تصميم وحساب النظم الكهربائية لمحطات الطاقة الشتوية

تصميم وحساب النظم الكهربائية لمصانع الطاقة الريحية هو تخصص هندسي معقد يتطلب فهما شاملا لمبادئ الهندسة الكهربائية، وتحويل الطاقة الريحية، ومتطلبات التكامل الشبكي، ومعايير السلامة، ويتألف التركيب من النظم اللازمة لاستيعاب طاقة الرياح، وتوجيه التربين إلى الرياح، وتحويل التناوب الميكانيكي إلى طاقة كهربائية، ونظم أخرى لبدء ووقف ومراقبة التربين، ويستكشف هذا الدليل الشامل الجوانب الأساسية للتصميمات الريحية الفردية.

Understanding Wind Power Electrical System Architecture

ويضم الهيكل الكهربائي لمصنع طاقة الرياح نظما متعددة مترابطة تعمل معا لتحويل طاقة الرياح الحركية إلى طاقة كهربائية ذات نوعية جيدة، وفي وسط أي توربينات رياحية، يكمن نظام كهربائي متداخل مصمم لاستخلاص الطاقة الريحية وتحويلها ونقلها، مع التوربينات الريحية المجهزة بمولدات كهربائية تنتج الطاقة الكهربائية عندما تحول الرياح إلى نصلات توربينية، ويمتد النظام الكهربائي الكامل من المولدات الكهربائية في كل منطقة.

وتستخدم محطات الطاقة الريحية الحديثة تصميمات كهربائية متطورة يجب أن توازن بين الكفاءة والموثوقية وفعالية التكلفة والامتثال للشبكات، وتشدد هندسة الطاقة على الحاجة إلى عناصر كهربائية عالية الكفاءة مثل المولدات الكهربائية والمحولات والالكترونيات الكهربائية، ويجب على النظام الكهربائي أن يعالج ناتج الطاقة المتغير بسبب تقلبات ظروف الرياح مع الحفاظ على البرامترات الثابتة للفولط والترددات التي يتطلبها مشغِّلون للشبكة.

العناصر الكهربائية الأولية

ويتألف النظام الكهربائي لمصنع الطاقة الريحية من عدة عناصر حاسمة تعمل في مجال التنسيق، ويحوّل المولد التناوب الميكانيكي إلى طاقة كهربائية، ينتج عادة الطاقة في فولت منخفض نسبيا، وكثيرا ما تكون هذه التربينات الريحية الحديثة مجهزة بمحوّل يصعد إلى الفولط المولدات الطرفية، وهو عادة فولط يقل عن كيلوفولط (أي 575 أو 690 خامسا) إلى مزرعة متوسطة ذات صلة بالطاقة الكهربائية تبلغ 20-30 كيلوفولت.

وفيما عدا المولد والمحول، يشمل النظام الكهربائي محولات كهربائية للتركات المتغيرة السرعة، ومصاريف الحماية، وأجهزة كسر الدوائر، ومفاتيح قطع الاتصالات، ونظم الرصد، ومعدات المراقبة، ويجب أن يتم تجهيز كل عنصر وتنسيقه على نحو سليم لضمان التشغيل الآمن والموثوق به في جميع الظروف التشغيلية بما في ذلك التشغيل العادي، والاضطرابات في الشبكات، والظروف الخاطئة.

تكنولوجيات ومولدات توربين الرياح

ويؤثر اختيار تكنولوجيا المولدات تأثيرا كبيرا على تصميم النظام الكهربائي وخصائص أداء توربين الرياح، حيث توفر أنواع مختلفة من المولدات مزايا متميزة من حيث الكفاءة، والتكلفة، والتوافق بين الشبكات، وقدرات التحكم.

مولدات تعريفية ثابتة السرعة

ويستخدم توربين الرياح الثابتة أو الثابتة المتحكم فيها بالسرعة المميتة مولداً للضغط على القفص العازل يربط مباشرة بالشبكة الكهربائية باستخدام جهاز تحويل كهربائي متقدم، ونظراً لأن المولد الذي يُدخل قفص السنجاب يستمد دائماً طاقة رد الفعل من شبكة AC، فإن هذا المفهوم يتطلب محاسباً على الطاقة التفاعلية، مثل مصرف كابسيتور، وهذا التشكيل التقليدي يوفر الحد من القوامات الأولية.

وتتمتع نظم السرعة الثابتة بميزة البساطة وانخفاض التكلفة؛ غير أن أوجه القصور الرئيسية في هذا المفهوم تشمل عدم القدرة على دعم مراقبة السرعة، وشرط وجود شبكة ثابتة (الفولط والتواتر الثابتين)، وضرورة وجود هيكل آلي قوي لدعم الإجهاد الميكانيكي الكبير الناجم عن عواصف الرياح، وهذه النظم أقل شيوعا في المنشآت الحديثة ولكنها لا تزال تعمل في العديد من المزارع الريحية القائمة.

نظم مولدات سريعة التغير

ويتصل الدوار بالمولد إما مباشرة (إذا كان توربيناً مباشراً) أو بواسطة سلسلة من المعدات التي تسرع التناوب وتتيح مولداً أصغر حجماً، وتستخدم النظم المتقلبة الترددية أجهزة التناوب الإلكترونية لتحلل الطاقة الكهربائية

وتبسط التربينات التي تعمل على دفعات مباشرة نظم ناسيل ويمكن أن تزيد الكفاءة والموثوقية عن طريق تجنب مسائل مجموعة معدات، والعمل عن طريق ربط الدوار مباشرة بالمولدات الكهربائية، وإزالة هذه النظم من أكثر المكونات كثافة في الصيانة، وإن كانت تحتاج إلى مولدات أكبر وأكلفة لمعالجة السرعة المنخفضة للتناوب في الدوار.

اعتبارات تصميم النظام الكهربائي

ويتطلب تصميم نظام كهربائي لمحطات توليد الطاقة الريحية تحليلا دقيقا للعوامل التقنية والاقتصادية والتنظيمية المتعددة، ويجب أن تُحسب عملية التصميم لظروف محددة في الموقع، وقدرات المعدات، والاحتياجات من الشبكات، والأهداف التشغيلية.

تقييم الموارد الفائز

إن أساس أي تصميم للنظام الكهربائي للرياح هو فهم دقيق لموارد الرياح المتاحة، فالطاقة المتاحة للتربين الريحي تستند إلى كثافة الهواء (عادة نحو 1.2 كيلوغرام/م3)، ومجال الغطس في نصلات التربين، وسرعة الرياح، حيث أن سرعة الرياح هي أكثر المدخلات تغيرا.

وتؤثر بيانات الموارد الفائزة تأثيرا مباشرا على اختيار التربين، وتقديرات القدرة الكهربائية، وعوامل القدرة المتوقعة، ويشير عامل القدرة إلى حجم الطاقة التي تولدها مصدر ما مقارنة بالحد الأقصى للطاقة التي يمكن أن توفرها، معبرا عنها كنسبة مئوية، ويُحدد عادة على مدى سنة واحدة، ويساعد فهم عامل القدرة مهندسي المحولات الكبيرة والكابلات ومعدات الحماية على النحو المناسب.

شروط الربط بين الجريمتين

ويعد التصميم الكهربائي الفعال أمرا حيويا في مخططات مزارع الرياح والترابط مع الشبكة الكهربائية، حيث ينظر المهنيون في مجال هندسة الطاقة الريحية في عوامل مثل نقل الطاقة، وتنظيم الفولط، واستقرار الشبكات عند تصميم النظم الكهربائية، ويفرض مشغلي المزروعات شروطا تقنية صارمة يتعين على محطات توليد الطاقة الريحية أن تلبيها، بما في ذلك تنظيم الفول والتواتر، ومراقبة عوامل القوة، وقدرات الوصل عن طريق الوصلات، والقيود المتسقة.

وتعالج المواصفات الصارمة لتنظيم نوعية الطاقة للشبكة جوانب من بينها تغير الملصقات والفولط، وثبات تشغيل الدولة ونظم الرقابة لضمان وجود صلة موثوقة، والامتثال لرموز الشبكة إلزامي، وكثيرا ما يتطلب نظما متطورة للمراقبة ومعدات إضافية مثل أجهزة قياس الترددات المثبتة في VAR أو أجهزة تكديس متزامنة.

