Table of Contents
فهم قدرة تدفق النفايات في نظم الطاقة الحديثة
إن استقرار تدفق الكهرباء هو حجر الزاوية في توفير الكهرباء الموثوق به، وهو يصف قدرة نظام الطاقة على الحفاظ على حجم ثابت من الفولط والزوايا التدريجية في جميع الحافلات في ظروف التشغيل العادية وبعد أن يتعرض استقرار تدفق الحمولة للخطر، وانهيار الفولط، وضرر المعدات، واتساع نطاق التقلبات، ومنظومات الطاقة التقليدية التي تقام حول مولدات متزامنة ذات إنتاج عال من الفلول، غير المتغيرة من الناحية الطبيعية.
To grasp the full impact, one must first distinguish between the three main categories of power system stability defined by the IEE and CIGRE standards: rotor angle stability, frequency stability, and voltage stability.
ويضمن تدفق حمولة ثابت أن تكون الطاقة المتولدة مطابقة للحمولة بالإضافة إلى الخسائر في جميع الأوقات، مع وجود فولت داخل الحدود التنظيمية (المعدلات العادية للتدفقات الحمولة - مجموعة من المعادلات غير الخطية - التي تحكم هذا التوازن، ويحقن ارتفاع التغلغل في الفل الفولطيسي الشمسي عدم اليقين في هذه المعادلات، حيث يصبح الجيل وظيفة من وظائف الطقس بدلا من إرسال الأوامر.
التحديات التي ينطوي عليها ارتفاع معدل التحلل الحرفي
ويطرح إدماج كميات كبيرة من الطاقة الشمسية مجموعة من التحديات التقنية التي يمكن أن تتدهور استقرار تدفق الحمولة إذا لم تدار بعناية، وينشأ كل تحد من الخصائص الأساسية لنظم الطاقة الفلكية: اعتمادها على ضوء الشمس، والتفاعل بين الطاقة الكهربائية والكهربائية (المترجمين الشفويين)، وعدم وجود كتلة تناوب تقليدية.
التقلبات في المذاهب ومناسبات الرماية
ويمكن أن يتغير إنتاج الفولط الشمسي بسرعة بسبب تجاوز الغيوم، حيث تتجاوز معدلات السحب 50 في المائة من القدرة المقيسة في غضون دقائق، وتتسبب هذه التقلبات في تقلبات ذاتية في نقطة الانقلاب المشترك، وفي مغذي توزيع ذي تغلغل كبير في الفول، يمكن أن يؤدي تطور الفولط إلى ارتفاع في منتصف اليوم، وترتفع الفولط إلى ما يقرب من نهاية جهاز التوليد بدلاً من الانقطاع، بسبب التدفق العكسي.
Under high-penetration scenarios, voltage regulators that traditionally expected a unidirectional power flow struggle to respond fast enough. The result is that steady-state voltage limits (e.g., ANSI C84.1 Range A) are violated more frequently, and the system margin to voltage collapsees. A NREL study on high PVTration penetration[1]tomet mitigation
Reverse Power Flows and Protection Coordination
وعندما يتجاوز توليد الطاقة الشمسية الحمولة المحلية، يتدفق الطاقة إلى الخلف من خلال محول التوزيع الفرعي وإلى شبكة النقل، وهذا التدفق العكسي يعقّد خطط الحماية المصممة لنظم الطاقة غير الموجهة التي تُستخدم في المناطق المتطرفة، والتي قد تُضلل أو تُفقد فيها الصمامات أو تفشل في كشف الأخطاء عندما تغيب المساهمة الحالية من نظام PV (حيث تُحدّد المحاورات من حيث يتراوح الوقت الحالي إلى 1.2 وحدة من جهة التنسيق).
كما أن تدفق الطاقة العكسي يدفع متعهدي نظم نقل الطاقة إلى إدارة جيل غير مُحدد، مما قد يؤدي إلى تحميل خطوط نقل غير مصممة للتدفقات الثنائية الاتجاه، مما يؤدي إلى انخفاض القدرة المتاحة على النقل بين المناطق، مما يقيد الإرسال الاقتصادي للمولدات التقليدية والمتجددة على السواء.
