متطلبات شبكة التوزيع لربط أنظمة الطاقة الشمسية- الجزء الرابع

أثر ربط مصادر الطاقة المتجددة الموزعة

المقال الرابع : متطلبات شبكة التوزيع لربط أنظمة الطاقة الشمسية

كما تقدم معنا في مقالات سابقة، هناك متطلبات الزامية لربط مصادر الطاقة المتجددة كمعايير IEEE1547-2018 والتي يعتمد عليها العديد من مقدمي خدمة التوزيع الكهربائي. حيث تم وضع هذه المعايير لتحفيز تطوير العواكس الذكية المستخدمة لربط هذه المصادر لتجنب أثرها على جودة واعتمادية الطاقة الكهربائية. بل إن تطوير العواكس الذكية قد يؤدي الى المساهمة في تحسين جودة واعتمادية الطاقة الكهربائية لما تقدمه من خدمات للشبكة منها على سبيل المثال: المساهمه بالطاقة الغير فاعلة لتحسين معامل القدرة والجهد الكهربائي، وتحسين التردد بخاصية تتبع التردد المنحاز عن التردد الطبيعي للشبكة. نستعرض في هذا المقال أبرز المتطلبات الفنية التي تم الزاميتها والتي سيتم اعتماد الزام مطوري مشاريع المتجددة بشبكة التوزيع في السنوات القليلة القادمة مع تطور جيل العواكس الذكية. أيضا سأعطي نصائح لمصممي أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية لتفادي أي فواقد من انتاج المحطة الشمسية عند تطبيق هذه الاشتراطات. من هذه الاشتراطات الالزامية حاليا:

دعم جهد الشبكة الكهربائية:

في الاصدار القديم لمعيار IEEE 1547-2003 كان ممنوع على العواكس المساهمة في دعم جهد الشبكة. مع تطور تقنيات العواكس الذكية، تم الزامية دعم جهد الشبكة الكهربائية في الاصدار IEEE1547-2018 والذي من الممكن تحقيقه إما عن طريق التحكم بالقدرة الفاعلة (P, Watt) أو عن طريق الطاقة التفاعلية (Q, Var).

• طريقة ال Volt/VAr

ويتم تفعيل هذه التقنية عن طريق الإعدادات الفنية بالعاكس الذكي بحيث يتم المحافظة على الجهد في المدى المسموح حسب معايير ال ANSI (بين 0.9 إلى 1.1 كوحدة معيارية) عن طريق ضخ او سحب القدرة التفاعلية من العاكس الذكي للشبكة عند نقطة الإلتقاء. يتم تفعيل التقنية باستجابة سريعة عندما يقل الجهد عن 0.95 وحدة معيارية بضخ قدرة تفاعلية أو بسحب قدرة تفاعلية من الشبكة عند زيادة الجهد عن 1.05 وحدة معيارية. الرسمة (1) بالأسفل توضح كيف أن العاكس الذكي ساهم بسرعة بإعادة الجهد الكهربائي من 0.8 وحدة معيارية إلى المستوى الطبيعي أعلى من 0.9 وحدة معيارية وذلك بضخ قدرة تفاعلية للشبكة عند نقطة الألتقاء تصل 20% من القدرة الاسمية للعاكس.  بينما في الرسمة (2) نلاحظ ارتفاع جهد الشبكة الكهربائية عند نقطة الإلتقاء لأعلى من المدى المسموح عند 1.2 وحدة معيارية مما أدى لتفعيل تقنية volt/var بالعاكس الذكي وسحب القدرة التفاعلية مما خفض الجهد للمدى المسموح عند أقل من 1.1 وحدة معيارية باستجابة سريعة.