تدفق القروض وتوسيع النظام

فالتصنيف السليم للمكونات الكهربائية أمر حاسم الأهمية لضمان سلامة التشغيل والكفاءة والقدرة الاقتصادية على البقاء، ويجب على المهندسين حساب تدفقات الطاقة المتوقعة في إطار سيناريوهات تشغيلية مختلفة تشمل الحد الأدنى من الجيل، والحد الأقصى من الجيل، وظروف الطوارئ، وتحدد هذه الحسابات القدرة المطلوبة للمحولين، والقدرة الحالية على تحمل الكابلات، وتقديرات أجهزة التبديل والحماية.

ويجب أن يستوعب التصميم الكهربائي الحد الأقصى من ناتج الطاقة المتوقعة مع التقليل إلى أدنى حد من الخسائر خلال ظروف التشغيل المعتادة، وسوف تستخدم محطة توليد الطاقة الريحية محولا تدريجيا لزيادة الفولط (وإنقاص التيار المطلوب)، مما يقلل من خسائر الطاقة التي تحدث عند نقل كميات كبيرة من المسافات الحالية على مسافات طويلة مع خطوط النقل.

حساب البارامترات الكهربائية لنظم الطاقة الناشطة

فالحسابات الكهربائية الدقيقة ضرورية لتصميم النظام المناسب واختيار المعدات وتوقع الأداء، ويجب على المهندسين تحديد مستويات الفولطج والتدفقات الحالية وفقدان الطاقة وتيار الدوائر القصيرة ووضع الحماية من خلال التحليل المنهجي.

حسابات ناتج الطاقة

ويتصل حساب الطاقة الأساسية للطوابق الريحية بسرعة الرياح بالناتج الكهربائي، ويشمل حساب ناتج الطاقة من توربين تطبيق الصيغة P = 0.5 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

ولا يمكن أن تكون التوربينات الفائزة أفضل من 59.3 في المائة من الكفاءة بسبب قانون بيتز، حيث يبلغ الحد الأقصى للبتز 59.3 في المائة، وهذا الحد الأيرودينامي الأساسي يعني أنه حتى التوربينات المصممة تصميما كاملا لا يمكن أن تستخرج من الرياح جميع الطاقة الحركية، وعادة ما تحقق التربينات العملية 75-80% من الحد الأقصى للبتز في ظروف مثلى.

التقلبات والحسابات الحالية

ويعد تحديد التطاير والمستوى الحالي في جميع أنحاء النظام الكهربائي أمرا أساسيا لاختيار العناصر وتصميم النظم، ولحساب ناتج الطاقة في توربين الرياح، واستخدام الصيغة: الطاقة (W) = فولتاج (V) تيارا (A)، وتحويل القراءة الحالية من المليمترات إلى الأمبيرات (ألف) بتقسيم القيمة بمقدار 000 1 نظام للرياح يصبح أكثر تعقيدا بالنسبة لنظم ثلاث مراحل للعلاقة بين الطاقة.

وبالنسبة لقوة ثلاث مراحل: P = √3 × V line × I line × pf. هذه الصيغة تمثل علاقات المرحلة في نظم ثلاث مراحل وتشمل عامل القوة الذي يمثل الزاوية في المرحلة بين البرتاج والحاضر، ويمكن أن تحتفظ العوالق الريحية الحديثة مع المحولات الإلكترونية بالطاقة عادة بعوامل القوة بالقرب من الوحدة، ولكن يجب التحقق من ذلك في الحسابات.

وينتج مولد توربينات طولها 5 أم دبليو في كثير من الأحيان متوسطاً (690 V أو 3.3 كيلوفولت) داخلياً؛ وخطوات تحول في الموقع تصل إلى فولتاج جمع المزارع الريحية (33 كيلو فولت) ثم إلى نقل فولتاج (مثل 110-220 كيلوفولت) ويجب على المهندسين حساب التيارات على مستوى كل فولتاج إلى أجهزة حماية الحجم، والمحولين.

Loss Power Calculations

إن تقليل الخسائر الكهربائية إلى الحد الأدنى أمر حاسم لتحقيق أقصى قدر من إنتاج الطاقة والعائدات الاقتصادية، إذ تحدث خسائر في الطاقة في المولدات والمحولات والكابلات والمحولات الإلكترونية للطاقة، وتكتسي الخسائر في المصانع الريحية أهمية خاصة بسبب المسافات التي تنطوي عليها عملية جمع الطاقة من التوربينات الموزعة.

ويمكن حساب الخسائر في الكبلات باستخدام الصيغة: P loss = I2 × R، حيث أنا حالياً وR هو مقاومة الكابلات، ونظراً لأن المقاومة تزيد طولها بالكابل وتتناقص مع منطقة السلوك عبر القطاعات، يجب على المهندسين أن يوازنوا بين تكلفة الموصلات الأكبر حجماً وبين قيمة الخسائر المخفضة على مدى عمر المشروع، وأن يكون التمهيد ومواد السلوك وطريقة التركيب يؤثران على مقاومة الكابلات ويجب النظر في الحسابات.

وتشمل الخسائر في المحول الخسائر في الحمولة (الخسائر الأساسية) والخسائر في الحمولة (خسائر في الحجم) ولا تحدث خسائر في الحمولة باستمرار كلما كان المحول مفعماً، بينما تختلف الخسائر في الحمولة بمساحة التحميل، ويمكن أن يؤدي اختيار المحولات ذات الكفاءة العالية إلى الحد بدرجة كبيرة من خسائر الطاقة في العمر، رغم أنه يجب أن يتوازن ذلك مع ارتفاع التكاليف الأولية.

الحسابات الجارية في الدائرة القصيرة

ويحدد تحليل الدائرة القصيرة الحد الأقصى للتيارات التي يمكن أن تتدفق أثناء حدوث أخطاء كهربائية، وهذه الحسابات أساسية لاختيار أجهزة كسر الدوائر، والصمامات، والأجهزة الواقية الأخرى التي لديها قدرة كافية على التوقف، ويتوقف هذا التيار على عدم وجود المصدر (الحزن)، والمحولات، والكابلات، والمولدات.

وتساهم مولدات الكهرباء المولدة للاضطرابات السريعة في تيارات الدائرة القصيرة بشكل مختلف حسب تكنولوجيا تلك المركبات، وتختلف خصائص المولدات الكهربائية والمولدات الكهربائية ذات النطاق الكامل التي تحوي الطاقة الكهربائية عن الخصائص الحالية التي تتسم بها مباشرة المولدات التي تعمل بالكهرباء، وكثيرا ما تحدد رموز الشبكة الحديثة متطلبات الحد الأدنى والقصوى من المساهمة القصيرة الأجل التي يجب أن تلبيها محطات الطاقة الريحية.

تصميم المحولات واختيارها

وتشكل المحولات عناصر حاسمة في نظم الطاقة الكهربائية للرياح، وتزيد من مستوى المولدات الكهربائية إلى مستويات نظام جمعها، وفي نهاية المطاف إلى فولتات نقلها، واختيار المحولات على نحو سليم، وتؤثر بدرجة كبيرة على أداء النظام وموثوقيته واقتصاداته.

مترجمو توربين

كل توربين رياحي عادةً ما يشمل محول مكرس داخل قاعدة البرج أو على مركب مجاور للبرج، هذه المحولات تصعد إلى مستوى نظام جمع الطاقة المتوسطة، ويجب أن يُزوّد المحوّل ليتعامل مع إنتاج الطاقة المُعدّل بالإضافة إلى أيّ حمولة إضافية.

ويجب أن ينظر اختيار محولي السلاحف في نسبة الفولط، والارتداد، وأسلوب التبريد، وفئة العزل، وحماية البيئة، وتحتاج توربينات الرياح البحرية إلى متحولين يتمتعون بحماية معززة للتآكل وقدرة على تحمل البيئات البحرية القاسية، ويؤثر نقص المحولات على تنظيم الفولط وتيارات الدائرة القصيرة، مما يتطلب اختيارا دقيقا لتلبية متطلبات النظام.

