التقدم المحرز في المرحلة الثانوية (hvdc) تحويل إلى توزيع الطاقة المتسم بالكفاءة

وقد تطور انتقال مباشر عالي التطوير من تكنولوجيا النيتشير إلى حجر الزاوية في البنية التحتية الحديثة للطاقة، حيث تسارع العالم تحوله إلى الطاقة المتجددة، وتسعى إلى ربط شبكات الطاقة عبر مسافات شاسعة، وتوفر شركة HVDC حلاً يتسم بالكفاءة الفريدة، وخلافاً لنظم التناوب التقليدية الحالية، تقلل شركة HVDC خسائر الطاقة إلى حد بعيد عن خطوط الانتقال الطويلة، وتثبط عمليات الشبكة، وتسمح بدمج الموارد المتجددة البعيدة.

وتقدم هذه المادة استعراضا شاملا لبث البيانات الفوقية الرقمية، وتشرح مبادئها التشغيلية، والعناصر الرئيسية التي تجعلها تعمل، وأهم التطورات الأخيرة، كما أنها تدرس الفوائد العملية، والتطبيقات في العالم الحقيقي، والبحوث الجارية التي تعد بإعادة تشكيل كيفية نقل الكهرباء في أنحاء العالم.

ما هو "إتش في دي" لنقل؟

وينقل انتقال الفيروس من الأم إلى ديوكسينات الطاقة الكهربائية باستخدام التيار المباشر في البروتات تتراوح عادة بين 100 كيلوفولت و 800 كيلوفولط، حيث تصل بعض الخطوط التجريبية إلى 100 1 كيلوفولت - ف. وعلى عكس التيار الذي يهيمن على معظم الشبكات الوطنية، ويوجه التدفقات الحالية في اتجاه واحد، ويلغي فقدان القدرة الاستباقية والقيود المتصلة بالمراحل التي تحد من قدرة خط ثاني أكسيد الكربون على المسافات الطويلة، ونتيجة لذلك، يمكن أن تنقل شركة HVDC نفس كمية القوة الضيقة.

وقد اعتُبر المركز، تاريخيا، حلاً متخصصاً لمعابر الكابلات المغمورة أو للربط بين الشبكات المتناثرة، حيث استخدمت النظم المبكرة صمامات الزئبق وتحولات الأنهار الجليدية لاحقاً، ولكن هذه الشبكات كانت مسوّقة، ووفرت مرونة محدودة في التحكم، وحدثت نقطة تحول مع تطوير محولات مصادر فولت، مما أدى إلى ضعف القدرة على التحكم بصورة مستقلة في شبكات التدفق غير النشطة والتفاعلية، وقدرات النقل الصارخة.

كيف تعمل نظم الـ "إتش دي سي"

المبادئ الأساسية

وفي حلقة اتصال بين شركة HVDC، تتحول الكهرباء من شركة AC إلى العاصمة في نهاية الإرسال، وتنتقل عبر خطوط عامة أو كابلات، ثم تتحول إلى شركة AC في نهاية الاستلام، وتتم عملية التحويل بواسطة محطات تحويل تستخدم أجهزة إلكترونية للطاقة - وأعصاب في المحولات ذات النقاط الثابتة، أو أجهزة تحويل ثنائية القطب مصممة بشكل كامل.

العناصر الرئيسية لنظام تحديد المواقع

ويتألف تركيب أجهزة التردد العالي التحلل من عدة نظم فرعية حاسمة الأهمية:

• Converter stations] – Houses the valves, transformers, filters, and control systems. These are the most expensive components and typically account for 40 -60% of total project cost.
• DC transmission lines] – Overhead conductors or underground/submarine cables. Overhead lines use two conductors (bipolar) or one conductor with ground return (monopolar).
• Electrodes and ground return] - In monopolar formations, the earth or sea serves as the return path, requiring electrodes that can handle high currents without corrosion or environmental impact.
• AC filters and reactive power compensation] - LCC systems require large filters to absorb harmonics and supply reactive power. VSC systems can provide reactive power control natively, reducing filter requirements.
• نظم المراقبة والحماية - الرصد والتواصل في الوقت الحقيقي بين المحطات لإدارة تدفق الطاقة، وكشف الأخطاء، واستعادة النظام.

