مستقبل نظم الطاقة اللامركزية مع وحدات ستاتكوم موزعة

الحاجة المتزايدة لدعم القوى التفاعلية اللامركزية

(أ) إن نظم الطاقة الحديثة تمر بتحول أساسي من شبكات مركزية من القمة إلى بنية لا مركزية موزعة، فالاعتماد السريع لمصادر الطاقة المتجددة مثل الفولطية الشمسية والرياح المتطورة يؤدي إلى تفاوت وعدم يقين بأن البنية التحتية التقليدية للشبكة لم تكن مصممة للتعامل معها، ومن التحديات التقنية الحاسمة في هذا الانتقال الحفاظ على استقرار الفولطية وجودة الطاقة عبر الشبكة.

فخلافا للمصارف التقليدية التي تعمل على التأشيرات أو المفاعلات التي تحولت آليا، فإن وحدات اللجنة الإحصائية الموزعة هي أجهزة تعتمد على الطاقة الكهربائية ويمكن أن تحقن أو تستوعب الطاقة الاستباقية على الفور تقريبا، وقدرتها على توفير دعم دينامي للفولاذ في نقاط متعددة في شبكة التوزيع تجعلها حجر الزاوية في استراتيجيات الشبكة الذكية الحديثة، حيث تسعى المرافق ومشغلو الشبكات إلى إدماج حصص أعلى من مصادر الطاقة المتجددة، والحد من خسائر النقل، وتحسين قدرة النظام على التكيف عموما،

وتوفر هذه المادة استكشافا متعمقا لتكنولوجيات اللجنة الإحصائية الموزعة: كيفية عملها، وفوائدها الرئيسية، وتطبيقات العالم الحقيقي، وتحديات التكامل، والتوقعات المستقبلية لنشرها في الجيل القادم من نظم الطاقة.

ما هو المُخزّر المُشَرَّد؟

A Static Synchronous Compensator (STATCOM)] is a voltage-converter (VSC)-based tool that provides reactive power compensation to an electrical grid. It belong to the family of Flexible AC Transmission Systems (FACTS) devices and is widely used at the transmission and distribution levels.

وتتراوح وحدات اللجنة الإحصائية الموزعة عادة بين بضع مئات كيلوفولت - أمبيرات تفاعلية إلى عدة وحدات من الميغافولت - متفاعلة، وهي مصممة لتكون مدمجة وقابلة للتقسيم وقادرة على الاندماج دون هوادة مع البنية التحتية القائمة للتوزيع، وتتمثل مهمتها الرئيسية في تنظيم التطاير عن طريق الإمداد الدينامي أو استيعاب الطاقة الرجعية، مما يؤدي إلى تحسين عوامل الاستقرار، والحد من الضار.

How STATCOM Differs from Traditional Compensation Devices

وتشمل أجهزة التعويض التقليدية عن الطاقة الاسترجاعية مصارف الخزان ومفاعلات الشلن ومكثفات متزامنة، وتوفر مصارف الكابات حقنة ثابتة أو تدريجية لتوليد الطاقة الرجعية، ولكنها لا تستطيع استيعاب الطاقة الاسترجاعية وتباطؤ أوقات الاستجابة، وتخضع أجهزة الاستنشاق للتحكم المستمر ولكنها أجهزة كبيرة ومتناوبة ذات صيانة عالية وبطء الاستجابة.

والمزايا الرئيسية التي تتمتع بها اللجنة الإحصائية على الأجهزة التقليدية هي السرعة والدقيقة والقدرة ذات الاتجاهين، ويمكن للجنة الإحصائية أن تنتقل من الناتج الأسري الكامل إلى الناتج المحفز بالكامل في دورة واحدة (16-20 مترا). وهذا يجعلها فعالة للغاية لتخفيف آثار الفولط، والمزلاج، وغير ذلك من مسائل نوعية الطاقة الناجمة عن تغيرات في التوليد المتجدد أو الحمولة المفاجئة.