مترجمون تحريريون

وتحتوي المزارع الصغيرة على متحولين أكبر ينتقلون من نظام التحصيل إلى مستويات الانتقال، وفي محطة للريح على نطاق المرافق، يولد كل توربين الكهرباء التي تتحول إلى محطة فرعية تنقل فيها بعد ذلك إلى الشبكة، مع محطة فرعية تربط نظام النقل بنظام التوزيع الذي يوصل الكهرباء إلى المجتمع المحلي، ويجب على هذه المحولات أن تتعامل مع الناتج المشترك من التوربينات المتعددة، وأن تتوسع عادة مع بعض الهامش في المستقبل.

وتشمل مواصفات محولات الاستبدال تصنيف الطاقة، ونسب الفولط، والتسرب، ونوع المتغيرات النثرية (الحمولة أو الحمولة)، ونظام التبريد، وملامح الحماية، وقد تستخدم المزارع الكبيرة للريح متحولات فرعية متعددة لإعادة النفقة، ولتسهيل البناء التدريجي، ويجب تنسيق الازدحام المحول مع مخططات حماية النظام ومتطلبات تنظيم الفولط.

تحديد مواقع المحولات والنظرات الحرارية

ويمكن للمترجمين عادة أن يتعاملوا مع الحمولات الزائدة القصيرة الأجل التي تتجاوز تصنيفهم، ولكن التحميل المفرط المستمر يقلل من حياة العزل، كما أن تطبيقات الطاقة الفائزة توفر أنماطاً فريدة من نوعها للتحميل بسبب ظروف الرياح المتغيرة، ويجب على المهندسين تحليل ملامح الحمل المتوقعة لضمان تشغيل المحولات في حدود الحرارة مع زيادة استيعاب الطاقة إلى أقصى حد خلال فترات الرياح العالية.

ويجب أن تكون نظم التبريد المتحول مناسبة لبيئة التنصيب وظروف التحميل، وتشمل أساليب التبريد المشتركة الهواء الطبيعي المتحرك بالنفط، والهواء القسري المزروع بالنفط، وتصميمات من النوع الجاف، ويعتمد الاختيار على تقدير الطاقة، والظروف البيئية، ومتطلبات السلامة من الحرائق، والاعتبارات المتعلقة بالنفقة.

تصميم النظام الحاسوبي والحسابات

ويجمع نظام الكابلات في محطة لتوليد الطاقة الريحية الطاقة من التربينات الفردية وينقلها إلى محطة فرعية وفي نهاية المطاف إلى نقطة الاتصال بالشبكة، ويشمل تصميم القابل اختيار أحجام السلوك المناسبة، وأنواع العزل، وأساليب التركيب، والطرق التي تكفل نقل الطاقة بطريقة آمنة وموثوقة واقتصادية.

منهجية تحديد الحجم

ويجب أن يفي صبغ الكيك بمعايير متعددة تشمل القدرة الحالية على الحمل (البطولة)، وقيود الانقطاع عن العمل، والقدرة على الصمود في الدوائر القصيرة، والقوة الميكانيكية، ويتوقف هذا التهدئة على مواد السلوك (النحاس أو الألمنيوم)، والمنطقة المتقاطعة، ونوع العزل، وطريقة التركيب، ودرجة الحرارة المحيطة، والقدرة على مقاومة التربة الحرارية للكابلات المدفونة.

وحسابات الانقطاع عن المسارات تكفل بقاء التطاير في كل توربين ضمن حدود مقبولة في جميع شروط التحميل، ويمكن أن يتسبب الانخفاض المفرط في الفولطين في تعطل أو تشغيله بطريقة غير فعالة، ويحسب الانخفاض في الكبل على أنه كابل = طوله I x طوله (R × cos(+X × الذنب (عامل الارتداد) L، حيث يكون رد فعل كل وحدة من وحدات المقاومة الحالية.

الهيكل التنظيمي لنظام الجمع

وتستخدم نظم جمع المزارع الريحية عادة تشكيلات للشعائر أو للثغرات، وتربط النظم الرمادية سلسلة من التوربينات بالسلاسل الخلفية للمحطة الفرعية، مما يعرض البساطة وانخفاض التكلفة، ولكن مع انخفاض التكرار، وتوفر تشكيلات الحفر مسارات بديلة للطاقة، وتحسين الموثوقية، ولكن بتكلفة أعلى وتعقيد.

وعادة ما يتراوح حجم فولطية نظام التحصيل بين 11 كيلوفولط و36 كيلوفولط، حيث يُشترك 33 كيلو فولت في مزارع الرياح الكبيرة، وتخفض كميات أكبر من الفولطيات من الخسائر الحالية وما يتصل بها من معدات أكثر تكلفة، ويتوقف الفولط الأمثل على حجم مزرعة الرياح، وتقديرات التربين، والمسافات التي ينطوي عليها ذلك.

اعتبارات تركيب الباراميل

وتؤثر طريقة التركيب تأثيرا كبيرا على أداء الكابلات وتكاليفها، وتشمل الخيارات الدفن المباشر، وتركيب القنوات أو القنوات، وخطوط الكابلات، والخطوط العامة، والدفن المباشر هو أمر شائع بالنسبة لنظم جمع المزارع الريحية، ويوفر أداء حراريا جيدا، والحماية من الطقس، مع التقليل إلى أدنى حد من الأثر البصري.

ويجب أن يوفر العمق الدفن حماية ميكانيكية كافية مع السماح بالتفريق الحراري المقبول، ويوفر الدفن الأعمق حماية أفضل، ولكنه يزيد من المقاومة الحرارية، ويقلل من سرعة الترحال، ويتفاوت المقاومة الحرارية في التربة بدرجة كبيرة مع محتوى التربة والرطوبة، مما يتطلب إجراء تحقيق محدد في الموقع من أجل إجراء حسابات دقيقة للسلامة.

نظم التبديل والحماية

إن نظم التبديل والحماية أساسية لضمان سلامة التشغيل، وحماية المعدات، وموثوقية النظم، ويجب أن تكتشف هذه النظم الأخطاء وتعزلها بسرعة، مع الحفاظ على الخدمات لأجزاء غير متأثرة من مزرعة الرياح.

أنواع وتطبيقات التبديل

وتستخدم محطات توليد الطاقة الكهربائية المختلفة أنواعا مختلفة من أجهزة التبديل حسب مستوى الفولط والتطبيق، وتستخدم المتحولات المتوسطة الحجم على مستوى التربينات والاستبدالات الفرعية عادة فراغا أو أجهزة تنقية من طراز SF6، ويجب أن يكون لهذه الأجهزة تقدير مناسب للفولط، وتقدير مستمر للحجم الحالي، والقدرة على التوقف عن العمل في الدوائر القصيرة، وآليات التشغيل المناسبة.

وتشمل تشكيلات التبديل المحتوية على معادن، ومصممات مجهزة بالمعادن، ومصممة بالزبدة، وتوفر التبديلات المحتوية على المكعبات المعدنية أقصى درجات السلامة والموثوقية، ولكن بتكلفة أعلى، ويُستخدم المتحول المتحرك في تطبيقات على مستوى التربين، ويوفر الحماية الجوية والتكاليف المعقولة، ويتوقف الاختيار على مستوى الفولط، والظروف البيئية، ومتطلبات السلامة، والميزانية.

خطط نقل الحماية

وترصد عمليات نقل الحماية البارامترات الكهربائية وتبدأ عمليات كسر الدوائر عندما يتم اكتشاف الظروف الشاذة، ويجب أن تعالج خطط حماية الطاقة الفائزة تجاوزات، وازدحام، وانحرافات في التواتر، وانحرافات في الأرض، والحماية المتمايزة، وفقدان التزامن.

وتستخدم نظم الحماية الحديثة أجهزة نقل تعمل بالمعالجة الدقيقة توفر وظائف متعددة للحماية، وقدرات الاتصال، وتسجيل الأحداث، وعمليات التشخيص المتقدمة، ويجب تنسيق بيئات الحماية بعناية لضمان التشغيل الانتقائي، حيث يعمل جهاز الحماية على نحو أقرب إلى خطأ أولا، مما يقلل إلى أدنى حد من حجم حالات الخروج.

قانون غريد

ويحدد مشغلو المجازر متطلبات الحماية التي يجب أن تلبيها محطات الطاقة الريحية، وتشمل هذه الاحتياجات عادة حماية مكافحة الهبوط لمنع مزرعة الرياح من مواصلة تحفيز قطاع الشبكة الملغى، وقدرات توصيل الرؤوس عن طريق الخطأ للبقاء على اتصال أثناء اضطرابات الشبكة، وبواسطة رحلات محددة للفولط والتردد.