شركة " مراسلون " (LCC) ضد شركة فولتاج للمصادر

وتتمتع كل من هاتين التقنيتين الرئيسيتين للمحولين بخصائص متميزة تناسب التطبيقات المختلفة:

• LCC (Tyristor-based): ] Mature, high-capacity (up to 8 GW per link), and low-loss. However, LCC requires a strong AC grid to operate -- it cannot start into a dead network (no black-start capacity) and consumes reactive power center, it is ideal for very high power, point-to-points bulk
• () VSC (IGBT-based): ] Offers independent control of active and reactive power, can supply an isolated AC network, and supports multi-terminal formations almost like a DC transformer. Losses are slightly higher than LCC (about 1% per converter station vs. 0.8 perMC for LCC), but newer press-pack IGBTs and mo

يمثل المحوّل المتعدد المستويات النموذجي الذي استحدث في أواخر العقد الأول من القرن الماضي أحدث الطبقات الطبوغرافية VSC، وهو يستخدم مئات من الندوات الفرعية الخاضعة للرقابة الفردية التي تستوعب تركيبة مركبة شبه موسوعة للمركبات AC، مما يقلل بدرجة كبيرة من المحتوى المتناسق ومتطلبات التسمية، وتعمل نظم البيوتادايين السداسي الكلور التي تتخذ من لجنة الرصد والتحقق والتفتيش مقرا لها حاليا على مستوى 320 كيلو فولت وما فوقها، مع وجود قدرات تتجاوز 2 جي واطا.

التطورات التكنولوجية الأخيرة

وقد تسارعت وتيرة الابتكار في مجال التنمية البشرية على مدى السنوات الخمس عشرة الماضية، مدفوعة بالطلب على القدرات الأكبر، والمسافات الطويلة، والتكامل الأذكى للشبكات، وهي أهم التطورات التحويلية.

المترجمون الشفويون المصدر والمترجمون المتعددو المستويات

وقد كان التحول من مستوى ثنائيات الفينيل متعدد المستويات إلى محولات متعددة المستويات بمثابة قفزة إلى الأمام، كما أن أفضليات الحركة تخفض الخسائر في التحول، وتحسن مطابقة الفولط، وتتيح البناء القابل للتكرار، كما أن المصانع مثل مركب ABB (والآن هيتاشي للطاقة)، وطاقة سيمينز، وحلول غريد قد قامت أيضاً بتسويق نظم MMC ذات معدلات حرجة تصل إلى 000 1 ميغاواط.

مواد العزل المتقدمة

1- إن العزل القابل للتداول هو عامل يحد من تطبيقات شركة HVDC، ولا سيما بالنسبة للمنشآت الجوفية والغواصة، وتظهر الكابلات التقليدية المتعددة الوصلة التي تستخدم في نقل الأكسيدات، أداء ضعيف في إطار الحقول الكهربائية في العاصمة بسبب تراكم رسوم الفضاء، وتسمح المواد الجديدة، بما في ذلك مركبات غير مجهزة بالأشعة السينية المعدلة وأجهزة الإرسال الحراري، بأن تكون كثافة شحن فضائية أقل بكثير وقوام انقسام أعلى من حيث إنهيارها.

S Superconducting DC Cables

ومع أن هذه المواد لا تزال في مرحلة البحث والتجربة، فإن الإفراط في إنتاج الكابلات ذات القيمة العالية تتيح إمكانية تأويل الخسائر غير المقاومة، ومع ذلك فإن المواد ذات التخصيب العالي التمرين، مثل أشرطة " ريبوك " ، يمكن أن تحمل كثافتاً هائلة عندما تبرد بالنيتروجين السائلي، وفي عام 2022، أظهر مشروع " إم بي إي إم بي أي " في ألمانيا وجود كابل من طراز HVN HTS على طوله، وهو 10 كيلو متر، وهو 30،

التوائم الرقمية والتحكم في المواد الآي-القاعدة

وتولد نظم HVDC الحديثة كميات كبيرة من البيانات التشغيلية، وتخلق التكنولوجيا الرقمية المزدوجة نسخة افتراضية في الوقت الحقيقي من محطة المحولات وخط النقل، مما يتيح الصيانة التنبؤية، وتحليل الأخطاء، وتحقيق تدفق الطاقة على الوجه الأمثل، ويجري تدريب خوارزميات التعلم الآتي على كشف أنماط التصريف الجزئية في تركيب المحولات، وتركيب الصمامات المحولة، وتعديل مستويات التدفق الحرفي لتقليل الخسائر من خط الألف - ألفا.

