وحدات التحكم في التدفق ضمن شبكات الطاقة المترابطة

يعد أمن الطاقة أحد أهم العوامل في تطور أي دولة، بحيث يتم إجراء الترابط بين شبكات أنظمة الطاقة المختلفة لخفض السعر الإجمالي لتوليد الطاقة بالإضافة إلى تعزيز موثوقية وأمن إمدادات الطاقة الكهربائية، كما يتم استخدام أنواع مختلفة من تقنيات الترابط، مثل الوصلات البينية للتيار المتردد والتوصيلات البينية للتيار المستمر والتوصيلات البينية المتزامنة وحتى التوصيلات البينية غير المتزامنة.

أهمية وحدات التحكم في التدفق ضمن شبكات الطاقة المترابطة

تم تطوير نظام الطاقة الكهربائية حول العالم كنظام معزول. تم تصميمها لنقل الطاقة الكهربائية من “محطة توليد طاقة مركزية” إلى منطقة شاسعة حمولة موزعة، بحيث كان تدفق الطاقة أحادي الاتجاه من محطة توليد مركزية إلى منطقة واسعة للأحمال الموزعة، أما اليوم تشكل الترابطات بين أنظمة الطاقة الكهربائية المجاورة شبكة طاقة تسمح للمرافق الكهربائية بالعمل بشكل موثوق واقتصادي.

كذلك تسمح الوصلات البينية بالاستفادة من مزيج التوليد المتنوع وأسعار الوقود واستغلال الأحمال المتنوعة الموجودة بين شبكات أنظمة الطاقة المجاورة، لذلك يمكن الآن تلبية الطلب على الكهرباء بسعر أقل ويمكن أيضاً ضمان أمان وموثوقية شبكة نظام الطاقة، وعلاوة على ذلك؛ فإن الربط البيني لشبكات الطاقة الكهربائية يقلل من احتياجات سعة التوليد الاحتياطية في كل نظام.

أيضاً هذا يقلل من الاستثمارات في طاقة التوليد أو على الأقل يؤخر متطلبات إضافة سعة جديدة، وعلاوة على ذلك يساعد تحرير سوق الطاقة الكهربائية أيضاً في ربط شبكات الطاقة الكهربائية، بحيث يسمح بتسويق الطاقة بين مختلف المناطق والبلدان.

تأثير زيادة الطلب على الكهرباء في عملية النمو الاقتصادي

يرجع ارتفاع الطلب على الكهرباء إلى النمو المستمر والسريع للتنمية الاقتصادية، بحيث تعد الزيادة في الطلب على الأحمال الكهربائية وارتفاع مستوى تغلغل الطاقة المتجددة والاستثمارات المحدودة في البنية التحتية للنقل من بعض أسباب متطلبات شبكة ذكية يمكن التحكم فيها، ومن أجل ضمان إمدادات طاقة موثوقة وفعالة من حيث التكلفة؛ فإنه يتم إجراء الوصلات البينية بين الشبكات الكهربائية المجاورة من خلال خطوط الربط.

كذلك يوفر مساراً بديلاً لتدفق الطاقة في حالة الطوارئ، ونتيجة لذلك تنتقل معظم شبكات أنظمة الطاقة عادةً من شبكة نصف قطرية إلى شبكة متداخلة، حيث أن إحدى المشكلات الرئيسية التي تواجهها المرافق هي ضعف التحكم في خطوط الربط بين شبكات أنظمة الطاقة الكهربائية، وفي الوقت الحاضر تمتلك المرافق سيطرة محدودة على تدفق الطاقة عبر خطوط الربط هذه.

وبالإضافة الى ذلك خطوط الربط، والتي تكون عرضة للحمل الزائد والتعثر تحت تأثير الاضطرابات والطوارئ، بحيث يؤدي هذا إلى تغيير اتجاه تدفق الطاقة، أي يصبح تدفق الطاقة عكس متطلبات دعم الشبكة الكهربائية، كذلك يتم زيادة إمكانية التحكم في تدفق الطاقة عبر خطوط النقل دون المساس بموثوقيتها، ويتم تحقيق ذلك عن طريق زيادة استخدام النظام باستخدام أجهزة التحكم في تدفق الطاقة الكهربائية.

تدفق القدرة الكهربائية وأثرها على المفاعلات السعوية

يتناسب تدفق الطاقة في خط النقل عكسًا مع مفاعلة خطه، بحيث تم ممارسة التحكم في تدفق الطاقة باستخدام مفاعلة سعوية متغيرة حثي ومتغيرة في سلسلة مع الخط، كما تعتبر طبيعة خط النقل حثياً يتناقص تدفق الطاقة عن طريق زيادة تفاعل الخط الفعال عن طريق استخدام مغو متصل بالسلسلة بين طرفي الإرسال والاستقبال، وبالمثل يزداد تدفق الطاقة عن طريق تقليل تفاعلات الخط الكلي من خلال مكثف متصل بالسلسلة بين طرفيه.

أيضاً تشمل وحدات التحكم في تدفق الطاقة التقليدية منظم الجهد الكهربائي (VR) ومنظم زاوية الطور (PAR) ومحولات تحويل الطور الكهربائي (PST)، بحيث يستخدم محول ومغيرات ضغط ميكانيكية (LTCs)، ومع ذلك؛ فإن الاستجابة الزمنية لهذا النظام بطيئة.

وفي الآونة الأخيرة، يولي مهندسو المرافق والباحثون اهتمامًاً واسعاً لتقنيات الترابط ووحدات التحكم في تدفق الطاقة بسبب تكوين الشبكات الصغيرة ودمج مصادر الطاقة المتجددة في شبكات المرافق والربط البيني للشبكات الإقليمية، حيث أن هناك حاجة إلى مراجعة تفصيلية لتقنيات الترابط ووحدات التحكم في تدفق الطاقة الكهربائية.

كذلك يمكن تصنيف التوصيلات البينية لشبكات نظام الطاقة على نطاق واسع على أنها ارتباط (AC) ووصلة (DC) أي ارتباط (HVDC)، بحيث يُفضل توصيل التيار المتردد بسبب أسلوبه السائد في التوليد والنقل والتوزيع والاستخدام، لذلك قد تكون هذه الترابطات متزامنة أو غير متزامنة اعتماداً على الموقف ومعلمات التشغيل للشبكات.

وأخيراً يتم وصف طرق الارتباط غير المتزامن وآليات التحكم في تدفق الطاقة بالتفصيل مع مزاياها وعيوبها، كما تمت مناقشة وحدات التحكم في تدفق الطاقة المستخدمة في ارتباط التيار المتردد المتزامن بالتفصيل، بحيث تتم مراجعة أكثر من (400) حالة وتصنيفها إلى فئتين رئيسيتين، مثل وصلات التيار المستمر وتوصيلات التيار المتردد، كما أنه تم تصنيفها أيضاً إلى عدة فئات فرعية كما هو موضح في الشكل التالي.