وقد أصبحت متطلبات النقل غير المباشر من خلال الرحلات الجوية أكثر صرامة مع ازدياد تغلغل الطاقة الريحية، ويجب أن تظل التوربينات الريحية الحديثة متصلة وتدعم الشبكة أثناء عمليات النشوء بالفولط وزيارات التردد التي كانت ستتسبب في تصميمات سابقة إلى تعثرات، وهذا يتطلب نظما متطورة للمراقبة وقد يتطلب معدات إضافية مثل أجهزة الدعم الدينامية للفولط.

Power Quality and Grid Integration

ويجب أن توفر محطات الطاقة الكهربائية ذات الجودة العالية الطاقة الكهربائية التي تلبي احتياجات مشغلي الشبكات، وتشمل نوعية الطاقة تنظيم التطاير، واستقرار التردد، والتشويه الوئامي، والمشروبات.

تنظيم التذبذب

إن الحفاظ على التطاير في حدود محددة أمر أساسي لتحقيق استقرار الشبكة وحماية المعدات، ويمكن أن تتسبب محطات الطاقة الناشطة في تقلبات في الفولط بسبب متغيرات إنتاج الطاقة واستهلاك الطاقة أو توليدها بأثر رجعي، ويمكن أن توفر التوربينات الريحية الحديثة مع المحولات الإلكترونية للطاقة دعما ديناميا في مجال الفولط من خلال مراقبة سريعة للقوى الرجعية.

وقد تشمل معدات تنظيم التقلبات أجهزة تغيير الصنابير على المحولات الفرعية، والمحاسبين الثابتين في مجال التحقق من النتائج، أو المحاسبين المتزامنين ثابتين، ويتوقف الاختيار على حجم وسرعة التغيرات في الفولط، وقوة الشبكة، والاعتبارات الاقتصادية، ويعد التنسيق السليم لأجهزة التحكم في الفولطية أمرا أساسيا لتجنب عدم الاستقرار.

Distortion

فالأجهزة الإلكترونية لتوليد الطاقة في التوربينات الريحية الحديثة تولد تيارات متجانسة يمكن أن تشوه موجات الفولطية، وقد يؤدي التشوه المفرط المتجانس إلى زيادة في تسخين المعدات وتدخل الاتصالات وتضليل عمليات نقل الحماية، وتحدد رموز المواد المظلمة المستويات التناسقية القصوى المسموح بها، التي يُعبر عنها عادة على أنها حدود التجانس التام (الشعبة).

ويشمل التحليل المتجانس حساب التواريخ المتسقة من كل توربين، بالنظر إلى انتشارها من خلال نظام التحصيل والمحولات، وتحديد التشويه الفولطي عند نقطة الانقلاب المشتركة، وقد يلزم مرشحات متجانسة إذا تجاوز التشويه المحسوب الحدود، ويمكن أن تقلل محولات الطاقة الحديثة ذات الخوارزميات المتقدمة من الجيل المتجانس، مما يزيل في كثير من الأحيان الحاجة إلى مرشحين.

إدارة الطاقة الاستباقية

وتؤثر الطاقة الاستباقية على مستويات الفولط والقدرة على النقل، إذ تتطلب مشغلو الخضر عادة من محطات توليد الطاقة الريحية أن تعمل في نطاق محدد من عوامل الطاقة أو توفر قدرة محددة على توليد الطاقة الرجعية، ويمكن أن تولد أو تستوعب التوربينات الريحية الحديثة القدرة الاسترجاعية من خلال محولاتها الإلكترونية للطاقة، مما يوفر دعما قيما للشبكة.

وتتوقف القدرة الاستباقية على الطاقة في مزرعة رياح على قدرات كل من الاضطرابات، وتشوهات المحولات، وسقف الكابلات، وأي معدات إضافية للتعويض عن الارتداد، ويجب على المهندسين حساب صافي القدرة على الرد عند نقطة الترابط في إطار سيناريوهات تشغيلية مختلفة للتحقق من الامتثال لمتطلبات الشبكة.

نظم الرقابة والرصد

وتعد نظم المراقبة والرصد المتطورة أساسية لتحقيق الأداء الأمثل للمزارع الريحية، وضمان التشغيل الآمن، وتلبية احتياجات مشغلي الشبكات، وتتراوح هذه النظم بين فرادى متحكمي الاضطرابات وبين نظم الرقابة الإشرافية وحيازة البيانات التي تدير مزارع الرياح بأكملها.

نظم مراقبة السلاحف

نظام الرمي يضبط زاوية نصلات الريح مع الرياح، التحكم في سرعة الدوار، وبتعديل زاوية نصلات التربين، يتحكم نظام الرمي في كمية الطاقة التي يمكن أن تستخرجها الشفرات، ويدير متحكمو السلاحف أيضاً تورك المولدات، و مواقع العصي، ووظائف الحماية،

ويضم متحكمو التربين الحديثين خوارزميات متقدمة لتتبع نقاط القوة القصوى، وتخفيض الحمولة، ووظائف دعم الشبكة، ويتواصلون مع نظام إدارة الأراضي الزراعية في المزارع الريحية، ويوفرون بيانات تشغيلية، ويتلقىون أوامر لتقليص السلطة أو غير ذلك من الأساليب التشغيلية.

SCADA Systems

وتركز نظم الوكالة على الاتصالات بين مكونات محطات توليد الطاقة الريحية والجهات الفاعلة، مثل التوربينات الريحية، وتحديد نماذج معلومات محطات توليد الطاقة الريحية، ونموذج لتبادل المعلومات، ويرصد نظام SCADA أداء التربينات، والظروف البيئية، والبارامترات الكهربائية، وحالة المعدات، ويوفر للمشغلين رؤية فعلية في العمليات الزراعية الريحية، ويتيح التحكم عن بعد في معدات التربينات والاستبدال.

وتجمع نظم التقييم الذاتي المشترك كميات كبيرة من البيانات التي يمكن تحليلها من أجل تحقيق الحد الأمثل للأداء والتنبؤ باحتياجات الصيانة ومشاكل تشخيصها، وتتزايد استخدام التحليلات المتقدمة وأغلافير التعلم الآلاتي لاستخراج الرؤى من هذه البيانات وتحسين توافرها وخفض تكاليف التشغيل.

الاتصال بين الجانبين

ويجب أن تتصل محطات توليد الطاقة الكهربائية بالشبكة بمشغلي الشبكات لتلقي تعليمات الإرسال، والإبلاغ عن الوضع التشغيلي، والتنسيق أثناء الاضطرابات التي تكتنف الشبكة، كما أن بروتوكولات الاتصالات ومتطلبات تبادل البيانات تحدد عادة في اتفاقات الاتصال الشبكي، وأن نظم الاتصال الموثوقة والمأمونة ضرورية لتلبية هذه الاحتياجات.

وصلات بين متحكم النباتات بين نظام إدارة الطاقة في مزرعة الرياح ونظام إدارة الطاقة في الشبكة، يقوم بتنفيذ مراقبة الطاقة النشطة لمتابعة تعليمات الإرسال، ويدير الطاقة التفاعلية للحفاظ على نقاط الفولطية أو عوامل الطاقة، وينسق الاستجابة في حالات الاضطرابات أثناء أحداث الشبكة.

نظم السلامة والتجهيز

والسلامة الكهربائية هي في المقام الأول في تصميم محطات توليد الطاقة الريحية، وتحمي نظم الأمان الأفراد والمعدات من الأخطار الكهربائية، بما في ذلك الصدمات، وميض القوس، وإضرابات البرق.

تصميم نظام الأساس

ويوفر نظام شامل للبناء طريقا منخفضا للسيارات المعيبة، ويثبت الفولط خلال العمليات العادية، ويحمي من الإضراب عن البرق، ويشمل نظام الأرض موصلات لقطع المعدات، والكهرباء الأرضية، والترابط بين جميع الهياكل الفلزية.