Multi-Terminal and DC Grid Technologies

وقد كانت شبكات شركة " سي دي سي " التجارية - التي يوجد فيها محولان متعددان وخطوط متشابكة - هدفا بحثيا قديما، وقد حقق أول مشروع تجاري متعدد الأجل في شركة " سيف دي سي " ، وهو نظام نانايو متعدد الأجل للتعاون التقني في الصين (2013)، ثلاثة مزارع ريحية بحرية إلى البر الرئيسي عن طريق تشكيلة ثلاثية الأجل، ومنذ ذلك الحين، ظهرت شبكة " زانغبي " في الصين (20).

فوائد النظم الحديثة للتعاون التقني فيما بين البلدان النامية

وتترجم التحسينات التقنية المذكورة أعلاه إلى مزايا ملموسة لمشغلي الشبكات، ومطوري الطاقة المتجددة، والمجتمع ككل.

انخفاض فقدان الانبعاثات

أما بالنسبة للمسافات التي تتجاوز حوالي ٦٠٠ كم بالنسبة للخطوط العامة و ٥٠ كيلومترا بالنسبة للكابلات، فإن شركة HVDC تعاني من خسائر أقل من ما يعادلها من انتقال AC، حيث أن خطا نموذجيا من طراز HVDC يفقد حوالي ٣ في المائة لكل ٠٠٠ ١ كيلومتر، بالمقارنة ب ٥-٦ في المائة بالنسبة لخط HVAC من نفس المسافة، كما أن عدم وجود تدفق للطاقة التفاعلية يعني أن قدرة خط البحر بكاملها يمكن أن تستخدم في خسائر حقيقية.

Enhanced Grid Stability

ويمكن أن توفر نظم البيوتادايين السداسي الكلور القائمة على أساس الترددات والدعم الفولط لشبكات الضغط الضعيفة، ويمكنها أن تحقن أو تستوعب الطاقة الاستباقية بصورة دينامية، وتساعد على تطهير الأورام وتحسين الاستقرار العابر، وفي سياق زيادة التغلغل المتجدد، تعمل وصلات HVDC " كطرق سريعة للطاقة " يمكن أن تخفف من التقلبات - يمكن تسليم الطاقة الريحية من بحر الشمال إلى أوروبا القارية بأقل قدر ممكن من التخفيض.

وفورات في التكاليف لمشاريع طويلة الأجل ومشاريع غواصة

وفي حين أن محطات تحويلات شركة HVDC هي أكثر تكلفة من محطات شركة AC الفرعية، فإن الوفورات في مواد خط النقل، وحيازة حق الدخول، ومعدات التعويض تجعل شركة HVDC أرخص لمسافات طويلة، وتبلغ نقطة الكسر العادية 400-600 كيلومتر للخطوط العامة و30 إلى 50 كيلومترا للكابلات المغمورة، أما بالنسبة لمراكز البناء تحت الأرض وشبه البحرية فتقدر تكاليفها بمبلغ 200 1 كيلو متر مقابل الخيار الوحيد الممكن.

المنافع البيئية والتخطيطية

وتتطلب خطوط نقل المواد الخطرة HVDC ممرات أضيق - غالبا ما تكون 20-30 مترا لخط ثنائي القطب مقابل 50 إلى 60 مترا لتصليحات مكافئة لمركبات الكربون المفلورة المنخفضة، كما أن عدم وجود ضوضاء لتصريف الكارونا يقلل أيضا من المعارضة من المجتمعات المحلية، كما أن الكابلات المغمورة المدفونة في قاع البحار لها أثر بصري لا يذكر، وعلاوة على ذلك، لأن هذه المركبات يمكن أن تدمج موارد متجددة عن بعد، مما يقلل من الحاجة إلى محطات توليد الطاقة الأحفورية جديدة.