انخفاض معدل الإصابة بالمرض
ومن أكثر الآثار التي تطرق إليها ارتفاع معدل تغلغل الطاقة الشمسية انخفاضا في معدلات الإصابة بالتوتر الكلي، حيث إن هذه الظاهرة، التي توفرها الكتلة الدوارة من المولدات المتزامنة، تقاوم التغيرات في الترددات بعد حدوث حالة طوارئ (مثل فقدان مولد كبير) وتتجاوز شبكات الطاقة الشمسية التي تتواصل عبر أجهزة التكفير الترددي دون حدوث تغيرات في الأوجية أو سرعة.
فعلى سبيل المثال، كان انقطاع الكهرباء في جنوب أستراليا في عام 2016 متسرعاً بسبب فقدان خطوط البث خلال العاصفة، تليه التفكك السريع في تسع مزارع رياحية - ولكن المنطقة أيضاً كان لديها أكثر من 800 ميغاواط من أسطح الشمس التي لم تقدم دعماً غير مباشر، والدرس واضح: يجب أن يكون التغلغل في الفل الفلنيوي العالي مصحوباً بآليات للاستبدال أو أن يصبح النظام متقلباً.
Distortion and Power Quality
فالعمليات التي تستخدم في مجال الطاقة الشمسية تولد التناسق، خاصة عندما تتحول إلى ترددات أقل من أجل الكفاءة، حيث يتحول عشرات الآلاف من المحافير إلى شبكة توزيع واحدة، ويمكن للحقن التناسقي التراكمي أن يقترب من مستويات تتجاوز الحدود القصوى للشبكة الدولية للطاقة الذرية 519، ويمكن أن تتسبب الهارمونات في زيادة تسخين المحولات والسيارات، وسوء استخدام البقايا، والتدخل في نظم الاتصال.
وقد أظهرت الدراسات أن التشويه التناسقي الكلي للفولط يزيد مع التغلغل الفيزيائي، لا سيما عندما يفتقر المتسللون إلى قدرات التصفية النشطة، وفي الشبكات الضعيفة (بنسبة منخفضة من الدوائر القصيرة)، تتفاقم هذه المسائل، مما يهدد استقرار تدفق الحمولة عن طريق تشويه الموجات الفولطية التي تستخدمها المحاولات التي تعمل بالشبكة كمرجع.
استراتيجيات التخفيف من حدة قضايا الاستقرار
ولحسن الحظ، تم بالفعل التصدي للعديد من التحديات المذكورة أعلاه من خلال الابتكار التكنولوجي وتنقيح مدونات الشبكة، كما أن الاستراتيجيات التالية - التي تنجم عن رفع مستوى المعدات إلى برامجيات المراقبة المتقدمة - يمكن أن تتيح التشغيل الموثوق به على مستويات عالية جدا من التغلغل في الفولط الفولطي )٧٠-١٠٠ في المائة من الحمولة الفورية(.
الضوابط المسبقة للمواقع
(أ) لا يمكن أن تكون اللافقارات الحديثة بسيطة (المصادر الحالية) التي تتبع فقط الفولط، ويمكن تجهيزها بمهام رقابة متطورة تدعم بشكل نشط استقرار النظام في البلدان النامية. يمكن للنافذين أن يستوعبوا أو يحقنون القدرة على إعادة النشاط استجابة لانحرافات الفولط المحلي، وتساعد على تهدئة حجم الناتج المحلي(6):
ويكلف المعيار 1547-2018 للشبكة الدولية للتعلم والتدريب المهني حالياً العديد من هذه المهام المتقدمة للمتحولين الجدد، بما في ذلك التدفق والترددات، والوصلات البينية المضادة للهبوط، والاتصالات، وبتهيئة الظروف الملائمة، يمكن لأسطول من المحاورين الذكيين أن يعمل كمورد للاستقرار موزع، يستجيب بسرعة أكبر من المثيرات التقليدية المتزامنة للآلات.
Energy Storage Integration
إن نظم تخزين الطاقة في البطاريات هي المكمل الطبيعي للفولط الشمسي لأنها يمكن أن تستوعب الجيل الزائد وتطلقه عندما تختفي ضوء الشمس، ويسمح التراكمي في أماكن مع محطات كبيرة من الفلول المكلورة بالوحدة المشتركة بأن تنتج صورة ثابتة للطاقة (قوة الاستيعاب)، وتزيل تحديات معدل الانسداد، وعلى مستوى النظام، توفر المعالجة السريعة للترددات، وتنظيم الترددات الأولية، وتحل محل المولدات الداخلية الضائعة من المتزامنة.
