فوائد إلكترونيات القدرة ومستوى التوزيع لدعم المولدات الكهربائية

من المتوقع أن تكون هناك حاجة لشبكات التوزيع الكهربائية لاستيعاب كميات كبيرة من التوليد الموزع (DG)، بحيث سيتطلب الحفاظ على تدفقات الطاقة والجهود الفولتية في حدودها؛ إما ترقيات تقليدية للبنية التحتية أو تعويض نشط، بحيث يكون شكل التعويض النشط (سلسلة، تحويلة، عاكس إلى عاكس، متعدد الأطراف).

دور إلكترونيات القدرة برفع مستوى التوزيع ودعم المولدات الكهربائية

تواجه شبكات التوزيع تحدياً مزدوجاً، حيث يتم إحراز تقدم نحو إزالة الكربون من إمدادات الطاقة، وذلك من خلال إدخال التوليد الموزع (DG) بالإضافة إلى زيادة في ذروة طلب العملاء مع اعتماد السيارات الكهربائية، كما يؤدي كلا التغيرين إلى زيادة في التيارات الذروة في المغذيات والمحولات بالإضافة إلى انحرافات الجهد غير المرغوب فيها.

كما يصبح التخفيف من هذا الأمر بالطرق التقليدية أكثر صعوبة مع زيادة (DG) والحمل؛ خاصة عندما تحدث تغييرات كبيرة في التحميل والارتفاعات في إخراج (DG) في تتابع سريع على نفس وحدة التغذية، بحيث ستركز هذه الدراسة بشكل خاص على نمو المديرية العامة بدلاً من الزيادات في طلب العملاء، وذلك على الرغم من تقاطع القضايا التشغيلية المحيطة بكليهما.

كذلك يمكن اعتبار الأجهزة القادرة على توفير الطاقة الحقيقية لشبكة التوزيع (في النهاية النقل) بمثابة (DG)، وهذا يشمل المصادر المتجددة، مثل توربينات الرياح أو الخلايا الكهروضوئية، كما ويمكن أن يشمل أيضاً موارد الطاقة الموزعة (DERs)، مثل أجهزة تخزين الطاقة، بحيث سيؤثر اعتماد المركبات الكهربائية الموصولة بالكهرباء بلا شك على ذروة الطلب، ولكن يمكن أيضاً اعتبار كل مركبة على أنها (DER)؛ خاصةً إذا تم اعتماد مخطط من مركبة إلى شبكة.

تطوير البنية التحتية بما يتلاءم مع توزيع المولدات الكهربائية

في المملكة المتحدة، يعد مطورو أو ملاك (DG) بشكل عام أطرافًا منفصلة عن مالكي البنية التحتية. لتجنب المشكلات المذكورة أعلاه المتعلقة بنمو (DG)، بحيث يفضل مشغلو شبكات التوزيع (DNOs) غالباً توصيل (DGs) بجهد أعلى (33 كيلو فولت أو 132 كيلو فولت في المملكة المتحدة)، وذلك لتقليل التأثير على الفولتية.

وفي المقابل يفضل المطورون التوصيل بجهد كهربائي منخفض حيث تكون تكاليف التوصيل والمعدات المرتبطة بها أقل، وتحديداً في المملكة المتحدة؛ فإنه سيكون هذا هو مستوى التوزيع (11) كيلو فولت، بحيث تظهر تأثيرات تثبيت (DG) على الفولتية للشبكة كبيرة، كما يمكن أن يؤدي التعزيز التقليدي مع خطوط السعة العالية ومحولات المحطات الفرعية أو المغذيات الأقصر من المحطات الفرعية الموضوعة بكثافة أعلى إلى حل هذه المشكلات ولكن بتكلفة كبيرة لـ (DNO).

لذلك يكون التحكم النشط في تدفقات الطاقة وجهود الناقل من خلال إلكترونيات القدرة على مستوى التوزيع (PE) ذات الجهد المتوسط (11 كيلو فولت)؛ بديلاً لترقيات البنية التحتية وسيكون محور هذا البحث، بحيث توجد ثروة من المعلومات حول استخدام (PE) لدعم شبكة النقل (الجهد العالي)، كما يشار إلى هذه الأجهزة أحيانًا باسم أنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS) أو القدرة المخصصة، ومن أمثلة شبكات النقل هذه؛ فإنه يمكن إجراء العديد من المقارنات مع التطبيق على شبكات التوزيع.

نمذجة وتطبيق أنواع المعوضات الكهربائية في أنظمة التوزيع

يتم أخذ أنواع المعوضات التالية في الاعتبار، على سبيل المثال المعوضات المتزامنة الثابتة (STATCOM)، (VSCs) ومتتالية (B2B)، كذلك (VSCs) متعددة الطوابق (MT)، إضافة الى المعوضات المتزامنة المتسلسلة الثابتة (SSSC) ووحدات التحكم في تدفق الطاقة الموحدة (UPFC)، كما يعطي الشكل التالي (1) لمحة عامة عن هذه الهياكل، وكل منها مصنوع من ترتيب (VSCs)، كما من المفترض أن (VSCs) قادرة على توفير تيار محكوم مع تلبية معايير ربط الشبكة الكهربائية.