التمكين من الاندماج

وتعتمد مزارع الرياح البحرية على شبكة VSC-HVDC للوصلات التي تتجاوز 80 إلى 100 كيلومتر، كما أن منابر حديثة تعمل في الخارج على سداسي الكلور، مثل تلك التي تستخدم في مزرعة ويند بنك دوغر (3.6 غيغاواط، قيد التشييد) وفي إطار مشروع تينيت 2 غيغاواط، يمكن أن تنقل الطاقة بكفاءة على مسافة 300 كيلومتر، وبالمثل، فإن مزارع الرياح البحرية العائمة في المياه العميقة ستتوقف على انتقال الطاقة الصحراوية إلى مسافات تتجاوز 150 كيلومترا.

طلبات نقل المركبات الخطرة

Long-Distance Bulk Power Transfer

وينقل التطبيق الكلاسيكي للشركة الكثيفة الكثيفة من محطات توليد الطاقة المائية البعيدة أو المصانع الحرارية إلى مراكز التحميل البعيدة، ومن الأمثلة على ذلك سد إيتايبو في البرازيل (وصلتان من طراز إيتيزو ب600 كيلوفولط أمبير، و6.3 جي، و6.3 غيغاوات)، وخط سيانغجيبا - شانغايي 800 كيلو في الصين (7.2 جي و1.9 كيلومتر)، ونظام ريو ماديرا.

الترابط بين المحاجين المتناثرين

والشبكة هي الطريقة الوحيدة لربط شبكات AC التي تعمل في ترددات مختلفة (50 Hz vs 60 Hz) أو لا تتزامن مع ذلك، وتشمل الموصلات الرئيسية خط الـ 400 1 ميغاواط بين فرنسا وإسبانيا عبر البيرينيز، و 000 2 ميغاواط نوردلينك بين النرويج وألمانيا، و 000 1 ميغاواط من الوصلات المتجددة بين أستراليا الرئيسية وتسمانيا، وهي تُحسن أمن الإمدادات.

Offshore Wind Power Transmission

ومع انتقال مزارع الرياح البحرية بعيدا عن الشاطئ، يصبح مركز تنمية الحواض البشرية أساسيا، وكانت أول وصلة واسعة النطاق بين VSC وHVDC من أجل الرياح البحرية هي 400 ميغاواط بوروين1 في بحر الشمال الألماني (عمليا 2009)، واليوم، فإن منابر مثل 900 ميغاواط و2.6 ميغاواط ومصرف دوغر يستخدم 320-525 كيلو فولت في محطة التوليد المتطورة.

وسط المدينة

وهناك مدن كبيرة كثيرة محدودة في مجال خطوط التكتل الجديدة، ويمكن دفن كابلات HVDC أو الغواصة لجلب الطاقة إلى مناطق العاصمة دون ضوء بصري، وتستخدم جميع أجهزة التفكيك الأرضية أو شبه البحرية التي تبلغ 400 ميغاواط في سان فرانسيسكو، و 000 1 ميغاسترلينكين في السويد، ووصلة الـ 800 MW INELFE بين فرنسا وإسبانيا، في إيصال الطاقة مباشرة إلى المناطق الحضرية.

التحديات والحدود

ورغم مزاياها، تواجه اللجنة تحديات عملية عديدة:

• High converter cost:] Converter stations remain expensive (approximately $150-200 million per GW for VSC). Economies of scale and standardization are helping, but per-kW costs are still higher than AC substations.
• DC circuit breakers:] True DC grid protection requires breakers that can interrupt high current without a natural zero crossing. While hybrid breakers exist, they are costly and not yet proven at very high voltages (800 kV+).
• Space charge in cables:] At voltages above 320 kV, XLPE insulation can accumulate space charge that reduces breakdown strength. This has limited extruded cable voltages to 525 kV, while LCC cables using oil-paper insulation can go to 800 kV but require more maintenance.
• Power quality issues:] LCC converters generate harmonics that require large filters, and even MMC systems produce some high-frequency emissions that can cause electromagnetic interference.
• Skill and supply chain constraints:] HVDC projects require specialized engineering expertise, and the supply of key components (IGBT modules, converter transformers, DC breakers) is concentrated among a few manufacturers.

