مقدمة إلى العناصر المتماثلة في تحليل الطاقة المتجددة

إن التوسع السريع في الطاقة الشمسية والريحية قد أدخل تعقيدات جديدة في تحليل نظام الطاقة الكهربائية، فخلافا للتوليد المتزامن التقليدي، تعتمد الموارد المتجددة على الكترونيات الطاقة وتعمل في ظل ظروف شديدة التغير وغير متوازنة في كثير من الأحيان، ولضمان استقرار الشبكات، وتنسيق الحماية، وطول المعدات، يتطلب المهندسون أطرا تحليلية قوية، كما أن طريقة المكونات الافتراضية - وهي تقنية طورتها تشارلز فورتيك في عام 1918 - لا تزال واحدة من أقوى الأدوات المتوارثية.

وتستكشف هذه المادة كيفية تطبيق تقنيات المكونات المتباينة على تحليل كل من الطاقة الريحية ونظم الطاقة الشمسية، وسندرس النظرية الأساسية، وحالات الاستخدام المحددة لكل تكنولوجيا، والفوائد العملية، والاتجاهات الناشئة، وسيكتسب المهندسون، ومشغلو النظم، ومهنيون الطاقة المتجددة، أفكاراً عملية في الاستفادة من هذه الطريقة الكلاسيكية للموارد الحديثة والقائمة على اللافقاريات.

أساسيات المكونات المتماثلة

The Sequence Transform

ويمكن تحويل أي مجموعة من المراحل الثلاث غير المتوازنة (المدورات أو التيارات) إلى ثلاث مجموعات متوازنة: الآثار الإيجابية (تسلسل المرحلة ألف ب ج)، والتعاقب السلبي (تسلسل المرحلة ألف ب ب) والتواتر الصفري (جميع ثلاث مراحل متساوية في الحجم والمرحلة)، وواقعيا، يستخدم التحول مصفوفة الطبقية:

V012 = A-1] {(]

وفي الممارسة العملية، يتم استخراج عناصر التسلسل من فولات المرحلة المقاسة أو التيارات باستخدام تجهيز الإشارات الرقمية، ويمثل عنصر التعاقب الإيجابي نقل الطاقة المتوازنة ذات التردد الأساسي، ويشير عنصر التعاقب السلبي إلى ظروف غير متماثلة مثل الأخطاء من خط إلى آخر أو حمولات غير متوازنة، ويظهر عنصر عدم التكافؤ أثناء الأخطاء الأرضية أو عندما لا يكون النظام متصلاً بالأرض.

سبب وجود عناصر متماثلة لمواد التجديد

وكثيرا ما تتواصل النباتات الشمسية والريحية مع الشبكة عند مستويات التوزيع أو الانتقال الفرعي حيث تكون الظروف غير المتوازنة أكثر شيوعا من الانتقال العالي، وتستجيب الموارد القائمة على اللافترات بشكل مختلف عن الأجهزة المتزامنة في ظل ظروف غير متوازنة - وهي تحمل مساهمة محدودة في الوقت الراهن ويمكن أن تحرق تيارات التكاثر السلبي إذا لم تكن خاضعة للرقابة على الوجه الصحيح.

العناصر المتماثلة في نظم الطاقة الشتوية

وقود مولدات توربين

وتستخدم المولدات الكهربائية المتوسطة ذات العجلات المتوسطة بشكل شائع إما المولدات التعريفية ذات الصبغة المضاعفة ] أو المولدات المتزامنة المغناطيسية الدائمة [PMSG] مع محولات القوى الكاملة، وتراعي التضاريسات في اختلالات قياس الفولطية، التي تؤدي إلى آثار سلبية على الزهر.

  • DFIG systems:] The stator connects directly to the grid, so any negative-sequence voltage at the point of common coupling induces negative-sequence currents in the stator. These currents produce torque pulsations at twice the fundamental frequency, causing machineal stress on thebox or drivetrain sizes analysis allows Sequence control
  • ]PMSG with full converter:] The electricity is decoupled from the grid via the converter, so the negative-sequence component appears only on the grid side. However, the converter’s DC-linktage experiences oscillations at twice the fundamental frequency when unbalanced voltages are present. Symmetricer components enable precise tuning of DC.

تحليل الخزنة في مزارع الرياح

وعندما يحدث خطأ في نظام الجمع أو شبكة النقل، فإن العناصر المتباينة ضرورية لحساب التيارات الخاطئة ووضع حماية للشحن، مثلا، يؤدي خطأ من خط إلى سطح في كابل لجمع المزارع الريح إلى إنتاج عناصر سلبية وغير متكافئة، ولأن التربينات الريحية تسهم في وجود خطأ محدود (من 1-1 إلى 1.5 وحدة للكشف عن الوصلات المحتوية على متغيرات) يجب أن تحدد حسابات التسلسل

وعلاوة على ذلك، فإن رموز الشبكة تتطلب بصورة متزايدة القدرة على الانتقال من خلال البرمجيات غير المباشرة [FRT:1]] - ويجب أن تظل مزرعة الرياح مرتبطة أثناء النسور الفولطية وحالات التفاعل بالحقن، كما أن العناصر غير المتماثلة تساعد على تحديد التصاعد الإيجابي في نقطة الاتصال، الذي يستخدم لحصر الحرق الحالي المطلوب في إطار عناصر الإجهاد غير المتوازنة.