رسمة (1) مساهمة العاكس الذكي في رفع الجهد الكهربائي عند نقطة الالتقاء بضخ قدرة تفاعلية للشبكة

رسمة (2) مساهمة العاكس الذكي في خفض الجهد الكهربائي عند نقطة الإلتقاء بسحب قدرة تفاعلية من الشبكة

• طريقة ال Volt/Watt

هذه الطريقة مشابهة للأولى إلى حد ما، حيث يتم تخفيض القدرة الفاعلة من المحطة الشمسية مثلا في حالة ارتفاع الجهد عند نقطة الألتقاء فوق المقياس الطبيعي بعد استخدام كافة السعة من القدرة التفاعلية. يتم عادة اللجوء لهذه الخاصية التقنية بالتوازي مع التقنية الأولى عندما لا تكون كافية لخفض الجهد. أما بما يتعلق بانخفاض الجهد عن المستوى المعياري، فالتقنية هذه لا يمكن استخدامها إلا في حالة أن هناك قدرة فاعلة قابلة للرفع من المحطة الشمسية من اجمالي السعة. في الرسمة (3) سأوضح ديناميكية عمل هذه التقنية مع التقنية الأولى بالتوازي والتي تسمى أحيانا (Watt/Var):

حالة انخفاض الجهد: عند انخفاض الجهد في الثانية 60 انخفض الجهد الى 231 فولت (0.95 وحدة معيارية) تم تفعيل خاصية volt/var حتى وصل الانخفاض بالجهد الى 216 فولت (0.9 وحدة معيارية) قام العاكس الذكي بضخ الحد الأعلى 1200 VAr من القدرة التفاعلية حتى للمحافظة على الجهد عند المدى المسموح وذلك عند 0.91 معامل قدرة. ثم عند الثانية 320 نجد ان جهد الشبكة 1.03 وحدة معيارية تم تفعيل volt/var و ايضا volt/watt. حيث تم سحب قدرة تفاعلية بالقيمة القصوى 1200 VAr من الشبكة بالاضافة لخفض القدرة الفاعلة من المحطة الشمسية حتى وصلت لصفر عند وصول الجهد ل 1.09 وحدة معيارية وثباته عندها.

رسمة (3) مساهمة العاكس الذكي في خفض/رفع الجهد الكهربائي عند نقطة الإلتقاء بسحب/ضخ  قدرة فاعلة وتفاعلية

أعتقد أنه من المحتمل مستقبلا يقوم بعض مقدمي خدمة التوزيع من وضع اشتراطات لدى مطور المشروع الشمسي بترك دائما هامش معين مثلا 5% من السعة للقدرة الفاعلة في وضع الاستعداد عند حصول خفض للجهد مما يتيح من الاستفادة من هذه التقنية في العاكس الذكي. من الممكن اشتراط ذلك من مقدم خدمة للقدرات المتوسطة 1 الى 5 ميقاواط كمرحلة اولية وعند وصول اجمالي الانظمة الشمسية المركبة في شبكة التوزيع مستويات عليا من تغطية الاحمال.

 متطلبات الشركة السعودية للكهرباء (مقدم خدمة التوزيع) في ربط مصادر الطاقة الشمسية (1 ك.و – 2 ميقاواط)

تم اشتراط وجود خاصية التحكم بالقدرة التفاعلية في العاكس الذكي على أن يكون قادرا على ضخ أو سحب قدرة تفاعلية عند كل قيم القدرة الفاعلة ( من صفر إلى أقصى قدرة اسمية للعاكس). على أن يتم تثبيت معامل القدرة عند 0.95 عند نقطة الالتقاء مع الشبكة للنظام حسب الرسمة (4). فالرسمة (4) توضح متطلبات مقدم خدمة التوزيع. حيث أن الانظمة التي تتجاوز 11 كيلواط، يجب توفير 33% قدرة تفاعلية كنسبة من القدرة الفاعلة لجميع ظروف الانتاج من القدرة الفاعلة للنظام الشمسي الكهروضوئي. بينما للانظمة التي اقل من 11 كيلواط فقيمة القدرة التفاعلية تتزايد بشكل خطي حسب القدرة الفاعلة (مثال: عند قدرة فاعلة 60% الحد الأقصى الإلزامي 20% قدرة تفاعلية).

