مقدمة في التصنيف الجديد لمسببات اضطراب استقرار المنظومة الكهربائية:

تُحدث محوّلات إلكترونيات القوى تحولًا كبيرًا في منظومة الطاقة الكهربائية، حيث تُعد التقنية الأساسية لربط مصادر الطاقة المتجددة، ونظام النقل المرن للتيار المتردد (FACTS)، ونقل التيار المستمر عالي الجهد (HVDC)، وأنظمة تخزين الطاقة، والمركبات الكهربائية (EVs) [1][2]. يمكن أن تؤدي المصادر المعتمدة على العاكس (IBRs) إلى حدوث ظواهر التفاعلات تحت التزامنية Subsynchronous Interactions (SSI) ، والتي تحدث عندما يتبادل عنصران في منظومة الكهرباء الطاقة عند تردد أقل من التردد التزامني، مما قد يؤدي إلى عدم استقرار النظام [1][2]. على عكس محطات توليد الطاقة المعتمدة على المولدات التزامنية التقليدية، يعيب مصادر الطاقة المعتمدة على العاكس بقدرة تحميل اضافية محدودة، وقصور ذاتي منخفض، ونسبة تيار قصر منخفضة، بالإضافة إلى التذبذب في موارد الطاقة مثل الشمس والرياح، مما يشكل تحديًا لتشغيل منظومة الطاقة الكهربائية [1][4].

لمواجهة هذه التحديات، يتم تطوير تقنيات ربط محولات الطاقة لتلبية المعايير والمتطلبات التقنية الخاصة بدمج المصادر المعتمدة على العاكس في الشبكة الكهربائية [1][5]. وبناءً على ذلك، تلعب محولات إلكترونيات القوى دورًا حيويًا في ضمان التشغيل المرن لهذه المصادر من خلال تعظيم توليد الطاقة وتوفير دعم الشبكة، مثل التحكم في الجهد والطاقة غير الفعالة، والتحكم في الطاقة الفعالة والاستجابة للتردد، بالإضافة إلى تحمل الأعطال لكل من الجهد والتردد [1][2][5].

ومع ذلك، فإن الزيادة في مساهمة المصادر المعتمدة على العاكس تؤثر على السلوك الديناميكي لمنظومة الطاقة، مما يجعلها أكثر اعتمادًا على محولات إلكترونيات القوى ذات الاستجابة السريعة، والتي لها تأثير عميق على الاستقرار الديناميكي العام لمنظومة الطاقة الكهربائية [2]. حيث تؤدي هذه المصادر الحديثة لنشوء نطاق اهتزاز oscillations واسع بسبب التداخلات المتبادلة بين المصادر المعتمدة على العاكس (IBRs) مع الديناميكيات الكهروميكانيكية للآلات والديناميكيات الكهرومغناطيسية للشبكة [2]. وبالتالي، فإن هيمنة الديناميكيات متعددة الأزمنة لهذه المصادر تؤدي إلى حدوث اهتزازات واسعة النطاق يجعل عملية دراستها وتفاديها تحدي كبير لمشغل المنظومة الكهربائية للحفاظ على استقرار المنظومة من الاضطرابات الصغيرة والكبيرة، كما هو موضح في الشكل 1 [2].

شكل(1) زمن ديناميكات انظمة القوى الكهربائية

قام معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) بمراجعة التصنيف الأصلي لاستقرار منظومة الطاقة من خلال إدخال فئات جديدة للاستقرار، وهي “الاستقرار المدفوع بمحولات القدرة “ Converter driven stability و “الاستقرار الرنيني” Resonance Stability ، كما هو موضح في الشكل 2 [2][4]. ويتم تصنيف هذه الفئات إلى تفاعل سريع وتفاعل بطيء بناءً على ترددات الظواهر المرصودة [2].

قد تنشأ مشكلات استقرار التفاعل السريع المدفوع بالمحولات عندما تتفاعل ديناميكيات المكونات سريعة الاستجابة في منظومة الطاقة مع نظام التحكم في المصادر المعتمدة على العاكس (IBRs) [2][4].بالإضافة إلى ذلك، تتضمن مشكلة استقرار التفاعل البطيء المدفوع بالمحولات التفاعلات الديناميكية البطيئة بين أنظمة التحكم في المصادر المعتمدة على العاكس (IBRs) والمكونات بطيئة الاستجابة في منظومة الطاقة، مثل أنظمة التحكم في المولدات التزامنية [2][4].