توزيع فيرسوس مركزي

كما أن إعادة تشكيل القوة الكهربائية المركزية قد تم تركيبها في مراكز النقل الرئيسية لدعم تدفق الطاقة السائبة واستقرار الفولط في مختلف المناطق، وهي كبيرة )٥٠-٢٠٠ ميغابار أو أكثر( ومكلفة، ومن ناحية أخرى، فإن عمليات إعادة الإمداد بالطاقة الشمسية التي توزع على خطوط التغذية عند مستوى التوزيع، وفي إطار عمليات فرعية، أو تكبّد كميات كبيرة من التحميل الصناعي، أو المتاخمة لمواقع توليد الطاقة المتجددة، تتيح عدة فوائد:

التكنولوجيا الأساسية ومبدأ العمل

وقلب اللجنة الإحصائية الموزعة هو محول مصدر دوار ] يستخدم مفاتيح تحويلية شبه موصلة (IGBTs) لتجميع مجموعة من التدفقات من وصلة من البلدان النامية، وعادة ما تدعم هذه الرابطة مصرفاً مكثفاً، وذلك بضبط إمدادات البيانات الفوقية وزاوية التدفق النسبية

ويستخدم نظام المراقبة التغذية المرتدة من أجهزة الاستشعار بالفولطية، والمحولات الحالية، وكثيرا ما يتواصل مع متحكم الشبكة لتحديد ناتج الطاقة الاستباقي المطلوب، ويحد التخديرات المتقدمة - مثل أجهزة التحكم بالتناسب المتكاملة، والتحكم بالتنبؤات النموذجية، أو المنطق الغامض المستخدم لضمان الاستجابة السريعة والمستقرة، وتدمج التصاميم الحديثة أفضل التقنيات المحولة المتعددة المستويات (مثلاً).

العناصر الرئيسية للإحصاء الموزع

• Power Electronic Switches:] IGBT modules or IGCTs for high-voltage, high-currentting.
• DC Capacitor Bank:] Provides the DC voltage source and filters ripple.
• Coupling Transformer or Filter:] Connects the converter to the grid and filters out high-frequency shifting harmonics.
• Control System:] Microprocessor-based controller with DSPs or FPGAs for real-time computation.
• نظام تجميع: ] Air or liquid cooling to manage heat dissipation from power electronics.

استحقاقات وحدات اللجنة الإحصائية المشحونة

ويوفر نشر وحدات اللجنة الإحصائية الموزعة مجموعة واسعة من الفوائد لمشغلي الشبكات، ومطوري الطاقة المتجددة، والمستهلكين النهائيين، فيما يلي أكثر المزايا إلحاحا، التي يشرحها بالتفصيل.

تعزيز الاستقرار في مجال التبعات وتنظيمها

إن استقرار التطاير أمر حاسم لمنع انهيار الفولط، الذي يمكن أن يؤدي إلى انقطاع الكهرباء، وتوفر هذه المراكز المحلية أنظمة سريعة ومستمرة للفولط عند نقطة الاتصال، ويمكنها أن تقاوم الغواصات الفولطية الناجمة عن الأخطاء أو زيادات الحمولة المفاجئة، وتكبت الارتطامات أثناء ظروف الحمولة الخفيفة، وهذه السيطرة المحلية قيمة بصفة خاصة في شبكات التوزيع ذات ارتفاع كبير في سرعة تدفق الطاقة الشمسية، حيث يمكن أن يؤدي تدفق الطاقة العكسي إلى حدوث تطا.

تحسين نوعية الطاقة

كما أن قضايا نوعية الطاقة مثل المغازلة والانسجام واختلال التوازن في الفولط تؤدي إلى تدهور أداء المعدات الحساسة وتخفض كفاءة النظام، وقد تكون هذه المراكز فعالة في التخفيف من هذه القضايا، وقد تؤدي استجابتها السريعة إلى تهدئة تقلبات الفولط الناجمة عن فرون القطب أو علكة الرياح أو الغطاء السحابي الشمسي، وبالإضافة إلى ذلك، فإن التقلبات المتطورة التي ترتفع فيها معدلات الارتفاع في حركة الازدحامض الحراري تؤدي إلى الحد الأدنى من التشويات المتكاملة، وإلى حدوث تشوهات الارتطية الارتطية الارتطية الارتجية الارتطية الارتجية الارتجية الارتجية الارتجية الارتجية الضاريسية الارتجية.

زيادة قدرة الرهائن على التجديد

أما شبكات التوزيع التي صُممت أصلا لتدفق الطاقة من اتجاه واحد فتستوعب الآن التدفقات الثنائية الاتجاه من جيل موزع، وبدون دعم كاف للطاقة الرجعية، فإن ارتفاع الفولط في نهاية المغذي يمكن أن يحد من كمية الطاقة الشمسية التي يمكن تركيبها، وتتيح اللجنة الإحصائية الموزعة للمرافق زيادة القدرة على استضافة الخطوط القائمة دون رفع مستويات باهظة الثمن، وقد أظهرت الدراسات أن إضافة لجنة تقييمية موزعة يمكن أن تزيد من التوزيع المثالي للفولطيفوم على ٣٠-٥٠.

