التحديات الخاصة بخطط التشغيل الكهربائية

أهمية تحديد القضايا والتحديات الخاصة بخطط التشغيل الكهربائية

بسبب زيادة الطلب على الطاقة الكهربائية، تتجه صناعة قطاع الطاقة نحو توليد الطاقة الكهربائية من خلال مصادر الطاقة المتجددة، حيث أن هذا يتطلب اتصالات متزامنة وغير متزامنة، ومع التطورات الأخيرة في الأجهزة الإلكترونية للطاقة مثل (IGBTs) والثايرستور، أصبحت أنظمة (HVDC) الحل الأبرز لمثل هذه الترابطات.

مما أدى التطور في طرق التحكم لأنظمة (HVDC) القائمة على (VSC) و (MMC) إلى توفير العديد من المزايا مثل نقل الطاقة الكهربائية عبر مسافات طويلة والربط البيني لمحطات طاقة الرياح البحرية والتوصيل البيني لأنظمة التيار المتردد غير المتزامن بأداء أفضل من أنظمة (HVDC) ذات تبديل الخط (LCC)، كما يمكن ربط العديد من مصادر الطاقة عن طريق أنظمة (MTDC) القائمة على (VSC MTDC) و (MMC).

كما يوفر (MTDC) روابط متداخلة بين مصادر الطاقة البرية والبحرية، ومع هذا الترابط يمكن تحسين موثوقية ومرونة أنظمة التيار المتردد والتيار المستمر؛ فقد تم التعرف على (MMC) كأبرز تقنية لنقل الطاقة العالية مقارنة بمستويين (VSCs) وطوبولوجيا المحولات الأخرى.

كما تتضمن بعض الميزات البارزة لـ (MMC) كل من الكفاءة العالية وخفض ضغط (dv / dt) على المفاتيح والنمطية والقابلية للتوسع لتلبية متطلبات الجهد العالي وتحسين (THD) والجهد المنخفض والتوافق مع الأعطال وقدرة منع الأعطال، وبهذه بهذه الميزات أصبحت (MMC) لبنة البناء الأساسية لأنظمة وشبكات (MTDC)،كما يظهر الرسم التخطيطي لـ (MMC) في الشكل التالي (1).

وعلى مدى السنوات الماضية كان هناك اهتمام واسع بمعالجة القضايا والتحديات الفنية لتشغيل ومراقبة وحماية شبكات (MTDC)، كما تم اقتراح حلول متعددة من قبل الباحثين والتي تبين أنه بالمقارنة مع (LCC) ومستويين (VSCs)؛ فإن (MMC) أكثر ملاءمة لأنظمة (MTDC). ومع ذلك لا تزال بعض القضايا والتحديات الفنية ذات الصلة بتكامل شبكات (MTDC) القائمة على (MMC) موجودة.

كما أن الإسهام الرئيسي لهذه المقالة هو تقديم مراجعة شاملة لتلك القضايا والتحديات للتشغيل والتحكم والحماية لشبكات (MTDC) القائمة على (MMC)، وهو بادئ، كما تم توفير تاريخ مفصل لأنظمة (MTDC)، لذلك بعد ذلك تمت مناقشة بعض التحديات العامة المتعلقة بأنظمة (MTDC) بإيجاز، ولاحقاً وفقاً لعنوان الورقة؛ فقد تم توفير تحليل متعمق حول القضايا والتحديات الخاصة بأنظمة التشغيل والتحكم والحماية لأنظمة (MTDC)، وأخيراً تم تقديم بعض التوصيات المستقبلية بناءً على التحليل النقدي.

تطوير الأنظمة الخاصة التي تدعمها مخططات MTDC

دخلت تقنية التيار المستمر في حقبة جديدة بعد اختراع الأجهزة الإلكترونية التي تعمل بالطاقة، وفي أوائل القرن التاسع عشر، أصبح نظام التيار المتردد هو المسيطر بسبب نقل الطاقة الفعال من حيث التكلفة الذي توفره محولات التيار المتردد، كما بدأت أنظمة التيار المستمر في إعادة التشغيل مع تنفيذ وصلة تيار مستمر عالية الجهد بين “جوتلاند” والبر الرئيسي السويدي.

كذلك تم إنجاز هذا المشروع بواسطة (ABB)، وفي الوقت الحاضر هناك أكثر من (180) مشروع (HVDC) قيد التشغيل، كما أن معظمها عبارة عن محطتين، وفي الوقت الحالي لا يتعلق السؤال باختيار التيار المتردد أو التيار المستمر ولكنه يتعلق بأفضل تكامل لكلا النظامين، بحيث يمكن القيام بذلك باستخدام أنظمة (MTDC).

أيضاً يقترح التنفيذ الناجح لـ (HVDC) من نقطة إلى نقطة مفهوم الشبكة الفائقة والذي من المرجح أن يتحقق عبر خطوط (MTDC)، بحيث يوفر الحل الأكثر فعالية من حيث التكلفة والفعالية لربط العديد من محطات التحويل من خلال شبكة التيار المستمر، كما يتم تصنيف أنظمة (MTDC) إلى ثلاث فئات، هي نظام (MTDC) الشعاعي ونظام (MTDC) المتشابك ونظام (MTDC) المتسلسل.