ويجب أن تكون أبراج التوربينات الريحية متوقفة بصورة فعالة على تلفيق تيارات البرق بأمان، وينبغي أن تكون مقاومة الأرض منخفضة بقدر ما يمكن تحقيقه عمليا، حيث تقل عادة عن 10 أوم، وقد يتطلب تحقيق مقاومة منخفضة للهبوط نظما الكهروودية واسعة النطاق، لا سيما في المناطق التي تتسم بقدر كبير من مقاومة التربة، وينبغي إجراء اختبار للمقاومة الأرضية للتحقق من تحقيق أهداف التصميم.

حماية البرق

وتعاني المصابيح الناشطة من التعرض بشكل خاص لإضرابات البرق بسبب ارتفاعها ومواقعها المعرضة للخطر، وتشمل نظم حماية البرق محطات جوية على طرفيات مائلة، وأجهزة موصلات على طول البرق والبرج، ونظم أرضية لتبديد الطاقة البرقية بأمان في الأرض.

وتحمي أجهزة الحماية الكبيرة المعدات الإلكترونية الحساسة من الطفرة الفولطية الناجمة عن عمليات البرق أو التحول، ويجب أن يتم تقييم هذه الأجهزة وتنسيقها على نحو سليم لتوفير حماية فعالة دون تعثر في المخاوف، وتُستخدم عادة مستويات متعددة من الحماية المفاجئة، مع انخفاض مستويات الحماية تدريجياً مع ارتفاع المسافة من نقطة الدخول.

تحليل المخاطر الناجمة عن الانفجار

وتُحدِّد مخاطر الوميض التي تُحدِّد في القطب الشمالي مخاطر خطيرة على العاملين في المعدات الكهربائية المُنَقَّحة، ويحسب تحليل الأشعة المفاجئة الطاقة التي يمكن إطلاقها أثناء خطأ في القوس، مما يتيح الاختيار السليم لمعدات الحماية الشخصية ووضع ممارسات عمل مأمونة.

وتتوقف الطاقة التي تنجم عن الحادث على الوقت المتاح حالياً للدائرة القصيرة، أو وقت تبادل أجهزة الحماية، وقطع المسافة عن الدائرة، ويمكن تحقيق خفض طاقة الحوادث عن طريق الحد من العطلة الحالية (عن طريق أجهزة الحد الحالي)، أو تقليل وقت المقاصة (عن طريق توفير الحماية السريعة)، أو زيادة المسافة بين العمل، وينبغي وضع علامات على المعدات بتحذيرات من مخاطر الاختراق ومستويات المعدات والمعدات المطلوبة.

اعتبارات الكهرباء في المناطق البحرية

وتشكل محطات توليد الطاقة الريحية في المناطق البحرية تحديات فريدة في التصميم الكهربائي بسبب البيئة البحرية، والمسافات الأكبر من الشاطئ، وصعوبة الوصول إلى الصيانة والإصلاحات.

نظم كابل الفضاء الفرعي

وتحتاج مزارع الريح البحرية إلى كابلات دون البحار لنقل الطاقة من التربينات البحرية إلى المناطق الفرعية على الشاطئ، ويجب أن تصمد هذه الكابلات أمام ظروف بحرية قاسية تشمل ضغط المياه، والتيار، وأنشطة الصيد، ومراسي السفن، ويجب أن يعالج تصميم القابل الاحتياجات الكهربائية والميكانيكية والبيئية.

وتستخدم الكابلات الفرعية عادة بناء ثلاثي القاعدة مع التسليح للحماية الميكانيكية، ويجب مسح مسار الكابل بعناية لتجنب العقبات وتقليل طوله إلى أدنى حد، ويوفر دفن الكبلات الحماية من الأضرار الخارجية، ولكنه يزيد من تكلفة التركيب وتعقيده، وتقنيات وضع الكابلات السليمة ضرورية لتجنب التوتر المفرط أو الإقراض الذي يمكن أن يلحق الضرر بالكابل.

المناطق الفرعية البحرية

وكثيرا ما تشمل المزارع الكبيرة للريح البحرية المتجهة إلى الخارج محطات فرعية بحرية تجمع الطاقة من التوربينات وترتفع درجة الفولط إلى مستويات عالية لنقلها إلى الشاطئ، ويجب تصميم هذه المزارع الفرعية من أجل التشغيل بدون طيار في بيئات بحرية قاسية، مع توافر قدرات عالية الموثوقية والرصد عن بعد.

ويجب أن توفر برامج التخضّع في المناطق البحرية أسسا مستقرة للمعدات الكهربائية الثقيلة، والحماية من الموجات والطقس، والإقامة لموظفي الصيانة أثناء زيارات الخدمات، ويجب أن تكون المعدات الكهربائية مناسبة للبيئات البحرية التي تعزز حماية التآكل والختم البيئي، وكثيرا ما تُدمج إعادة التوحيد لتحسين الموثوقية نظرا لصعوبة وتكاليف الإصلاحات.

HVDC Transmission

وبالنسبة للمزارع الريحية البحرية الواقعة بعيدا عن الشاطئ، قد يكون نقل الهواء المباشر عالي الفولطية أكثر اقتصادا من انتقال الفيروسات العكوسة.() وتقضي شركة HVDC على فقدان الطاقة التفاعلية المرتبطة بالكابلات الطويلة السلسلة وتتيح الربط بين شبكات المركبات المكلورة، غير أن نظم شركة HVDC تحتاج إلى محطات محولة باهظة الثمن في طرفي وصلة النقل.

وتشمل تكنولوجيا تحويلات الريح البحرية من طراز HVDC المحولات التي تعمل بالخطوط والمحولات التي تستخدمها مصادر فولتاجية (VSC). وتُفضَّل تكنولوجيا شبكة VSC عموماً على تطبيقات الرياح البحرية نظراً لقدرتها على التحكم في الطاقة النشطة والردية بصورة مستقلة، والقدرة على الاستمارة السوداء، والحد من التشوهات المتجانسة، ويتوقف الاختيار بين انتقال الفيروسات المميتة العالية السلسلة على المسافة ومستوى الطاقة وخصائص.

تحقيق الاستخدام الأمثل للنظم الكهربائية

ويشمل تصميم النظام الكهربائي العديد من المفاضلات بين تكاليف رأس المال، وتكاليف التشغيل، وخسائر الطاقة، والموثوقية، وتسعى الإدارة إلى التقليل إلى أدنى حد من تكلفة دورة الحياة مع تلبية المتطلبات التقنية والتنظيمية.

اعتبارات التكاليف الرأسمالية

وتشمل عناصر التكاليف الرأسمالية الرئيسية التوربينات، والمحولات، والكابلات، والبرقيات، والبنى التحتية للربط الشبكي، وتكاليف الربط بين المحاسن (أي خط الربط، والإعانات الفرعية الجديدة أو المحسنة، وتكاليف الربط) مدرجة في برنامج العمل الموحد، وتختلف تكاليف المعدات مع التصنيفات والمواصفات وظروف السوق، وقد تحد وفورات الحجم الكبير للمشاريع، ولكن معوقات النقل وقدرة الشبكة من المشروع.

فالخيارات المتعلقة بالتصميم تؤثر تأثيرا كبيرا على تكاليف رأس المال - يؤدي ارتفاع حجم نظام التحصيل إلى خفض تكاليف الكابلات، ولكن زيادة تكاليف التبديل والتحويلات، ويحسن مستوى الموثوقية للمعدات الزائدة، ولكنه يزيد من الاستثمار في رأس المال، ويجب على المهندسين تقييم هذه المفاضلات لتحديد أكثر التصميمات اقتصادا التي تلبي احتياجات المشاريع.

Energy Loss Valuation

وتمثل الخسائر الكهربائية الطاقة التي كان يمكن بيعها، مما يجعل تخفيض الخسارة قيمة اقتصادية، وتتوقف قيمة تخفيض الخسارة على أسعار الكهرباء، التي قد تتفاوت بحلول النهار والفصل، وتبرر ارتفاع أسعار الكهرباء زيادة الاستثمار في تدابير الحد من الخسائر مثل الكابلات الكبيرة أو المحولات ذات الكفاءة العالية.

وينبغي أن ينظر تقييم الخسائر في طبيعة الخسائر وأسعار الكهرباء التي تدوم وقتاً طويلاً، إذ أن الخسائر هي أعلى الخسائر خلال الفترات التي ترتفع فيها الرياح عندما تنتج التوربينات أقصى طاقة، مما قد يتزامن مع ارتفاع أسعار الكهرباء، كما أن نموذج الإنتاج المفصَّل والتنبؤ بالأسعار يؤديان إلى تحسين دقة تقييم الخسائر وتحقيق الحد الأمثل.