المشاريع العالمية البارزة للتعاون التقني فيما بين البلدان النامية

شبكة البلدان النامية في الصين

إن الصين لديها أكبر أسطول عالمي من وصلات شركة HVDC، بما في ذلك شبكة V و100 1 كيلو فولط، وهي شركة تشانغجي - غوكون 100 1 كيلوفولت، التي تم تكليفها في عام 2019، تمتد إلى 291 3 كيلومترا، وتبث 12 كيلوواط - بما يكفي لتوليد الطاقة الكهربائية لنحو 50 مليون منزل، وهذه خطوط شركة UHV DC هي محورية لاستراتيجية الصين المتعلقة بنقل الطاقة الكهربائية والهيدرائية من الساحل الشرقي.

منطقة شمال البحر الأبيض المتوسط

ويتوخى هذا المشروع، الذي يُخطط له كمركز متعدد الأوجه للبيوتادايين السداسي الكلور، " جزيرة الطاقة " الاصطناعية في بحر الشمال التي تجمع طاقة الرياح وتوزعها عبر كابلات البيوتادايين السداسي الكلور على المملكة المتحدة وألمانيا وهولندا والنرويج، وإذا ما تبين ذلك، فإنه سيظهر شبكة حقيقية من البلدان النامية تتقاسم الطاقة وتكرارها.

إنليف )فرنسا - اسبانيا(

ويستخدم مشروع " شبكة المعلومات الوطنية " الذي يبلغ 000 2 ميغاواط وصلتين متوازيتين من طراز VSC-HVDC في 320 كيلوفولط، مدفونتين على طول مسافة 64 كيلومتراً تحت جبال بيرينيس، ويحسن القدرة على الصمود عبر الحدود والقدرة على الصمود على الشبكة، مع القدرة على توفير الدعم من البداية السوداء.

اتحاد الشتاء الأطلسي (مقترح)

وفي الولايات المتحدة، سيكون اتحاد الرياح الأطلسي البالغ 000 1 ميغاواط العمود الفقري من منطقة المحيط الهادئ هو العمود الفقري لشبكة الحفريات المتجمدة الجنوبية الذي يربط بين مزارع متعددة من الريح قبالة الساحل الأطلسي الأوسط، ورغم تأخر هذا المفهوم، فإنه يظل نموذجا لتطوير الشبكة الخارجية في المستقبل.

التوقعات المستقبلية

وهناك عدة اتجاهات وبحوث تبشر بزيادة تقدم شركة HVDC، ويمكن أن تؤدي عمليات الاستنساخ فوق الكابلات ذات السعة العالية جدا، إذا ما تم تسويقها، إلى القضاء على الخسائر المقاومة تماما، مما يتيح الانتقال دون كلل إلى آلاف الكيلومترات، ومن المتوقع أن تنتشر شبكات البلدان النامية المتعددة الأطقم، مع خطة المفوضية الأوروبية " شبكات الطاقة الأوروبية " التي تدعو إلى زيادة إنتاج الكابلات في عموم البلدان النامية الأوروبية.

ومع توسع الطاقة المتجددة وتزايد الحاجة إلى الانتقال من الكهرباء إلى مسافة بعيدة، فإن شركة HVDC مستعدة لتصبح لبنة أساسية من لبنات نظام الطاقة العالمي، وسيشكل استمرار التعاون بين المرافق والمصنّعين ومؤسسات البحوث والمنظمين أمرا أساسيا للتغلب على ما تبقى من حواجز في التكاليف والحواجز التقنية، ولكن المسار واضح: ستكون شركة HVDC في قلب التحول في الطاقة النظيفة، حيث ستربط بين موارد الطاقة الريحية والطاقة الشمسية والموثوقية وبين الموارد المائية غير المسبوقة في العالم.