أما تخزين المياه بالمضخة فهو خيار آخر، وإن كان يعتمد على الموقع، والمفتاح هو التخزين الدقيق، وقاعدة الإبهام: بالنسبة لمستويات الاختراق التي تتجاوز 50 في المائة، فإن القدرة على التخزين التي تعادل 20-30 في المائة من القدرة على إنتاج المواد الفلطية الذروة يمكن أن تخفف من غالبية قضايا الاستقرار، وهذا الدمج هو الآن المعيار الذي يُطبق على العديد من المشاريع على نطاق المرافق العامة في جميع أنحاء العالم.
تعزيز الجريمتين وتكنولوجيات الجريمتين الذكية
التحديثات المادية للبنية التحتية للبث والتوزيع يمكن أن تزيد قدرة النظام على التعامل مع تدفقات الطاقة العكسية وتغيّرات الفولط، إعادة التموين مع أسلاك القدرة العالية، إضافة أجهزة التحكم بالفولطية، تركيب مفاعلات الشلن أو أجهزة الصمامات يمكن أن يرفع نسبة الدائرة القصيرة في مراكز التحكم بالأشعة المقطعية، مما يجعل النظام أقوى وأكثر تزامناً مع الجيل المكشوف.
فتقنيات شبكة ذكية - مثل الهياكل الأساسية المتقدمة للتعدين، والتشغيل الآلي للتوزيع، ووحدات القياس في الوقت الحقيقي التي يمكن أن تكون متاحة في ظروف النظام، ويمكن للمشغلين، بهذه الأدوات، أن يصدروا نقاطاً لتحديد الموارد الموزعة، وإدارة الاكتظاظ، وتنشيط ضوابط الطوارئ قبل تصعيد الاضطرابات.
الاستجابة للطلبات وإدارة القروض
إن تحميل الشحنات لتجارب توليد الطاقة الشمسية هو وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتخفيف الضغط على النظام، إذ أن معدلات الاستخدام، وتسعير الذروة الحرجة، وبرامج مراقبة الحمل المباشر يمكن أن تشجع المستهلكين على تشغيل الأجهزة (مثل سخانات المياه الكهربائية، أو المضخات، أو أجهزة تحميل المركبات) خلال منتصف النهار عندما يكون الناتج الشمسي أعلى، مما يقلل من تدفق الطاقة العكسي وتواتر الحد من الطلب.
وتضيف تكنولوجيا المركبات إلى الحوائج طبقة أخرى: يمكن أن تستخدم بطاريات المركبات الكهربائية في التخزين الموزع، واستيعاب فائض الطاقة الشمسية، وطاقة الحقن خلال ذروة المساء، مع فرض رسوم جمركية ذكية، يمكن تنسيق الحمولة من أساطيل المركبات الإلكترونية لدعم تنظيم التطويع واستقرار الترددات.
تحسين التنبؤات والتصوير
إن عدم اليقين في الناتج الشمسي هو السبب الجذري للعديد من قضايا الاستقرار، إذ إن تحسين التنبؤ بالصور الساتلية، وكاميرات السماء، والتعلم الآلي، يقلل من الحاجة إلى احتياطيات تشغيلية كبيرة، وتسمح التنبؤات التي تُستكمل كل خمس دقائق لمشغلي الشبكات بأن يلتزموا بموارد مرنة )الهيدرو، وأجهزة قياس الغاز، والتخزين( بدقة عند الحاجة، ويمكن إدماج التنبؤات المحددة والمحتملة في نماذج الالتزام بالوحدة، بما يكفل أن تكون الاحتياطيات كافية.
The International Energy Agency (IEA) reports] that countries with high PV penetration have reduced forecast errors to below 5% of installed capacity using ensemble methods. This accuracy is transformative for load flow stability because operators can trust the expected generation pattern and pre-position voltage control resources accordingly.
