تخفيف تأثير الطاقة المتجددة على شبكات التوزيع الكهربائية المترابطة

أهمية تخفيف تأثير الطاقة المتجددة على شبكات التوزيع الكهربائية المترابطة

ركزت سياسة الحد من انبعاثات الكربون في جميع أنحاء العالم البحث على تطوير وإدماج موارد الطاقة المتجددة (RES)، لذلك من المتوقع زيادة انتشار وحدات التوليد الموزع (DG)، الأمر الذي يتحدى حتماً مبادئ التشغيل التقليدية لشبكات الطاقة، وذلك مع الاختراق العالي لـ (RES) في شبكات التوزيع (DN)، بحيث يمكن أن تؤثر تدفقات الطاقة ثنائية الاتجاه وسيناريوهات الأعطال.

وهي التي تعتمد على الهيكل على ومخطط الحماية، مما يعرض موظفي الصيانة للخطر ويؤدي إلى سوء تشغيل مرحلات التردد الكهربائي والجهد المنخفض أو الزائد، ولهذا السبب يحدد معيار (IEEE 1547-2003) فصل وحدات (RES) عند حدوث أي اضطراب في الشبكة الكهربائية.

كما يتم تقديم (Microgrids -MG) كحل واحد للتخفيف من المشكلات الفنية المتعلقة بالاختراق العالي لوحدات (DG) في شبكات الطاقة، حيث أن (MG) هي منطقة صغيرة لنظام الطاقة الكهربائية تضم وحدات (DG) وأحمال، وهي متصلة بشبكة عند نقطة اقتران مشترك (PCC)، كما ويمكن أن تساهم في الطاقة عند مستوى جهد التوزيع  وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

حيث يتمثل الدور الرئيسي لشركة (MG) في ضمان توفير مصدر طاقة غير منقطع وموثوق وعالي الجودة للمستهلكين، وعلاوة على ذلك، تحقق (MGs) فوائد اقتصادية كبيرة من خلال الاستفادة من تكنولوجيا الحرارة والطاقة المشتركة.

وكما هو معروف بأن (Microgrids) هي شبكة طاقة نشطة صغيرة الحجم تتكون من موارد طاقة متجددة وغير تقليدية بالإضافة إلى أنواع مختلفة من الأحمال الكهربائية، بحيث يمكن أن تعمل (MGs) جنباً إلى جنب مع الشبكة أو يمكن تشغيلها بشكل مستقل (على سبيل المثال، وضع الجزيرة).

وفي الوضع المتصل بالشبكة الكهربائية؛ فإنه يمكنه تبادل الطاقة من جانب المرافق ومن المصادر الموزعة، بحيث يمكن أن تعمل أيضاً في “وضع الجزر” وذلك أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو حدوث عطل في المرافق، وفي هذا السيناريو تقوم (MG) بفصل نفسها على وجه السرعة عن (PCC) بواسطة مفتاح ثابت وتغذية الأحمال ذات الأولوية بشكل مستقل، وبغض النظر عن مزايا (MG)؛ فإنه يجب التركيز على القضايا التقنية الأخرى المتعلقة بحماية (MG) وكياناتها.

كما تم تصميم حماية (DN) الحالية بناءً على تدفق الطاقة الشعاعي بأعلى مستوى من الخطأ، وبالتالي يفشل مخطط الحماية التقليدي في اكتشاف دائرة كهربائية قصيرة والتنسيق بين أجهزة الحماية التي تم تغييرها أو فقدها تماماً، كما يحدث سوء تنسيق أجهزة الحماية في (MGs) التي تحتوي على نوع مختلف من وحدات (RES) مما يؤدي في النهاية إلى زيادة مستويات تيارات الأعطال ويغير مسار الخطأ بسبب تدفقات الطاقة ثنائية الاتجاه.

تحديات تنسيق الحماية الكهربائية في شبكات التوزيع المتكاملة

أدى دمج (MG) في (DN) إلى تحسين موثوقية الشبكة ومرونتها من خلال استخدام التوليد في الموقع من الموارد المتجددة بيئياً وفعالاً من حيث التكلفة، ومع ذلك؛ فإن التكامل المتزايد للمولدات الكهربائية الموزعة والطوبولوجيا الجديدة المضمنة في (MG) من شأنه أن يفرض تحدياً كبيراُ لاستراتيجيات الحماية الحالية، بحيث يتم تسليط الضوء على بعض تحديات الحماية البارزة في (DNs) المتكاملة على النحو التالي:

التغيير في مستويات الخطأ: تقليدياً تم تصميم مخطط الحماية بناءً على أكبر تيار خطأ ونوع الشبكة (الإرسال / التوزيع)، ومع ذلك قد لا يكون نظام الحماية هذا قادرًا على حماية الشبكة المتكاملة مع أنواع وقدرات مختلفة من (RES)، لذلك ينشأ التعقيد بالنسبة لخطة الحماية الحالية لاكتشاف الخطأ في وجود أنواع مختلفة من (RES-DGs) عند التشغيل في أوضاع تشغيل وإيقاف الشبكة الكهربائية.