خفض الخسائر في الانبعاثات والتوزيع

ويؤدي تدفق الطاقة الاستباقية عبر خطوط النقل والتوزيع إلى خسائر في الموارد البشرية، ويقلل من قدرة النظام الفعالة، إذ إن توفير الطاقة الاستباقية محليا، يؤدي إلى خفض المسافة التي يجب أن تسافر بها القوة الرجعية، مما يؤدي إلى تقليل الخسائر إلى الحد الأدنى، مما يؤدي أيضا إلى تحرير القدرة الحرارية على الخطوط، مما قد يؤدي إلى تأجيل الاستثمارات في الهياكل الأساسية الجديدة.

الاستجابة الدينامية السريعة

إن الاستجابة للدورة الفرعية للجنة الإحصائية تجعلها مناسبة لتعزيز الاستقرار العابر، وفي حالة حدوث خطأ، يمكن للجنة الإحصائية أن تحقن الطاقة الاستباقية في غضون بضعة مليارات لدعم استعادة الفولطاج ومنع انقطاع الطمث، وهذه القدرة أساسية للحفاظ على الاستقرار في الشبكات الضعيفة أو أثناء إدماج مزارع كبيرة من الرياح أو من المزارع الشمسية.

التطبيقات الرئيسية لوحدات اللجنة الإحصائية الموزعة

ويجري نشر هذه اللجنة الإحصائية الموزعة في سياقات متنوعة، من شبكات توزيع المرافق إلى المرافق الصناعية، وتبرز مجالات التطبيق التالية مدى صلاحيتها.

Renewable Energy Integration

وكثيرا ما توجد المزارع الفائزة والشمسية في مناطق نائية ذات وصلات ضعيفة بالشبكة، إذ عادة ما تكون هناك حاجة إلى مشاريع قابلة للتجديد على نطاق الطاقة لتلبية رموز الشبكة التي تخول القدرة على إعادة النشاط على الطاقة، والأداء المفاجئ، ويمكن وضع مجموعات البيانات الإحصائية الموزعة في نقطة الانقلاب المشترك للوفاء بهذه المتطلبات، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تقترن مزرعة الرياح التي تبلغ ٣٠ ميغاواط بمتطلبات من الطاقة الكهربائية.

Microgrids and Islanded Systems

وتواجه الحاجات الصغيرة التي يمكن أن تعمل في إطار شبكة أو في المناطق الجزرية تحديات خاصة في مجال مراقبة الفولط والتواتر، وتوفر هذه المراكز التي توزع على نطاق واسع الدعم السريع للطاقة الرجعية اللازمة للحفاظ على استقرار الفولط عندما تتحول المايكرويد إلى أساليب أو عندما يتغيّر الجيل المتجدد، وفي العمليات الجزرية، يمكن للجنة الإحصائية أن تساعد على تنظيم التطاير دون الاعتماد على الشبكة الرئيسية، مما يمكّن من زيادة التكرار.

مركبة كهربائية (EV)

ويمكن أن يؤدي النمو السريع لمحطات شحن المركبات الكهربائية، ولا سيما المحملات السريعة بمستويات الطاقة البالغة ١٥٠-٣٥٠ كيلوواط، إلى انخفاضات كبيرة في حجم المركبات وإلى مسائل تتعلق بنوعية الطاقة، ويمكن أن تعوض المراكز التي تم توزيعها عن الطلب على الطاقة بأثر رجعي، وأن تخفض من الحقن المتناسق، وأن تضمن ألا تؤثر محطة الشحن تأثيرا سلبيا على شبكة التوزيع المحلية، وأن تدمج بعض محطات الشحن المتقدمة هيكلا أساسيا في عملية الشحن.

النباتات الصناعية واللواد الثقيلة

وكثيرا ما تعاني المرافق الصناعية ذات المحركات الكبيرة أو أفران القوس أو معدات اللحام من عقوبات عوامل القوة وتقلبات في حجمها، ويمكن أن تقوم اللجنة الإحصائية الموزعة التي تم تركيبها في الموقع باستمرار بتصحيح عامل القوة، وقمع المزلاج، وتحسين موثوقية العمليات، وتأتي العائد على الاستثمار من تخفيض العقوبات على المرافق العامة، وانخفاض استهلاك الطاقة، وزيادة عمر المعدات.

التحديات والنظر في التكامل

ورغم مزاياها الكثيرة، فإن الاعتماد الواسع النطاق لوحدات اللجنة الإحصائية الوطنية الموزعة يواجه عدة حواجز يجب معالجتها من خلال التخطيط المتأنق والتوحيد ومواصلة الابتكار.