الموثوقية والتوافر

ويؤثر موثوقية النظام الكهربائي على إنتاج الطاقة وإيراداتها، إذ يتسبب فشل المعدات في فقدان الإنتاج إلى أن يتم إصلاحها، وتتوقف تكلفة وقت التعطل على أسعار الكهرباء ومدة انقطاع الكهرباء، ويمكن للاستثمار في معدات أعلى جودة، وتجاوز معدلات الصلاحية، ورصد الحالة أن يقلل من معدلات الفشل ويحسن توافرها.

وينبغي أن ينظر تحليل الموثوقية في معدلات الفشل في العناصر، وفترات الإصلاح، وأثر الفشل على إنتاج الطاقة، وقد يكون هناك تبرير للتشكيلات المتردية بالنسبة للعناصر الحاسمة التي تسبب حالات الفشل في انقطاع أو تؤثر على أجزاء كبيرة من مزرعة الرياح، وتحتاج المزارع الريحية الخارجية عادة إلى قدر أكبر من الموثوقية بسبب صعوبة وتكاليف الوصول إلى المعدات اللازمة للإصلاحات.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ولا تزال النظم الكهربائية للطاقة الريحية تتطور مع النهوض بالتكنولوجيا، وتغير الاحتياجات من الشبكات، وزيادة حجم المشاريع، وهناك عدة اتجاهات ناشئة تشكل مستقبل تصميم الطاقة الكهربائية الريحية.

أكبر توربينات وفولاذ أعلى

ويتجاوز عدد المصابين بالاضطرابات الحديثة 15 ميغاواط لكل وحدة، مما يجعل مزارع الرياح البحرية ذات التربينات الأقل قدرة على إنتاج كميات ضخمة من الكهرباء، ويقلل عدد الوحدات اللازمة لإمكانية معينة، ويحتمل أن يبسط نظم التحصيل ويقلل من التكاليف، غير أنها تتطلب أيضا معدات كهربائية ذات قدرة أعلى وقد تتطلب زيادة في حجم نظام التحصيل.

ويتجلى الاتجاه نحو التوربينات الكبيرة بشكل خاص في التطبيقات الخارجية حيث تُستخدم تكاليف التركيب لوحدات أكبر عدداً، ويجري تصميم مولدات توربين لزيادة إنتاج الطاقة وفولاذها، مما يقلل من احتياجات التحول ويحسن الكفاءة، وتزداد كميات كهرباء نظام الجمع إلى 66 كيلو فولت وما بعده بالنسبة لمزارع رياح كبيرة في الخارج.

Energy Storage Integration

ويكفل التوربينات المزدوجة التي تحتوي على بطاريات كبيرة من الليثيوم أو التدفق إمدادات مستمرة من الطاقة، حتى أثناء التلويحات في الرياح، ويمكن لتخزين الطاقة أن يحوّل إنتاج الطاقة الريحية إلى فترات أعلى من الطلب والأسعار، وأن يوفر خدمات الشبكة مثل تنظيم الترددات، وأن يحسن قيمة الطاقة الريحية.

ويتطلب إدماج تخزين الطاقة مع محطات توليد الطاقة الريحية تصميما دقيقا للنظام الكهربائي لاستيعاب تدفق الطاقة على نحو ثنائي الاتجاه، وإدارة دورات الشحن والتصريف، وتنسيق عمليات التخزين مع احتياجات إنتاج التربين والشبكات، وتتوقف اقتصادات تكامل التخزين على الفوارق في أسعار الكهرباء، وإيرادات خدمات الشبكة، وانخفاض تكاليف البطاريات.

خدمات المحاجين المتقدمة

ومن المتوقع أن توفر محطات الطاقة الريحية الحديثة خدمات الشبكة خارج إنتاج الطاقة، وتشمل هذه الخدمات الاستجابة للتواتر، والدعم بالفولط، والاستجابة غير المباشرة، والقدرة على استخدام الطاقة الخفية السوداء، وتتطلب هذه الخدمات نظما متقدمة للمراقبة وقد تتطلب معدات إضافية مثل أجهزة تكديس المتزامنة أو أجهزة التعقب التي تعمل بالشبكات.

ولا تزال هندسة الطاقة الريحية تتقدم بدافع ثابت للابتكار في التصميم الكهربائي، مع تركيز جهود البحث والتطوير على تعزيز كفاءة المكونات الكهربائية، وتحقيق أفضل عمليات تحويل الطاقة، واستكشاف تقنيات متقدمة للتكامل الشبكي، وهذه الابتكارات أساسية لإدماج مستويات عالية من الطاقة الريحية في الشبكات الكهربائية مع الحفاظ على الموثوقية والاستقرار.

التكوين الرقمي ومزارع الذرة

وتجهز الآن أجهزة الاستشعار التي ترصد الأداء، والظروف الجوية، والصحة الميكانيكية في الوقت الحقيقي، وتحسن هذه البيانات الصيانة وتمتد فترات الحياة التربينية، وتتحول التكنولوجيات الرقمية، بما في ذلك الاستخبارات الاصطناعية، والتعلم الآلاتي، والتوائم الرقمية، عمليات المزارع الريحية وصيانتها.

وتستخدم مزارع الرياح الذكية محلليات متقدمة لتعظيم الأداء، والتنبؤ بالفشل قبل حدوثه، وتنسيق عملية التربين من أجل تحقيق أقصى قدر من إنتاج الطاقة مع التقليل إلى أدنى حد من الحمولات، وتتطلب هذه القدرات نظما كهربائية واتصالية متطورة لجمع ونقل وتجهيز كميات كبيرة من البيانات في الوقت الحقيقي.

معايير ومدونة لنظم الكهرباء في الطاقة الريحية

ويجب أن يمتثل تصميم النظام الكهربائي للطاقة الكهربائية للقوى العاملة للعديد من المعايير والمدونات التي تكفل السلامة والموثوقية والتشغيل المتبادل، وهذه المعايير تضعها المنظمات الدولية والهيئات الوطنية ومجموعات الصناعة.

المعايير الدولية

ويحدد معيار IEC 61400 الاحتياجات الأساسية للتصميم لضمان السلامة الهندسية للطوابق الريحية وهو ذو صلة بجميع النظم الفرعية للتربينات الريحية مثل الأجزاء الهيكلية، وآليات المراقبة والحماية، والنظم الكهربائية، والنظم الميكانيكية، وتشمل هذه السلسلة الموحدة الشاملة متطلبات التصميم، وإجراءات الاختبار، ونوعية الطاقة، والضوضاء الصوتية، وغير ذلك من جوانب تكنولوجيا التربينات الريحية.

وتشمل المعايير الدولية الأخرى ذات الصلة رقم IEC 61000 للتوافق الكهرومغناطيسي، ورقم IEC 60076 لمحولي الطاقة، ورقم IEC 62271 للمفتاح ذي الفولط العالي، ويكفل الامتثال لهذه المعايير استيفاء المعدات للحد الأدنى من متطلبات الأداء والسلامة، وييسر التجارة الدولية في معدات الطاقة الريحية.

المدونة الوطنية والإقليمية

وتحدد الرموز الكهربائية الوطنية متطلبات المنشآت الكهربائية لحماية الناس والممتلكات من المخاطر الكهربائية، وفي الولايات المتحدة، ينص القانون الوطني للكهرباء على متطلبات شاملة لتصميم وتركيب النظام الكهربائي، ولدى بلدان أخرى رموز مماثلة يجب اتباعها.

وتحدد رموز الاتصال القائمة المتطلبات التقنية التي يجب أن تلبيها المولدات للربط بالشبكة الكهربائية، وتختلف هذه الرموز حسب البلد ومشغل الشبكة، ولكنها تتناول عموما حدود الفولط والتواتر، ونوعية الطاقة، والارتفاع بالخطأ، وقدرات التحكم، والامتثال لرموز الشبكة إلزامي للموافقة على الوصل بين الشبكات.