كما يعتمد مستقبل شبكات (MTDC) المتشابكة على محولات (VSCs) التي تكون عبارة عن محولين أو ثلاثة أو محولات متعددة المستويات (MMCs)، بحيث تمتلك المحولات متعددة المستويات العديد من المزايا على محولات ذات مستويين أو ثلاثة مستويات، بحيث يمكن توقع أن مستقبل شبكة (MTDC) يعتمد على هذه التكنولوجيا.

أنظمة (MTDC) القائمة على (LCC): تهيمن أنظمة (HVDC) القائمة على (LCC) على نقل الطاقة لمسافات طويلة والسائبة ولكن مع تحكم محدود في القدرة التفاعلية، كما تم التكليف بالعديد من المشاريع التي تستخدم هذه التكنولوجيا بينما لا يزال البعض قيد الإنشاء، حيث أدت الحاجة إلى الاتصال السريع وتعقيد نظام التحكم وعدم القدرة على تغيير اتجاه التيار إلى فرض قيود على هذه التكنولوجيا للمشاريع المستقبلية.

مثلاً مشروع (HVDC) بين إيطاليا وكورسيكا وسردينيا (SACOI) هو أول ثلاث محطات (HVDC) بسعة إجمالية 300 ميغاوات، كذلك نظام (Qu’ebec-New England LCC-HVDC، وهو أول نظام نقل (HVDC) خماسي المحطات في العالم مع تصنيف طاقة (2000) ميغاوات ومعدل جهد تيار مستمر يبلغ (± 450) كيلو فولت، وهناك مشروع شمال (Agra East UHVDC) هو أول مشروع لوصلة نقل طرفية يعتمد على (LCC) بسعة (6) جيجاوات.

أنظمة (MTDC) القائمة على (VSC) و (MMC): تم استخدام تقنية (VSC) بشكل فعال في نقل (HVDC) من نقطة إلى أخرى منذ أواخر التسعينيات، وفي الوقت الحاضر تم نشر (VSCs) من مستويين وثلاثة مستويات بشكل فعال في أنظمة (MTDC) المختلفة، ومع ذلك أصبحت (MMCs) أكثر شيوعاً نظراً لمرونتها في معالجة مستويات الطاقة العالية دون أي ارتباط مرشح في جانب التيار المتردد.

كما يمكن لتقنية (VSC) و (MMC) معالجة مشكلات الشبكة التقليدية الأخرى، مثل الروابط غير المتزامنة واتصال التيار المتردد الخلفي ودعم جهد النظام والتردد الكهربائي، كما أنها مناسبة لدمج محطات طاقة الرياح البحرية، ونظراً لتأخر تطويرها؛ فإن حصتها في نشر شبكات (MTDC) صغيرة جداً مقارنة بـ (LCC).

كما يتم تطبيق تقنية (MMC) لتحديث نظام (HVDC) القائم على محطة (Nan’o 3) الطرفية (VSC)، والذي يعد أول نظام (HVDC) ذي (5) محطات طرفية في العالم، كذلك المحولات الخمسة التي تم تصنيفها عند (± 200) كيلو فولت في شبكة (Zhoushan DC) متصلة عبر وصلات (HVDC) المعيارية متعددة المستويات لمحول مصدر الجهد (MMC-VSC) لتشكيل شبكة (DC) ذات (5) أطراف.

الآفاق المستقبلية لأنظمة (MTDC): يتم تثبيت العديد من مشاريع (HVDC) في أوروبا والتي تخدم الغرض من نقل الطاقة المتجددة النظيفة عبر الشبكات، كما يوجد في ألمانيا العديد من مشاريع (HVDC) (قيد التشغيل والمخطط لها) والتي تربط طاقة الرياح البحرية بشبكة النقل الخاصة بها، ومع النضج المتزايد في هذه التكنولوجيا، أصبحت الاتصالات الإقليمية ممكنة الآن.

على سبيل المثال؛ هناك بعض مشاريع (HVDC) الأوروبية الإفريقية قيد الدراسة والتي يمكن أن تجلب فوائد الإمكانات الهائلة للطاقة الشمسية في شمال إفريقيا إلى الشبكة الأوروبية، من حيث طوبولوجيا (HVDC)، بحيث قامت الولايات المتحدة بتركيب عدد قليل من مشاريع (HVDC) القائمة على (VSC) بينما تمتلك أوروبا والصين العديد من مشاريع (VSC HVDC).

كما يمكن أن تكون مشاريع (HVDC) القادمة مثل السهول والخط النظيف الشرقي بداية إيجابية لهدف أكبر لشبكة أمريكا الشمالية الفائقة (NAS أو Super Grid) والتي تقترح اتصال (HVDC) من (52) عقدة عبر الولايات الـ (48) السفلى، وعلى مدار القرن الماضي، برزت الصين كرائد عالمي في سوق (HVDC) في البحث والتطوير وكذلك في المشاريع المفوضة.