التكاليف الرأسمالية الأولية

أما الوحدات الإلكترونية للطاقة - هي: " إي بي تي " ، والمكثفات، ونظم التبريد - باهظة التكلفة، وبالنسبة للمنشآت الصغيرة التي توزع على مستوى التوزيع، فإن التكلفة لكل " كارف آر " يمكن أن تكون أعلى من المصارف التقليدية للمكثفات، غير أن التكلفة الإجمالية للملكية يجب أن تُحسب للفوائد الإضافية، مثل انخفاض الخسائر، وتأجيل تحديث الهياكل الأساسية، وتحسين الموثوقية، حيث يتوقع أن تتراجع التكاليف تدريجياً.

الرقابة والتعقيد في الاتصالات

ويتطلب تنسيق وحدات متعددة موزعة من شبكة التوزيع نظما متطورة للمراقبة وهياكل أساسية قوية للاتصالات، ويمكن أن يرسل مراقبون مركزيون نقاطا، ولكن يجب إدارة الشواغل المتعلقة بالتساهل وأمن الفضاء الحاسوبي، وتستهدف النُهج الناشئة التي تستخدم الرقابة الموزعة، مثل خوارزميات توافق الآراء أو بروتوكولات النميم، توفير التنسيق دون نقطة فشل واحدة، ويجب أن تستثمر المرافق في شبكات الاتصالات الموثوقة والمأمونة.

التفاعلات بين المتجانسات والمواقف

وفي حين أن اللجنة الإحصائية نفسها تنتج حدا أدنى من التناسق، فإن تفاعلها مع الازدحام في الشبكة يمكن أن يؤدي إلى تضخيم أو إعادة صمود، كما أن تصميم الرش السليم ودراسات التلاعب ضرورية، وبالإضافة إلى ذلك، فإن وجود أجهزة إلكترونية متعددة للطاقة مثل أجهزة اللافتات الفولطية والهيدروكومز - يمكن أن يؤدي إلى تفاعلات معقدة.

ثانيا - القدرة على العمل

ولا تزال هناك قوانين مظالم لأجهزة الطاقة الاستباقية الموزعة في العديد من الولايات القضائية، إذ أن معايير مثل IEEE 1547 في الولايات المتحدة و VDE-AR-N 4105 في ألمانيا تحدد متطلبات المحافير الذكية، ولكن المعايير المحددة لوحدات اللجنة الإحصائية الموزعة أقل نضجا، ويجب وضع دراسات للوصلات، وتنسيق الحماية، وبروتوكولات الاختبار لضمان التشغيل الآمن والموثوق.

الفضاء والبيئي

وتحتاج وحدات اللجنة الإحصائية الموزعة إلى بصمة مادية مدمجة، ولكنها لا تزال بحاجة إلى حيز كاف للمحولين والمحولين ونظم التبريد، وفي البيئات الحضرية أو في ممتلكات الإحلال الحالية، قد يكون الفضاء محدودا، كما أن النواة من المعجبين أو المحولات المبردة يمكن أن تكون مصدر قلق، وتقوم الجهات المصنعة بوضع حلول في الهواء الطلق تخفف من الآثار البصرية والضوضاء.

الاتجاهات المستقبلية والتوقعات

ومن المتوقع أن يتسارع نشر وحدات اللجنة الإحصائية الموزعة بشكل كبير في العقد القادم، وهناك عدة اتجاهات تقنية وسوقية تدعم هذا النمو.

السلف في الإلكترونيات الكهربائية

وتقدم أجهزة العرض ذات النطاق الواسع، مثل قنبل السيليكون ونيتريد الغاليوم، تقديرات أعلى للفولط، وخسائر التحويل، وارتفاع درجات حرارة التشغيل عن مركبات الإيغ بي تي، وستمكن هذه المواد وحدات أصغر حجما وأكثر كفاءة من وحدات اللجنة الإحصائية من حيث التبديل والتقليل من متطلبات التوزيع، حيث يرجح أن تكون هذه المواد أكثر تكلفة.