أفضل الممارسات في مجال الصناعة

وبالإضافة إلى المعايير والرموز الإلزامية، توفر أفضل الممارسات في مجال الصناعة التوجيه بشأن تصميم وتركيب وتشغيل نظم الكهرباء بالطاقة الريحية، وتقوم منظمات مثل رابطة الطاقة الريحية الأمريكية، والرابطة الأوروبية للطاقة الشتوية، واللجنة الدولية للكهرباء بنشر الممارسات الموصى بها استنادا إلى الخبرة الصناعية.

فإتباع أفضل الممارسات في مجال الصناعة يساعد على ضمان أن تحقق مشاريع الطاقة الريحية الأداء المتوقع والموثوقية والسلامة، وتتطور هذه الممارسات مع اكتساب الصناعة للخبرة والتقدم التكنولوجي، مما يجعل من المهم للمهندسين أن يبقوا على حالهم مع آخر التطورات.

نموذج التصميم العملي والحساب

ولتوضيح تطبيق مبادئ التصميم الكهربائي، النظر في مثال عملي لمزرعة الرياح المتوسطة الحجم على الشاطئ، وهذا المثال يدل على الحسابات الرئيسية وقرارات التصميم التي تنطوي عليها تطوير نظام كهربائي.

البارامترات

:: القيام بمزرعة رياحية تضم 20 توربيناً، كل منها يُقدر بثلاثة أمتار، لتصل إلى 60 ميغاواط. ويتم ترتيب التوربينات بأربعة أوتار من كل منها خمس توربينات، وتُعدّل المولدات الكهربائية 690 خامساً، وتُعدّل نظام التحصيل 33 كيلو فولت.

جهاز تحويل توربين

كل توربين يحتاج إلى محول ليصعد من 690 V إلى 33 كيلو فولت أمبير المحول يجب أن يتعامل مع طاقة توربينية مُعدّلة بالإضافة إلى حمولات مساعدة، وبافتراض 50 كيلوواط من الحمولة الإضافية، فإن القدرة التحويلية المطلوبة تبلغ حوالي 3.05 أمبير، وسيتم اختيار محول قياسي 3.15 أمبير، مما يوفر هامشاً صغيراً للقدرات الزائدة.

ويؤثر الازدحام المحول على تنظيم الفولط وتيارات الدائرة القصيرة، إذ أن وجود إعاقة نمطية لهذا المحول الحجم هو 6 في المائة، وهذا القصور يحد من تيارات الدائرة القصيرة مع توفير قواعد مقبولة للفولط، وينبغي أن يكون للمحوِّل نظام لتبريد الشبكة يناسب التركيب الخارجي.

نظام جمع المواد القابلة للشرب

وبالنسبة لكابلات نظام التحصيل، تحسب التيار بـ 33 كيلوفولط من أجل توربين ثلاث ميغاواط: أ = P/ (03 × × × × × ×) = 000 3 / (13 × 33,000 × 0.95) = 55 ألف. وهذا هو الحال بالنسبة للتربين الواحد، فالكابل الذي يربط توربين الخامس في سلسلة من التربينات الأربعة عشر يجب أن يحملها من كل تيربين 5

ويتطلب اختيار كابل ذي سلامة كافية النظر في طريقة التركيب ودرجة الحرارة المحيطة وظروف التربة، وبالنسبة للتركيب المدفأ مباشرة في التربة النموذجية، قد يكون لكابل موصل للألومنيوم يبلغ طوله 95 مم2، معدل سلام يبلغ نحو 300 ألف، يوفر قدرة كافية لها هامش معقول، وينبغي حساب انخفاض الفولطية للتحقق منه في حدود مقبولة، وعادة ما يكون 2.3 في المائة من فولتاري الاسمي.

Sizing

ويُعدّ المحوّل البديل من 33 كيلوفولط إلى 132 كيلوفولط لنقله إلى الشبكة، ويجب على المحوّل أن يتعامل مع الناتج الكامل لمزرعة الرياح البالغ 60 ميغاواط.

ينبغي أن يكون للمحوّل مُغيراً في الحمولات لتوفير القدرة على تنظيم الفولط، حيث أن نطاق النثريات المعتاد هو 10 في المائة في 1.25% خطوة، مما يتيح تعديل الفولطية للتعويض عن مختلف ظروف الحمولة وتغيّرات الفولطية، وينبغي تنسيق الازدحام المُحَوِّل مع متطلبات حماية النظام، التي عادةً تتراوح بين 10 و15 في المائة بالنسبة لهذا المحول الحجم.

Loss Estimation

(ب) الخسائر السنوية في الطاقة تساعد على تقييم كفاءة النظم والاقتصاد - تشمل الخسائر في المحولات خسائر في الحمولة (تستمر) وخسائر في الحمولة (تتم بالشحن) وبالنسبة لمحولي التربين (xxxxxxxxx) خسائر في الحمولة تبلغ 5 كيلوواط و5 كيلوواط و5 كيلو فولت، وخسائر في الحمولة الكاملة تبلغ 25 كيلوواط لكل محول، + 20 محولاً يعمل بمتوسط قدرة تبلغ 35 في المائة، وخسائر سنوية (20,4 كيلوواط)

وتتوقف الخسائر في الكبلات على الأسعار الحالية والمقاومة، إذ يفترض متوسط طول الكابلات البالغ 500 متر لكل توربين ومقاومة تبلغ 0.32 أوم/كميل مقابل 95 مم2، ويبلغ متوسط السعر الحالي 35 في المائة من معامل القدرة حوالي 55 ألف x 0.35 = 19.25 ألف.

وتدل حسابات الخسائر هذه على أن خسائر المحول تهيمن في هذا المثال، إذ أن اختيار المحولات ذات الكفاءة العالية يمكن أن يقلل كثيرا من خسائر الطاقة في العمر، رغم أن ذلك يجب أن يتوازن مع ارتفاع التكاليف الأولية.

صيانة واختبار النظم الكهربائية

فالعمليات السليمة والاختبارية ضرورية لضمان استمرار التشغيل الآمن والموثوق للنظم الكهربائية للطاقة الريحية وينبغي أن تستند برامج الصيانة إلى توصيات الصانعين ومعايير الصناعة والخبرة التشغيلية.

الصيانة الوقائية

وتشمل الصيانة الوقائية عمليات التفتيش والاختبار وتقديم الخدمات بانتظام للمعدات الكهربائية لمنع الفشل وتوسيع عمر المعدات، وتشمل الأنشطة النموذجية عمليات التفتيش البصرية لعلامات الضرر أو التدهور، والدراسات الاستقصائية الحرارية لكشف البقع الساخنة التي تشير إلى وجود وصلات غير مستقرة أو مكونات زائدة الحمولة، وأخذ العينات والتحليلات الخاصة بالمحولات.

وينبغي تفتيش وتشديد الاتصالات الكهربائية حسب الحاجة، حيث أن الاتصالات غير المستقرة يمكن أن تسبب التسخين والفشل، وينبغي تفتيش Switchgear على علامات التداول أو التلوث أو اللبس الميكانيكي، وينبغي اختبار نقل الحماية بصورة دورية للتحقق من التشغيل السليم والأوضاع، وتتوقف تواتر هذه الأنشطة على نوع المعدات، وعلى بيئة التشغيل، وعلى توصيات الصانعين.

رصد الحالات

وتستخدم أجهزة رصد الطوابق أجهزة الاستشعار وتقنيات التشخيص لتقييم صحة المعدات وكشف المشاكل الناشئة قبل أن تسبب الفشل، وتشمل تقنيات رصد الحالة المشتركة للمعدات الكهربائية رصدا جزئيا للتصريف بالنسبة للمعدات ذات الارتفاع، وتحليل الغازات المذوبة للمتحولين المزودين بالنفط، ورصد الاهتزاز بالنسبة للمعدات الدوارة.

ويمكن أن توفر نظم رصد الحالة المتقدمة إنذارا مبكرا ببلورة المشاكل، مما يتيح تحديد مواعيد الصيانة أثناء فترات الإجازات المقررة بدلا من الاستجابة للإخفاقات غير المتوقعة، ويمكن أن يؤدي هذا النهج التنبؤي في مجال الصيانة إلى تحسين كبير في توافر التكاليف وخفض تكاليف الصيانة مقارنة بالنفقات التقليدية القائمة على الزمن.