كما يتم نمذجة المعوضات من خلال اعتبارها مصادر تيار خاضعة للرقابة متصلة بعقد الشبكة مع قيود محددة على التيار والجهد في تلك العقدة لتعكس السلوك الفريد لكل معوض، بحي ترد هذه القيود إلى جانب ملخص الميزات والفوائد، وفي الجدول الأول (تشير استعادة ما بعد الخطأ إلى قدرة المعوض على توفير مناطق معزولة من الشبكة).

كذلك ستتم مناقشة المعوضات أيضاً من حيث قدرتها على تبادل القوة الحقيقية (P) والتفاعلية (Q)، والتي تحدد منحنى القدرة (PQ)، بحيث يتم التأكيد على أن هذه المنحنيات تختلف عن تلك المحددة في الدراسات الخاصة بأجهزة (FACTS) المستخدمة في شبكات الإرسال ذات التوصيلات الشبكية الصلبة.

وفي حالة شبكات التوزيع المزودة بمعوضات مثبتة عند نقاط نهاية التغذية؛ فإنه يجب حساب نموذج الشبكة الكهربائية بالكامل من أجل تحديد منحنى القدرة (خاصة بالنسبة للمعوضات من نوع السلسلة)، كما أن الغرض من المنحنيات الموضحة في الجدول الأول هو مقارنة القدرة على شبكة عشوائية والنظر في قيود الجهاز فقط.

طرق الربط الخاصة بتحويلات الوحدات المغذية لشبكات التوزيع

(STATCOM) لها شكل (VSC)، وهو متصل في تحويلة إلى وحدة تغذية، ونظراً لأن كل (STATCOM) مرتبطة فقط بعقدة شبكة واحدة؛ فلا داعي لربط كابل إضافي مثبت بين العقد، بحيث سيؤدي ذلك إلى خفض التكاليف وقيود التخطيط المرتبطة بتثبيت الجهاز مقارنة بالخيارات الأخرى، ولكن موازنة تحميل وحدة التغذية وإعادة الإمداد بعد التعطل غير ممكنين.

كما إن (STATCOM) مقيدة لأنها لا تستطيع تبادل القوة الحقيقية مع الشبكة، لذلك يتم تحقيق المعوضات المتتالية والمتعددة الأطراف مع اثنين أو أكثر من (VSCs) المتصلين عبر وصلة تيار مستمر مشترك، بحيث تسمح هذه الأجهزة بتبادل الطاقة الحقيقي بين الأطراف الأمامية للتيار المتردد بالإضافة إلى دعم الطاقة التفاعلية.

كما يوجد هناك قيود نمذجة الجهاز للمعوضات المتتالية والمتعددة الأطراف تحد من التيار وفقاً لتصنيف الجهاز وتضمن توازناً حقيقياً للطاقة بين جميع (VSCs)، كما وتضع حداً أعلى لجهد الخرج، وهي ناتج الطاقة التفاعلية محدود بسبب قيد الجهد الكهربائي هذا.

كما تستخدم (SSSCs) محولاً متصلاً في سلسلة بين عقدتين شبكيتين لتطبيق جهد متسلسل، وبالتالي التحكم في الممانعة بين هاتين النقطتين والتأثير على تدفقات طاقة الشبكة الكهربائية، بحيث يضيف (UPFC) إلى هذا محول تحويل إضافي متصل عبر رابط تيار مستمر. محكمة أمن الدولة العليا مقيدة بحيث لا يمكنها تبادل أي سلطة حقيقية.

وأخيراً يمكن لعنصر السلسلة في (UPFC) تبادل الطاقة الحقيقية والمتفاعلة بسبب وجود محول التحويل (تم تعيين التصنيف الحالي لمحول التحويل لمطابقة تصنيف محول السلسلة)، كذلك يتم تحديد منحنى قدرة (SSSC) وبدرجة أقل (UPFC) ليس فقط من خلال تصنيفات الجهاز نفسها، ولكن أيضاً من خلال طوبولوجيا الشبكة والقيود ونقطة التشغيل بالإضافة إلى موضع الجهاز (لاحظ منحنى القدرة غير المتماثلة).

كذلك يتم تقييد الفولتية والتيارات التسلسلية لكلا الجهازين وفقاً لنسبة ضغط المحولات التسلسلية (10: 1)، كما تعد إمكانية إحداث تدفقات طاقة أكبر من تصنيف (VSC)، على سبيل المثال، (10) ميجا فولت أمبير تم نقلها باستخدام (1) ميجا فولت أمبير (VSCs)، وهي عبارة عن ميزة أساسية، ولكن مرة أخرى تعتمد القدرة على القيام بذلك على الشبكة الكهربائية والموضع.