م . عبدالله فايز الحربييشهد قطاع الطاقة العالمي تحولًا بنيويًا عميقًا يتجاوز مجرد تنويع مصادر التوليد، ليصل إلى إعادة صياغة المفاهيم الأساسية التي قامت عليها هندسة أنظمة القدرة لعقود طويلة. فمنذ نشأة الشبكات الكهربائية الحديثة، ظل الاستقرار الديناميكي للشبكة مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بوجود المولدات المتزامنة (Synchronous Generators)، ليس بوصفها مصادر للطاقة فحسب، بل بوصفها كذلك العناصر الفيزيائية التي توفر القصور الذاتي الميكانيكي (Mechanical Inertia)، والذي يمثّل أحد أهم ركائز استقرار التردد والجهد أثناء الاضطرابات العابرة. لقد كان هذا القصور الذاتي يشكّل ما يمكن وصفه بـ الهامش الطبيعي للاستجابة ، حيث تمتص الكتل الدوارة الصدمات الأولية الناتجة عن فقدان التوليد أو تغير الأحمال، وتمنح أنظمة التحكم التقليدية زمنًا كافيًا للتدخل التدريجي.
غير أن المشهد الكهربائي اليوم يتغير بسرعة غير مسبوقة بفعل التحول العالمي نحو مصادر الطاقة المتجددة، وتزايد الاعتماد على الطاقة الشمسية (Solar PV) وطاقة الرياح (Wind Power)، وهي مصادر لا ترتبط بالشبكة عبر آلات دوارة متزامنة، بل عبر عواكس إلكترونية تعتمد بالكامل على إلكترونيات القدرة والتحكم الرقمي. وفي هذا السياق، برزت فئة جديدة من الموارد تعرف بالموارد المعتمدة على العواكس (Inverter-Based Resources IBRs)، والتي أصبحت تشكّل نسبة متزايدة من مزيج التوليد في العديد من الشبكات العالمية.
ومع ارتفاع اختراق هذه الموارد، بدأت الشبكات تفقد تدريجيًا خصائص الاستقرار الفيزيائي التقليدي، لتدخل مرحلة تُوصف أحيانًا بـ الشبكات منخفضة القصور الذاتي (Low-Inertia Power Systems). ويترتب على ذلك ارتفاع سرعة تغير التردد (RoCoF Rate of Change of Frequency)، وزيادة حساسية النظام تجاه الاضطرابات العابرة، وتنامي الحاجة إلى حلول استقرار ذات استجابة أسرع وأكثر فاعلية.
من هنا، لم يعد السؤال المركزي في هندسة أنظمة القدرة يتمحور حول كيفية توليد الطاقة بكفاءة أعلى، بل أصبح سؤالًا أكثر جوهرية: من يصنع التردد؟ ومن يقود الشبكة عندما تتراجع هيمنة المولدات المتزامنة؟ في هذا الإطار، يظهر مفهوم Grid-Forming Inverters بوصفه أحد أكثر التطورات التقنية تأثيرًا في مستقبل استقرار الشبكات الكهربائية الحديثة.
لفهم أهمية هذا المفهوم، لا بد من التمييز بين نمطين رئيسيين من تشغيل العواكس. فالعواكس التقليدية تعمل غالبًا وفق نمط Grid-Following، أي أنها تعتمد على الشبكة القائمة كمرجع للتزامن عبر أنظمة Phase-Locked Loop (PLL)، وتقوم بحقن القدرة وفق تردد وجهد مفروضين مسبقًا.
وبذلك، فهي تتبع الشبكة ولا تستطيع قيادتها، مما يجعل أداءها محدودًا في حالات ضعف الشبكة أو عند غياب مصادر مرجعية قوية للتردد. أما Grid-Forming Inverters، فهي تمثل نقلة نوعية مختلفة جذريًا، إذ تمتلك القدرة على إنشاء مرجعية مستقلة للتردد والجهد، وبالتالي تشكيل الشبكة بدلًا من مجرد التفاعل معها. وبعبارة أخرى، فإنها تنقل الشبكة من نموذج قائم على الاستقرار الفيزيائي الطبيعي إلى نموذج يقوم على الاستقرار المصمم رقميًا عبر التحكم (Stability-by-Control).