اختبارات التكليف والقبول

وقبل دخول محطة توليد الطاقة الريحية إلى العمليات التجارية، يجب إجراء عمليات شاملة للتكليف والاختبار للتحقق من أن جميع النظم تعمل بشكل صحيح وتستوفي مواصفات التصميم، وتشمل الاختبارات التحقق من مواقع عمليات نقل الحماية وتشغيلها، وقابلية التحويل لقياسات الارتداد، ومقاومة العزل الكابلي، واختبارات عالية القدرة، وقياسات مقاومة نظام الأرض.

وينبغي إجراء قياسات لجودة القوة للتحقق من الامتثال لمتطلبات رمز الشبكة فيما يتعلق بالمواءمة والمزلاجات والتغيرات في الفولط، وينبغي اختبار نظام مراقبة النبات للتحقق من الاستجابة السليمة لقيادات مشغلي الشبكات والاضطرابات في الشبكات، وينبغي اختبار جميع نظم السلامة بما في ذلك إغلاق الطوارئ وحماية الحرائق والتحقق من تشغيلها.

الاعتبارات البيئية في تصميم النظام الكهربائي

وتؤثر العوامل البيئية على تصميم النظم الكهربائية ويجب النظر فيها بعناية لضمان التشغيل الموثوق به والتقليل إلى أدنى حد من الأثر البيئي.

Climate and Weather Effects

ويجب تقييم المعدات الكهربائية للظروف البيئية في موقع التركيب، حيث تؤثر المتطرفات المتوترة على درجات المعدات وأدائها، وتخفض درجات الحرارة العالية المحيطة قدرة الكابلات والمحولات على تحمل الشحنات الحالية، بينما يمكن أن تؤثر درجات الحرارة المنخفضة على خصائص العزل والتشغيل الآلي للمحولات.

ويمكن أن تسبب الرطوبة، والرذاذ الملحي في المناطق الساحلية، والتلوث الصناعي، تآكل المعدات الكهربائية وتلوثها، وينبغي أن يكون للتجهيزات التي تستخدمها البيئات القاسية تقدير ملائم للحماية البيئية ومواد مقاومة للتآكل، وتحتاج المنشآت البحرية إلى أعلى مستويات الحماية البيئية بسبب البيئة البحرية التآكلية.

Electromagnetic Fields

وتولد المعدات الكهربائية حقول الكهرومغناطيسية التي قد تكون خاضعة لحدود تنظيمية لحماية صحة الإنسان وتقليل التدخل في المعدات الأخرى إلى أدنى حد، وتنتج جميع أجهزة التحويل والكابلات والبدائل مرفقاً EMF، مع انخفاض القوام الميداني بسرعة عن المصدر.

وينبغي حساب مستويات التدفق البيئي ومقارنة بالحدود المنطبقة خلال مرحلة التصميم، وإذا تجاوزت المستويات المحسوبة الحدود، قد يلزم اتخاذ تدابير للتخفيف من حدة هذا الوضع، مثل زيادة المسافات الفاصلة، أو التدفئة بالكابلات، أو الترتيب الأمثل للمرحلة، وينبغي معالجة الشواغل العامة بشأن التدفق المائي من خلال الاتصال الشفاف بشأن المستويات الميدانية ومعايير السلامة المنطبقة.

الانبعاثات

ويمكن أن تولد المعدات الكهربائية، بما فيها المحولات والمتحولات، ضوضاء جديرة بالثناء قد تكون خاضعة لحدود تنظيمية، لا سيما بالنسبة للمنشآت القريبة من المناطق السكنية، وينجم الضوضاء المتحولة عن المغناطيسية في القاع ويمكن تخفيضها من خلال التصميم الدقيق، أو أجهزة الكشف عن الصوت، أو زيادة المسافات الفاصلة.

وينبغي التنبؤ بمستويات الضوضاء أثناء التصميم ومقارنة بالحدود المنطبقة، وإذا تجاوزت المستويات المتوقعة الحدود، قد يلزم اتخاذ تدابير للتخفيف من آثار تغير المناخ مثل الحواجز الصوتية، أو ضيوف المعدات، أو اختيار المعدات البديلة.

موجز البارامترات الكهربائية الرئيسية

ويتطلب تصميم النظام الكهربائي الناجح لمصانع الطاقة الريحية النظر بعناية في العديد من المعايير وتفاعلاتها، وتلخص القائمة التالية البارامترات الكهربائية الحرجة التي يجب حسابها وتحديدها:

• Power rating of turbines] - The nameplate capacity of each wind turbine birth, typically ranging from 1.5 MW to over 15 MW for modern utility-scale machines
• Generator voltage and frequency] - The voltage produced by the electricity, typically 690V or 3.3 kV, and the electrical frequency, usually 50 or 60 Hz depending on grid
• Transformer capacity and voltage ratios] - The MVA rating and voltage transformation ratios for turbine transformers and substation transformers
• Collection system voltage - The medium voltage level used for the wind farm collection system, typically 11 kV to 36 kV
• يمكن أن تكون قادرة على تحمل تكاليف النقل الحالية - مدى سلامة نظام التحصيل وكابلات النقل في ظروف محددة من التركيبات
• Line impedance] - مقاومة ورد الكابلات والخطوط العامة، مما يؤثر على انخفاض الفولط وخسائر في الطاقة
• Short-circuit current levels - The maximum fault currents that can flow during electrical faults, determining required interrupting capacity of protective devices
• Protection tool ratings] - The voltage, current, and interrupting ratings of circuit breakers, fuses, and other protective devices
• ] متطلبات تنظيم التطوع ] - الحدود المقبولة لتباين الفولط عند نقطة الترابط وطوال نظام التحصيل
• عامل الدولة وقدرة القوى التفاعلية - نسبة القوة الحقيقية إلى القوة الظاهرة والقدرة على توليد أو استيعاب القدرة الاستباقية لدعم الفولط
• Harmonic distortion limits] - الحد الأقصى المسموح به من التيارات والفولطية المتجانسة لضمان جودة الطاقة
• معامل التقلبات - نسبة إنتاج الطاقة الفعلي إلى الإنتاج النظري الأقصى، مما يؤثر على استخدام المعدات والاقتصاد
• System losses] - الطاقة الكهربائية المفقودة في المحولات والكابلات وغيرها من المعدات، مما يقلل من صافي إمدادات الطاقة
• مقاومة النظام الأرضي ] - مقاومة الأرض لنظام الأرض، مما يؤثر على السلامة وفعالية الحماية من البرق

خاتمة

إن تصميم وحساب النظم الكهربائية لمصانع الطاقة الريحية يشكل تحديا هندسيا متعدد الأوجه يتطلب تكامل مبادئ الهندسة الكهربائية، وتكنولوجيا الطاقة الريحية، واحتياجات الشبكات، وتحقيق الاستخدام الأمثل اقتصاديا، ويتوقف النجاح على التحليل الدقيق لظروف المواقع، واختيار المعدات وتقسيمها، وحسابات دقيقة للبارامترات الكهربائية، والامتثال للمعايير والمدونات المنطبقة.

ويجب أن يتحول النظام الكهربائي بكفاءة الطاقة الريحية المتغيرة إلى طاقة كهربائية ذات نوعية جيدة، مع ضمان السلامة والموثوقية والقدرة الاقتصادية على البقاء، ومع استمرار تكنولوجيا الطاقة الريحية في التقدم مع التوربينات الكبيرة، وارتفاع فولترز، ونظم التحكم الأكثر تطورا، يجب على المهندسين الكهربائيين أن يظلوا على حالهم مع أفضل الممارسات المتطورة والتكنولوجيات الناشئة.

إن تصميم النظام الكهربائي السليم أمر أساسي لنجاح مشاريع الطاقة الريحية، إذ أن النظم المصممة تصميما جيدا تزيد إنتاج الطاقة إلى أقصى حد، وتخفض إلى أدنى حد الخسائر، وتضمن التشغيل الآمن، وتوفر خدمات دعم الشبكة التي يحتاجها مشغلو النظم بصورة متزايدة، وبما أن الطاقة الريحية تواصل نموها السريع كمصدر رئيسي للطاقة المتجددة، فإن أهمية تصميم النظام الكهربائي الممتاز ستزداد فقط.

For those interested in learning more about wind energy systems and electrical engineering, resources are available from organizations such as the U.S. Department of Energy Wind Energy Technologies Office, the National Renewable Energy Laboratory, and the IEE Power and Energy Society[FL.]