متفاوتة المقادير)، لا يمكن أن تعمل جنباً إلى جنب دون الإضرار بالمعدات، وهذا له آثار خطيرة عند توفير الكهرباء على نطاق وطني.

إن الرقم الدقيق أقل أهمية من الحاجة إلى الحفاظ على استقرار التردد عبر جميع الأنظمة المتصلة في بريطانيا العظمى مثلاً، تردد الشبكة هو 50 هرتز، ولكن في الولايات المتحدة، يبلغ 60 هرتز، أما في اليابان، يعمل النصف الغربي من البلاد عند 60 هرتز، ويعمل النصف الشرقي من البلاد عند 50 هرتز، وهناك سلسلة من محطات الطاقة في جميع أنحاء وسط البلاد، حيث إنها تتحرك صعوداً وهبوطاً على تردد الكهرباء أثناء تدفقها في الشبكة المحلية.

الالتزام بتردد وطني واحد وثابت هو جهد جماعي، تتم مزامنة كل مولد في إنجلترا واسكتلندا وويلز، عندما تكون متصلة بنظام نقل الجهد العالي مع كل مولد آخر، أما عندما يكون ناتج أي من المراحل الثلاث، (الأحمر أو الأصفر أو الأزرق) في ذروته، يكون الناتج من جميع المراحل الأخرى من نفس اللون في كل وحدة توليد أخرى في بريطانيا العظمى أيضاً ويكون في ذروته، حيث يتم إغلاقها جميعاً معاً وبشكل متزامن؛ وذلك لتشكيل مصدر واحد متجانس يوفر الاستقرار والجودة المضمونة.

كيف يتم إدارة التردد؟

تكمن المشكلة في أنه قد يكون من الصعب التحكم في التردد، وخاصةً إذا لم تتطابق الكمية الدقيقة للكهرباء المستخدمة مع التوليد، فقد يؤثر ذلك على تواتر الكهرباء على الشبكة.

على سبيل المثال، إذا كان هناك طلب على الكهرباء أكثر من العرض، عندها سينخفض ​​التكرار، لكن إذا كان هناك الكثير من العرض، فإن التردد سيرتفع لجعل الأمور أكثر حساسية، فهناك هامش خطأ ضئيل للغاية، وفي بريطانيا العظمى قد يؤدي أي شيء يزيد أو يقل بنسبة 1٪ فقط عن معيار 50 هرتز، إلى إتلاف المعدات والبنية التحتية.

تقع إدارة التردد الكهربائي على عاتق مشغل نظام نقل الجهد العالي في الدولة، فمثلاً (الشبكة الوطنية في المملكة المتحدة)، يمكن لهذه لشبكة توجيه مولدات الطاقة مثل (Drax)؛ وذلك لجعل وحدات التوليد الخاصة بهم تستجيب تلقائياً للتغيرات في التردد، أما إذا ارتفع التردد، فإن التوربين يقلل من تدفق البخار، لكن إذا قل التردد سيزداد تدفق البخار، ويتغير الناتج الكهربائي، لكن هذا التغيير الذي يجب أن يحدث في ثوان أو أجزاء منها.

في حالة وحدات التوليد في (Drax Power Station)، تبدأ الاستجابة بأقل من ثانية من انحراف التردد الأولي، حيث تساعد قوى القصور الذاتي في مولد الدوران على إبطاء معدل تغيير التردد، حيث تعمل مثلها مثل المخمدات في نظام تعليق السيارة، مما يقلل من تقلبات التردد الكبيرة.

التردد على النظام سريع التغير:

ليست كل تقنيات توليد الطاقة مناسبة لتوفير أدوار استجابة عالية الجودة للترددات، ومع انتقال المملكة المتحدة إلى اقتصاد منخفض الكربون، أصبحت الخدمات المساعدة مثل تثبيت التردد أكثر أهمية.

كذلك الأمر لا يمكن التحكم في الطاقة الشمسية ولا الرياح بسهولة ممتنعة، ولكن من الممكن تنظيم خارج الرياح لأسفل، أو كبح توربينات الرياح لتمكين استجابة التردد الصاعد عندما يكون هناك رياح كافية.