تتجلى أهمية Grid-Forming Inverters بوضوح في قدرتها على تقديم استجابة ترددية شبه فورية. ففي الشبكات التقليدية، كان دعم التردد الأولي يعتمد على القصور الذاتي الطبيعي واستجابة المولدات التدريجية. أما في الشبكات الحديثة منخفضة القصور الذاتي، فإن أي اختلال مفاجئ في التوازن بين التوليد والأحمال قد يؤدي إلى انحدار سريع في التردد خلال ثوانٍ معدودة، وهو ما يجعل زمن الاستجابة عنصرًا حاسمًا. وهنا توفر تقنيات Grid-Forming دعمًا ديناميكيًا عالي السرعة عبر حقن القدرة النشطة أو امتصاصها بصورة فورية، مما يحد من تدهور التردد قبل الوصول إلى حدود الفصل الحرجة. ولا يقتصر دور Grid-Forming على دعم التردد فحسب، بل يمتد كذلك إلى تعزيز استقرار الجهد، خصوصًا في الشبكات الطرفية أو الضعيفة (Weak Grids) ذات نسبة قصر منخفضة (Low Short-Circuit Ratio).
ففي هذه البيئات، تصبح ديناميكيات الجهد أكثر حساسية لتفاعلات التحكم، وقد تواجه العواكس التقليدية تحديات تشغيلية. بينما تستطيع Grid-Forming Inverters فرض مرجعية جهد مستقلة وتحسين استقرار الشبكة في ظروف التشغيل المعقدة. ومن أبرز الأطر النظرية والتطبيقية المرتبطة بهذا المفهوم ما يعرف بـ Virtual Synchronous Machine (VSM)، وهي استراتيجية تحكم تهدف إلى محاكاة الخصائص الديناميكية للمولد المتزامن رقميًا. ومن خلال دمج عناصر مثل Droop Control وSynthetic Inertia، يصبح بالإمكان إعادة بناء خصائص القصور الذاتي بشكل صناعي، بما يتيح للشبكة استعادة جزء من سلوكها التقليدي ضمن بيئة تعتمد على إلكترونيات القدرة.
وتزداد أهمية هذه التقنيات عند دمجها مع أنظمة تخزين الطاقة (Battery Energy Storage Systems BESS). فالتخزين لم يعد مجرد أداة لتحسين الجدوى الاقتصادية أو تسوية الأحمال، بل أصبح عنصرًا استراتيجيًا في معادلة الاستقرار. وعند تشغيل وحدات التخزين وفق نمط Grid-Forming، تتحول البطاريات إلى ما يشبه مولدًا رقميًا قادرًا على دعم التردد، وتشكيل الجهد، وتوفير مرجعية تشغيلية حتى في حالات الانقطاع أو التشغيل المعزول. وعلى المستوى العالمي، بدأت العديد من الشبكات الوطنية في إدراج Grid-Forming ضمن خططها المستقبلية، كما هو الحال في مشاريع التخزين الضخمة في أستراليا، وتحديث متطلبات National Grid في المملكة المتحدة، إضافة إلى الأبحاث المتقدمة التي يقودها National Renewable Energy Laboratory (NREL) في الولايات المتحدة حول تشغيل الشبكات المعتمدة على الموارد الإلكترونية.
ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات تشغيلية وتنظيمية تتطلب معالجة جادة، أبرزها تحديث أنظمة الحماية الكهربائية التي صُممت تاريخيًا على أساس تيارات قصر عالية من المولدات التقليدية، في حين أن العواكس تحد من تيارات الأعطال. كما أن الأكواد التنظيمية (Grid Codes) في كثير من الدول تحتاج إلى تطوير لاستيعاب هذا التحول نحو شبكات يقودها التحكم الرقمي.
وفي المملكة العربية السعودية، ومع التوجه الاستراتيجي نحو رفع مساهمة الطاقة المتجددة ضمن رؤية 2030، فإن الشبكة الوطنية ستواجه تدريجيًا تحديات مشابهة تتطلب حلولًا متقدمة للاستقرار والمرونة. ومن هنا، يمكن أن تمثل Grid-Forming Inverters أحد أهم الممكنات التقنية لضمان استقرار الشبكة السعودية مستقبلًا، خصوصًا عند دمجها مع مشاريع التخزين الكهربائي واسعة النطاق. ختامًا، فإن التحول الجاري في أنظمة القدرة لا يعني فقط تغيير مصادر التوليد، بل يمثل إعادة تعريف شاملة لمفهوم الاستقرار ذاته. ومع صعود Grid-Forming Inverters، يصبح السؤال الحقيقي ليس ما إذا كانت التقنية متاحة، بل ما إذا كانت الأطر التشغيلية والتنظيمية والمهارات الهندسية مستعدة للتعامل مع شبكة يقودها التحكم الرقمي بدل القصور الذاتي التقليدي. إن مستقبل استقرار الشبكات الكهربائية الحديثة سيعتمد على قدرة الأنظمة على الانتقال من الاستقرار الفيزيائي إلى الاستقرار المصمم رقميًا، وهو ما يجعل Grid-Forming أحد أعمدة الطاقة المستقبلية