التكامل مع تخزين الطاقة والمتحولين الذكاء

وقد أصبحت مهام اللجنة الإحصائية الموزعة تدمج بصورة متزايدة في مناشف ذكية لنظم تخزين الطاقة الشمسية والبطارية، وقد يكون للمنحرفين بالفعل الكترونيات للطاقة اللازمة لمراقبة الطاقة بأثر رجعي؛ وإضافة قدرات شبيهة بالشبكة الإحصائية (مثل الاستجابة الدينامية السريعة وتنظيم الفولط) امتداد طبيعي، وقد يؤدي هذا التقارب إلى خفض تكاليف المعدات وتبسيط نشرها، وقد لا يزال العديد من المحاورين الحديثين يقدمون دعما للطاقة بأثر رجعي، ولكنهم يطلبون من هذه الخدمات

الاستخبارات الأثرية والرقابة الافتراضية

ويمكن أن تؤدي خوارزميات التعلم الآلاتي إلى تحقيق الحد الأمثل من تشغيل وحدات التقييم الذاتي الموحد الموزعة بالتنبؤ بالتغيرات في الفولطية استنادا إلى التنبؤات الجوية، وأنماط الحمل، والتوليد المتجدد، ويمكن للضوابط القائمة على أساس آي أن تعدل نقاط التفتيش في الوقت الحقيقي لتقليل الخسائر إلى أدنى حد، وتحسين الموجزات الفولطية، وتوسيع نطاق حياة المعدات، ويجري استكشاف نهج التعلم من أجل التنسيق المستقل للوحدات المتعددة في منطقة مجهرية.

نمو الأسواق وتوحيدها

ووفقا لتقارير الصناعة، يتوقع أن تنمو السوق العالمية للسوق الإحصائية في أفريقيا الوسطى بمعدل نمو سنوي مركب يزيد عن 7 في المائة حتى عام 2030، مع تجاوز القطاع الموزع للمنشآت المركزية، وتجريب المرافق في بلدان مثل ألمانيا وأستراليا والهند والولايات المتحدة مشاريع اللجنة الإحصائية، وستؤدي جهود توحيد المعايير التي تبذلها منظمات مثل مركز البحوث البيئية الدولية، واللجنة الانتخابية المستقلة إلى تبسيط الترابط وتعزيز قابلية التشغيل المتبادل.

أمثلة على الانتشار الحقيقي في العالم

وفي حين أن تفاصيل المشاريع المحددة كثيرا ما تكون مأمونة، فإن عدة عمليات نشر بارزة توضح إمكانية توزيعها على اللجنة الإحصائية.

• //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// [
• US Microgrid Pilot: ] A university microgrid in California integrated a 500 kVAR distributed STATCOM with bat storage to study islanded operation. The STATCOM maintained voltage within 1% during altering events and improved the microgrid's resilience.
• () محطة شمسية من طراز MW في راجاستن استخدمت محطة كهرباء من طراز MVAR في نقطة الوصل لتلبية متطلبات صارمة من رموز الشبكة لتنظيم الفولط والارتطام من خلالها، وقد مكنت الشركة من العمل في عامل القوة الوحدة في الوقت الذي تعوض فيه عن احتياجات الطاقة الرجعية.

خاتمة

ويتطلب الانتقال إلى نظم الطاقة اللامركزية أدوات مبتكرة لإدارة استقرار الفولط، ونوعية الطاقة، والموثوقية، وتوفر وحدات الإحصاء التي توزعها وحدات مثبتة وقابلة للتكرار، ومستجيبة سريعة للتصدي لهذه التحديات مباشرة، ومن خلال توفير الدعم المحلي للطاقة الرجعية، فإنها تعزز تكامل الطاقة المتجددة، وتخفض خسائر النظم، وتحسن قدرة شبكات التوزيع على التكيف، وفي حين أن التكاليف الأولية وتعقيدات التكامل لا تزال عقبات، وتستمر في مراقبة المنظومات الإلكترونية.

وبالنسبة للمرافق ومطوري المشاريع الذين يستثمرون في الهياكل الأساسية الذكية للشبكات، فإن تكنولوجيا المعلومات التي توزعها تمثل عاملاً حاسماً في انتقال الطاقة، وبما أن حصة جيل التوزيع لا تزال تنمو، ومع تزايد التحميلات التي تكتسب دينامية أكبر مع المركبات الكهربائية ومضخات الحرارة، فإن قيمة التعويض السريع والذكي عن الطاقة الرجعية لن تزيد إلا، وسيبنى مستقبل نظم الطاقة اللامركزية على تكنولوجيات تتسم بالمرونة والرقمية والقدرة على التكيف في الوقت الحقيقي، كما أن تكون واجهات الموزعة.

For further reading, consult resources from the IEEE Power ' Energy Society, CIGRE working groups on FACTS, and technical papers from manufacturers such as Siemens Energy and AB. Also refer to NREL (National Renewable Energy Laboratory) reports on distributed voltage control and [FT:3]