وبالمثل، يمكن تشغيل وإيقاف الألواح الشمسية لمحاكاة استجابة التردد، وذلك نظراً لأن مزارع الطاقة الشمسية منتشرة على نطاق واسع، وتميل إلى أن تكون مدمجة، بمعنى أنها تعمل خارج النظام الوطني، فليس من السهل على الشبكة الوطنية توجيهها ومراقبتها، طبعاً اذا ما تحدثنا عن الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة المحلية، تعتبر كل من طاقة الرياح والطاقة الشمسية بأنهما ليس لهما قصور ذاتي، لذا فإن تأثير التخميد المهم للغاية مفقود أيضاً في هذه الأنظمة، قد يكون استخدام تقنيات توليد الطاقة المتقطعة أو المعتمدة على الطقس للمساعدة في إدارة التردد مكلفه للغاية مقارنةً بمحطات الطاقة الحرارية.

كما أن الأسطول الحالي من المفاعلات النووية لا يعتبر مرناً، فقد تم تصميم المفاعلات النووية في بريطانيا العظمى للعمل بشكل مستمر بأحمال عالية (المعروفة باسم طاقة التحميل الأساسي)، على الرغم من أنها لا تستطيع تقديم خدمات الاستجابة للترددات، إلا أن محطات الطاقة النووية في البلاد توفر القصور الذاتي.

أسرع بعشرين مرة:

تُعد تقنيات توليد الطاقة الحرارية مثل الكتلة الحيوية المتجددة أو الوقود الأحفوري، مثل: الفحم والغاز مثالية لخدمات الاستجابة للترددات على نطاق واسع، لأنه يمكن الاتصال بها بسهولة لأعلى أو لأسفل؛ ونظراً لأن كل من إمداد الوقود للغلايات والبخار داخل التوربينات الخاصة يمكن تنظيمه، فإن وحدات الطاقة الحرارية بقدرة 645 ميجا وات في (Drax)، لديها القدرة على الاستجابة لاحتياجات الشبكة في أقل من نصف ثانية أو أقل ذلك، وإكمال تغييرها في الإنتاج في أقل من ثانية واحدة والمحافظة على استجابتها لعدة دقائق أو حتى ساعات.

قبل إدخال كميات كبيرة من توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية، يمكن أن توفر جميع المولدات تقريباً (باستثناء الطاقة النووية)، والتي تعمل على النظام استجابة ترددية؛ وذلك نظراً لاستبدال هذه المولدات بشكل متزايد بتقنيات متقطعة، لذا يجب على مشغل النظام البحث عن خدمات جديدة من أجل الحفاظ على استقرار النظام.

ومن الأمثلة على ذلك مناقصة الاستجابة للترددات المحسّنة التي طرحتها شركة (National Grid)، والتي طلبت حلاً يمكن أن يوفر استقراراً للتردد في أقل من ثانية بعشرين مرة أسرع من الاستجابة الأولية، والتي توفرها محطات الطاقة الحرارية الحالية، كانت (Drax) محطة الطاقة الحرارية الوحيدة المشاركة في هذه المناقصة، ولكن وفي جميع العقود فازت بها مشاريع تخزين البطاريات.

التردد في المستقبل:

نظراً للانخفاض في توليد الوقود الأحفوري، وعدم اليقين بشأن تكوين قوتنا في العقود المقبلة، تقدم (National Grid) الاستشارات حول أفضل السبل لتوفير الخدمات مثل استجابة التردد، كما أن السيناريو المثالي للشبكة الوطنية هو السيناريو الذي يمكن فيه الحصول على الخدمات بشكل متزايد من أشكال موثوقة ومرنة وبأسعار معقولة؛ لتوليد الكربون المنخفض أو الاستجابة للطلب.

يمكن للجيل القادم من محطات الطاقة النووية، كما هو الحال مع بعض محطات الطاقة العاملة بالفعل في فرنسا، توفير خدمات الاستجابة للترددات مع ذلك، فإن أول محصول جديد (Hinkley C)، على بعد حوالي عقد من العمل وبالمثل، ستوفر الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح جنباً لجنب مع البطارية أو الملح المصهور أو تخزين دولاب الموازنة مستوى متزايداً من مرونة في العقود القادمة مع انخفاض تكاليف التخزين.

وبفضل توليد الطاقة في(Drax) باستخدام كريات الخشب المضغوط، وهو شكل من أشكال الكتلة الحيوية المستدامة، بدأت بريطانيا بالفعل في الانتقال إلى عصر يمكن أن تبدأ فيه استجابة تردد الكربون المنخفض، في تشكيل الأساس لنظام أكثر موثوقية وأنظف.