حماية النقطة العمياء: ينتج عن حقن (DGs) متعدد الأنواع على نطاق واسع تدفق تيار ثنائي الاتجاه في المغذيات، مما أدى إلى العديد من مشكلات الحماية، مثل مصادر التيار الخاطئ الجديدة، مما يزيد من مستويات الخطأ ويقلل من وصول المرحلات الكهربائية، وعلاوة على ذلك تختلف مساهمة تيار العطل بواسطة الشبكة فيما يتعلق بموقع وحجم (DG).

وبالنظر إلى شبكة مع اتصال (DG) في (Bus1) كما هو موضح في الشكل التالي (2)؛ فإنه عندما يحدث خطأ في الطرف البعيد من وحدة التغذية (Bus 2)؛ فإن مرحل المنبع (R1) يتخطى تيار العطل بسبب التقسيم الحالي والتغيير في مقاومة (Thevenin)، وبالتالي؛ فإن هذه الظاهرة تعرض للخطر حساسية الترحيل لمرحل وحدة التغذية (R1)، كما ويطلق على هذا التأثير غير المرغوب فيه حماية التعمية.

التعثر المزعج: يشير وضع الإزعاج أو التعثر الكاذب إلى عملية غير مرغوب فيها ناتجة عن تعثر مرحل وحدة التغذية السليمة للخطأ الذي يحدث في وحدة التغذية المجاورة، وذلك بسبب (RES) المتكامل، بحيث يوضح الشكل التالي (3)، على أنه في حالة حدوث العطل في حافلة مجاورة؛ فإن الجزء الأكبر من الخطأ يتم تغذيته بواسطة (DG) عالي الاختراق، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة تيار التقاط الترحيل المتصل في وحدة التغذية السليمة، وبالتالي؛ فإن الترحيل (R2) يسبق تتابع وحدة التغذية المعيبة (R1) بسبب التغذية العكسية لـ (DG) عند حدوث عطل.

نظام الجزيرة غير المحكم: تعتبر عملية التجزير غير المقصودة من الاعتبارات الهامة الأخرى للحفاظ على موثوقية نظام الطاقة، لذلك إذا استمرت (DGs) المتصلة في (MG) في توصيل الطاقة إلى الحمل بسبب عطل في الشبكة (فقدان التيار الكهربائي)؛ قد يتسبب ذلك في حدوث اختلال في توازن الطاقة والجهد ومشكلات التردد للشبكة إذا ظلت هذه الجزر غير المقصودة غير مكتشفة.

لذلك، من المستحسن تنشيط الحماية المصاحبة لتجنب العمليات غير المرغوب فيها لـ (MG) أثناء وضع الجزر، وعلاوة على ذلك قد يتسبب ذلك في خطر على حياة الخط المسؤول من الذي يتعامل مع الخطأ دون أن يدري أن الدائرة قد تم تنشيطها.

كما تشمل مشكلات تنسيق الحماية الأخرى فشل التسلسل لأجهزة الحماية بسبب فقدان تنسيق الترحيل والإغلاق التلقائي ومشكلات تنسيق الصمامات بسبب تيارات الأعطال التي يتم حقنها بواسطة (DGs)، والتي قد تتلف معدات القياس، وللتخفيف من تحديات الحماية المذكورة أعلاه المتعلقة بقضايا الانتقائية والحساسية؛ فإنه يجب تنفيذ استراتيجية حماية مناسبة وموثوقة من أجل التشغيل المستقر لـ (MG) متكامل مع (DNs).

وأخيراً استعرضت هذه الدراسة استراتيجيات الحماية المقترحة للتخفيف من تأثير تكامل (MGs) على (DNs)، كما تم استكشاف الميزات الأساسية للمرحلات ومراجعات التقنيات المعمول بها للتغلب على فشل الحماية والمزايا وأوجه القصور المرتبطة بها، وبشكل عام يمكن استخدام استراتيجيتين للتغلب على فشل الحماية في الشبكة المتكاملة؛ إما للحفاظ على نظام الحماية الحالي باستخدام معايير الشبكة وتقنيات التحكم أو لتعديل الإعدادات لتحقيق التنسيق المناسب للترحيل.

كما أنه يمكن أن يكون نهج الحماية الكهربائية الكلاسيكي في الاستراتيجية الأولى حلاً اقتصادياً لـ (DNOs)، ومع ذلك قد يؤدي هذا إلى اختراق موثوقية الشبكة الكهربائية، في حين أن مناهج الحماية المعدلة يمكن أن تكون حلاً مكلفاً مع توصيل أنظمة الترحيل المتقدمة، إلا أنها توفر عملية مستقرة للشبكة نفسها.