الاستقرار ونوعية السلطة

ويمكن أن تؤدي ظروف الرياح غير المتوازنة (مثل قذيفة الرياح، أو ظل البرج، أو سوء الطفر) إلى تماثل ميكانيكي يترجم إلى اختلال كهربائي، ويكشف تحليل العناصر المتوازية لتيارات المولدات عن المساهمة السلبية في أعقابها بسبب تذبذبات التصلب الميكانيكية، وتستخدم هذه الرؤية لتحسين خوارزميات التحكم في الرماة أو إضافة إلى التناقص الطبيعي في سلسلة الكشف عن المولدات.

For a deep understanding of DFIG behavior under unbalanced grids, refer to the research article ]"Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines"] (IEE Industry Applications Magazine, 2008), which details sequence-based control methods.

العناصر المتسقة في نظم الطاقة الشمسية

الخصائص الفوتوقراطية

وتتألف محطات الطاقة الشمسية الكبيرة من آلاف الألواح التي تغذي قدرة البلدان النامية على المحاور التي تتزامن مع شبكة AC، وعلى عكس الآلات المتزامنة، فإن المغنيين لديهم ] لا يوجدون فيرارات، وقدرة محدودة على إحداث أخطاء، كما أن ردهم على الظروف غير المتوازنة يحدده تماما برنامج المراقبة، كما أن العناصر الايجابية التي تنظم الحلقة الحالية.

وينشر المترجمون المتطورون المتحكمون الحاليون بالتعاقب والترددات ] - واحد للإطار الإيجابي (dq) والأخرى لإطار النتائج السلبية (المتكرر في الاتجاه المعاكس) - وهذا يتيح لللافت في كثير من الأحيان قمع التصفيات السلبية أثناء الأخطاء غير المتوازنة، مما يساعد على الحفاظ على توترات وكميات توترات كهرباء متوازنة.

Shading and String Mismatches

ويؤدي التظليل الجزئي لمجموعة من البوليفينات المكلورة إلى عدم المساواة في التيارات من مختلف الخيوط، مما يخلق ظروفاً غير متوازنة من جانب البلدان النامية، وهذا يتجلى في تيارات التكاثر السلبي الصغيرة حتى عندما تكون الشبكة متوازنة، ويمكن لتحليل العناصر المتوازية لتيارات نواتج المحارم أن يكشف هذه الاختلالات، مما يتيح تحديد مواقع التنظيف أو التنظيف في المستقبل:

بيان الجزيرة وحمايتها

إن إزالة الألغام - عندما يستمر تشغيل محطة شمسية بعد فصل الكهرباء - يشكل شاغلا خطيرا في مجال السلامة، ويرصد العديد من المخططات المضادة للهبوط الزيادة في التطاير السلبي للفولط، وعندما يتم فصل الشبكة، يحدد التخلف الذي يشاهده تغيرات الحجم في محطات اللافتر، مما يؤدي إلى ارتفاع في سرعة التواتر السلبي للحجم إذا كان هناك أي اختلال أولي في الأداء.

طريق الخزنة للمصانع الشمسية

وعلى غرار مزارع الرياح، يجب أن تمتثل النباتات الشمسية لرموز الشبكة التي تتطلب نقلاً غير متوازن، وفي ظل أخطاء غير متوازنة، يجب على المحتالين أن يحقنوا تفاعلاً إيجابياً في الوقت الراهن بشكل متناسب مع الغطس الفولطي، مع الحد من الآثار السلبية التي تنجم عن ذلك لمنع حدوث تجاوزات في الزمن، وتستخدم عناصر قياسية لحصر حجم وزاوية التعاقب الإيجابي، مما يتيح لمؤسسة " Vverter " أن تستعيد نشاطها.

An excellent resource on inverter control using symmetrical components is ]"Negative sequence control for grid-connected inverters under unbalanced voltage sags"] (Electric Power Systems Research, 2018), which presents experimental validation.

الفوائد العملية لتحليل العناصر المتماثلة للمتجددات

تعزيز كشف الخزنة ومكانها

وتعتمد خطط الحماية التقليدية (الأكثر من ذلك، والتباين) على مقارنة الحجم، التي يمكن أن تكون غامضة في الرياح والنباتات الشمسية الضعيفة، وتسمح العناصر المتميزة بكشف الأخطاء الاصطناعية عن طريق مضامين متتالية مقارنة، وعلى سبيل المثال، فإن وجود خط أرضي يؤدي إلى عنصر كبير من عدم التأثّر، بينما ينتج تدريجياً عنصر سلبي.