رسمة (4) متطلبات شركة الكهرباء عند نقطة الإلتقاء بسحب/ضخ  قدرة فاعلة وتفاعلية

هناك عدت طرق سمح بها مقدم خدمة التوزيع على أن يختار المقاول إحداهن. سأستعرض أهم طريقتين :

طريقة Volt/VAr او ما اشير له بالمتطلبات ك (Q(V : حيث يتم تثبيت اعدادات العاكس الذكي ليكون متوافقا مع رسمة (4)، على أن يعمل العاكس عن أقصى قيمة قدرة تفاعلية اذا خرج الجهد عن النطاق المسموح كما هو في الرسمة (5)، وبشكل خطي كقيمة عند انحياز الجهد عن القيمة المعيارية بنسبة 5%.

رسمة (5) الية عمل العاكس الذكي بضخ قدرة تفاعلية للشبكة حسب الجهد عند نقطة الالتقاء

أيضا كخيار اخر اتاحه مقدم خدمة التوزيع هو التحكم بالقدرة التفاعلية عن طريق عمل إعدادات التحكم بالقدرة الفاعلة Watt/VAr بالعاكس الذكي لتثبيت معامل القدرة عند 95%  عند القدرة الفاعلة العليا. حيث يقوم العاكس بالعمل تحت نظام (cosϕ(P بتخفيض أو زيادة القدرة التفاعلية كما هو موضح بالرسمة (6).  فمن قدرة فاعلة 0 الى 50% فمعامل القدرة يساوي 1، بينما ينخفض بشكل خطي اذا زادت القدرة الفاعلة عن 50%.

رسمة (6) متطلبات شركة الكهرباء عند نقطة الإلتقاء بسحب/ضخ  قدرة فاعلة حسب الجهد

هنا بعض التوصيات لمقدمي خدمة التوزيع من قبل GridLab:

• طريقة Volt/Var من أكثر الطرق كفاءة لتحسين الجهد بأقل قيمة من القدرة التفاعلية مما يقلل الحاجه لتخفيض القدرة الفاعلة.
• طريقة Volt/Var من أكثر الطرق فاعلية لمستقبل الشبكة
• مخاوف شركات الكهرباء بتأثر أنظمة ضبط الجهد (Voltage Regulation) بالعواكس الذكية عند تفعيل خصائص التحكم بالقدرة التفاعلية من الممكن تفاديه وتم تطبيق ذلك عمليا.
• التوصية برفع سعة العاكس الى المحطة الشمسية لعدم تأثر انتاجية المحطة عند تفعيل نظام التحكم بالقدرة التفاعلية.

هل نحتاج إلى زيادة قدرة العاكس لتفادي تأثر انتاجية المنظومة الشمسية؟

التوصية الأخيرة محورنا الأخير في هذا المقال حيث أن الجواب ليس دائما فقد طور العديد من شركات تصنيع العواكس بأن يكون هناك قدرة ظاهرية (KVA) أعلى من القدرة الفاعلة (P). فمثلا سنجد عاكس قدرته 60 كيلواط بينما قدرته الظاهرية 66 KVA، مما يتيح للعاكس العمل عند معامل قدرة 95% بدون الحاجة لتقليل القدرة الفاعلة. فيستحسن على المصمم أخذ هذه النقطة بالاعتبار لتقليل فواقد النظام الشمسي وتحقيق أفضل عائد اقتصادي.

هناك بعض المتطلبات الأخيرة، سيتم التطرق لها بالمقال القادم إن شاء الله تعالى.

مصادر:

1. 1547-2018 – IEEE Standard for Interconnection and Interoperability of Distributed Energy Resources with Associated Electric Power Systems Interfaces, IEEE, 2018.
2. IEEE PES Industry Technical Support Leadership Committee, Impact of IEEE 1547 Standard on Smart Inverters and the Applications in Power Systems, TECHNICAL REPORT, August 2020.
3. Regulation Voltage: Recommendations for smart inverters, GridLAB, 2019, Report online.
4. Technical Standards for the Connection of small-scale solar PV systems to the LV and MV Distribution Networks of SEC, Version 3, Saudi Electricity company.
5. Tom Short, Electric Power Distribution Handbook, CRC Press, 2ndEdition, 2014, eBook.
6. ECE 551 Smart Electric Power Distribution Systems, David Lubkeman (North Carolina State University).