Microgrids and Intentional Islanding
وعندما تختبر الشبكة الرئيسية اضطرابات، يمكن أن تعمل أجزاء من نظام التوزيع عمدا على تفكيك الجزر، وأن تعمل بشكل مستقل باستخدام المولدات المحلية للكهرباء والتخزين والمولدات الاحتياطية، مما يحول دون انتشار عدم الاستقرار ويكفل استمرار الإمداد بالحمولات الحرجة، ويجب على أجهزة التحكم في الأحجار الصغيرة التي تدير الانتقال بين الوسائط المترابطة بالشبكات والطرق الجزرية أن تحافظ على الفول والتواتر من خلال مراقبة الدرووب أو الميكانيكي المتزامن الافتراضي (VSM) بصورة فعالة.
وفي المناطق التي تخترق فيها كميات كبيرة جداً من الفلول، يمكن أن يجعل النظام العام أكثر مرونة، وقد أظهرت المنافسة New York Prize كيف يمكن للزجاجات الصغيرة المجتمعية أن تدعم استقرار نظام الطاقة السائبة عن طريق خفض الطلب على الطاقة الذروة وتوفير خدمات الشبكة.
دراسات الحالات: دروس من المناطق العليا
وقد بلغت عدة ولايات قضائية مستويات الاختراق التي ينظر فيها الكثيرون في القاعدة العالمية المقبلة، وتوفر تجاربها معلومات قيمة عن الآثار العملية على استقرار تدفق الحمولة.
() إنَّ مشغل نظام كاليفورنيا المستقل (CAISO) يُختبر بانتظام حمولة صافية تقل عن 50 في المائة من الطلب على ذروته، مدفوعاً بأكثر من 20 جي دبليو من الطاقة الشمسية زائد 12 جي دبليو من مستلزمات أحواض السقف.
( Australia: ] The Australian Energy Market Operator (AEMO) has the world's highest per-capita rooftop solar penetration (over 30% of households). In 2020, the system managed solar-penetration tops of 60% of demand, but experienced repeated frequency excursions and occasional voltage instability on weak transmission lines.
Germany:] With over 55 GW of solar PV, Germany integrates high penetration through a combination of strong interconnections to neighbouringing countries (using them as a sink for excess generation), and a robust regulatory framework that incentivizes flexible operation of conventional plants. German distribution system operators (DSOs) often operate with reverse power flow, but have invested heavily in-
التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية
حيث أن التغلغل في الطاقة الشمسية ما زال يرتفع إلى 100% من الحمولة الفورية في العديد من المناطق، سيكون من الضروري المزيد من الابتكارات، ويستكشف الباحثون اللافقاريات التي تعمل بالزراعة والتي يمكن أن تحدد الكم والتردد بالنسبة لشبكة صغيرة من الجزر أو حتى نظام الطاقة السائبة، مثل المولدات الكهربائية التقليدية المتزامنة.
Another boundaries is the use of wide-area control workshops] that coordinate thousands of inverters in real time using phasor measurements. Machine learning algorithms can optimize the setpoints for Volt-VAR and frequency response across large regions, preventing oscillations that could lead to instability. The[FLT.]
وأخيرا، يجب أن تتطور أدوات تقييم الاستقرار الدينامية لمعالجة التعقيد الكامل للنظم التي تهيمن عليها الكترونيات الكهربائية، فالتحفيزات التي تُجرى في الوقت المناسب والتي تتضمن نماذج تفصيلية لآلاف المحاورين ثقيلة حسابيا، وبالتالي يجري تطوير نماذج مخفضة للأوامر وتقنيات التكافؤ الكلي، وسيعتمد العاملون بشكل متزايد على هوامش الاستقرار في الوقت الحقيقي المحسوبة من بيانات وحدة الحد من التلوث، مما يتيح الإنذار المبكر بانهيار الفولطام أو عدم استقرار التردد.
خاتمة
ويطرح ارتفاع معدل الاختراق في الطاقة الشمسية تحديات كبيرة أمام تقلبات استقرار تدفق التدفق، وتدفقات الطاقة العكسية، وانخفاض معدلات الإصابة بالتوتر، والتشوه التناسقي، وسوء التنسيق في مجال الحماية، ولكن هذه العقبات لا يمكن التغلب عليها، ومن خلال مزيج من الضوابط المتقدمة للتدفقات، وتكامل شبكات الطاقة، وتعزيز الشبكات، وإدارة الطلب، وتحسين التنبؤ، والهيكلات الخفيضة الصغر، يمكن أن تحافظ نظم الطاقة على استقرارها حتى مع 100 في المائة.