تحسين عمر المعدات

ويؤدي التقلبات السلبية إلى تدفئة إضافية في السيارات والمحولات والمولدات بسبب تناوب الحقل المغناطيسي مقابل اتجاه الدوار، ويؤدي ذلك في التوربينات الريحية إلى الحد من الإجهاد الحراري على رياح المحركات والعلامات .

استراتيجيات الصيانة المثلى

ويساعد الرصد المستمر للعناصر التي لا تتكرر ولا تتكرر إلا على التمييز بين أوجه التماثل الطفيفة (مثل اختلالات الحمل الخفيفة) وتطور الأخطاء، ويمكن للمهندسين، عن طريق توجيه هذه المكونات بمرور الوقت، أن ينفذوا الصيانة الافتراضية ، ويستبدلون المكونات القائمة على الظروف بدلا من الفترات الفاصلة الثابتة.

التحديات والنظر في المسألة

الاحتياجات من الحواسيب والمقاييس

ويتطلب استخراج عناصر التسلسل الدقيق قياسات متزامنة للتيارات والفولاذات الثلاثية المراحل، وفي محطات كبيرة متجددة تضم عشرات من المغذيات، يتطلب ذلك معدات واتصالات ذات استبانة عالية، كما أن الوحدات الحديثة لقياس المبيدات (Phasor Measurement Units) والتركيب الرقمي توفر عناصر متتالية داخلية، ولكن المنشآت القديمة قد تحتاج إلى إعادة التشغيل.

نمذجة منحرفة

وكثيرا ما تسود نماذج نباتات جديدة لدراسات نظام الطاقة ظروفا متوازنة، إذ أن توسيع هذه النماذج لتشمل الديناميات القائمة على التسلسل ضروري لإجراء دراسات دقيقة عن الأخطاء، غير أن بارامترات التحكم في اللافقاريات هي قواعد ملكية في كثير من الحالات، وقد يحتاج مهندسو المرافق إلى العمل مع المصنعين للحصول على نماذج مثبتة من التسلسل لشبكات التعاقب الإيجابي والسلبي، وتوفر معايير مثل IEC 61400-27 هياكل نموذجية مشتركة، ولكن بيانات التبني.

دمجها مع مدونات الخضر

وتتطور رموز المذابح في جميع أنحاء العالم بحيث تتطلب أداء متماثل للعناصر، فعلى سبيل المثال، يتطلب قانون خضراء المملكة المتحدة أن تحد المزارع الكبيرة من الحقن السلبي الحالي الذي يحدث في الوقت الحاضر إلى أقل من 0.1 لكل وحدة، ويستلزم تصميم المحافير والحماية لتلبية هذه الحدود تحليلا متسلسلا دقيقا، وكثيرا ما تنطوي شبكة الامتثال على الاستعانة بفولت اختبار غير متوازن والتحقق من استجابة المتغيرات في النباتات، مما يزيد من تعقيدات وتكاليفها، ولكن هذا الإجراء يكفلها.

الاتجاهات المستقبلية: المكونات المتماثلة والأشكال الذكية

ومع تزايد التغلغل المتجدد، يجري إدماج المكونات المتوازية في نظم الرصد على نطاق واسع ] ومراقبة الوقت الحقيقي، ويجري تدريب وحدات الإزالة الموجودة في مكونات تسلسل الرياح والنباتات الشمسية على مشغلي الشبكات، مما يتيح التعرف السريع على الأحداث المفاجئة أو تدفقات الطاقة غير المتوازنة.

وثمة تطبيق آخر ناشئ هو استخدام مكونات متماثلة لـ ]ميكروجريد للجزيرة وإعادة الترجيح .() وعندما يُفصل الحاج الصغير المحتوي على مصادر متجددة عن الشبكة الرئيسية، قد تنشأ أوجه عدم توازن؛ وتُكفل الرقابة القائمة على التسلسل الانتقال السلس، وبعد إعادة الربط، يجب أن تكون زاوية الترجيح الايجابي متطابقة مع الشبكة -

To explore cutting-edge research on symmetrical components for renewable energy, we recommend the technical report ]]"Symmetrical components and the Modeling of Inverter-Based Resources" from the National Renewable Energy Laboratory (NREL), which details sequence networks for both wind and solar systems.

خاتمة

وتظل المكونات اللامتثالية أداة لا غنى عنها لتحليل الظروف غير المتوازنة في نظم الطاقة الشمسية والريحية، ومن تنسيق كشف الأعطال والحماية إلى التحكم في اللافقارات والصيانة التنبؤية، فإن هذه التقنية الكلاسيكية تكيف جيدا مع الموارد الحديثة القائمة على المنحرفين، فالمهندسين الذين يتقنون تحليل التسلسل يمكن أن يصمموا محطات طاقة متجددة أكثر استقرارا وكفاءة وقادرة على تلبية متطلبات البرمجيات الدقيقة.

For further reading, consider the textbook Power System Analysis and Design (Glover, Sarma, Overbye), which provides a rigorous treatment of symmetrical components applied to distribution systems with distributed generation.