شكل (2) التصنيف الجديد من معهد مهندسي الكهرباء والالكترونيات

من ناحية أخرى، يشمل استقرار الرنين كلًا من الرنين الكهربائي والرنين الالتوائي (الميكانيكي) ، والذي يتضمن الرنين تحت التزامني (SSR) Sub-Synchronous Resonance نتيجة التفاعل الرنيني بين خطوط النقل ذات المكثفات مع ديناميكية المولدات الكهربائية، بالإضافة إلى ترددات الالتواء الميكانيكية لعمود التوربين-المولد [2][4].

إن من جهة نظري، فإن تقسيم معهد مهندسي الكهرباء والالكترونيات فيه نوع من القصور في ايضاح جميع مسببات اضطرابات استقرار المنظومة الكهربائية. ففي المرجع [4]، يجادل المؤلفون بأن التصنيف الموسّع لاستقرار منظومة الطاقة الوارد في [2] يتعارض مع المنهجية المستخدمة في التصنيف التقليدي للاستقرار الوارد في [6]. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي مشكلات الاستقرار المدفوع بالمحولات إلى عدم استقرار الرنين [4]. بالإضافة إلى ذلك، تشارك المصادر المعتمدة على العاكس (IBRs) في استقرار زاوية الدوار وتؤثر على الاستقرار التزامني للنظام في منظومات الطاقة ذات مساهمة عالية من مصادر الطاقة المتجددة [4].

لذلك، تم اقتراح تصنيف وإطار عمل جديد للاستقرار في [4] لمعالجة مشكلات الاستقرار الناشئة في منظومات الطاقة ذات ذات مساهمة عالية من مصادر الطاقة المتجددة ، كما هو موضح في الشكل 3. حيث يعتمد التصنيف المقترح على تردد المكون المعني المسؤول عن حدوث اهتزاز oscillation ، ويتم تصنيفه إلى استقرار المكونات الأساسية واستقرار المكونات غير الأساسية [4].

في استقرار المكونات الأساسية، من الضروري الحفاظ على التشغيل المستقر لمنظومة الطاقة عند تردد النظام، والذي تهيمن عليه الديناميكيات الكهروميكانيكية. أما في استقرار المكونات غير الأساسية، فمن الضروري تجنب الاهتزازات الغير مرغوب فيها عند ترددات المكونات غير الأساسية، والتي تهيمن عليها الديناميكيات الكهرومغناطيسية [4].

الشكل (3) مقترح تقسيم انواع مسببات استقرار الشبكة بناء على التردد

الخطر الخامل:

كما رأينا كيف أن هناك كثير من الاسباب التي قد تؤدي الى اضطراب المنظومة الكهربائية وتهدد استقرارها. إلا أنه في وجهة نظري أن اشدها خطرا والذي ينمو بوتيرة عالية مع زيادة مساهمة مصادر الطاقة المتجددة وبطاريات التخزين هو Sub-Synchronous Control Interactions (SSCI) التفاعل التزامني لمتحكمات محولات القدرة الكهربائية. تحدث الاهتزازات ضمن نطاق يتراوح من عدة هرتز إلى ضعف تردد النظام. تنشأ مشكلة اهتزازات تحت التزامنية (SSO) والاهتزازات شبه التزامنية (S2SO) نتيجة التفاعل الديناميكي بين المصادر المعتمدة على العاكس (IBRs) ومعدات أخرى قائمة على المحولات، مثل أنظمة النقل المرنة للتيار المتردد (FACTS) وأنظمة التيار المستمر عالي الجهد (HVDC).

يمكن أن يتم تحفيز SSCI كما حصل في احداث كثيرة بالعالم منها [14-24]:

1- في المنظومة الكهربائية الضعيفة (بها مصادر طاقة متجددة عالية)، ممكن تحفيز SSCI. يعيب المنظومة الضعيفه بانخفاض نسبة تيار القصر (SCR). يمكن أن تؤدي مزارع الرياح المعتمدة على مولدات المغناطيس الدائم (PMSG) كمفاعلة سعوية مع مقاومة سالبة في وضع SSCI عند الاتصال بشبكة ضعيفة. عندما تتجاوز المقاومة السالبة لمزرعة الرياح المقاومة الكلية لشبكة الطاقة، يحدث تذبذب كهربائي غير مستقر. في عام 2016، تسببت مزرعة الرياح بقدرة 600 ميغاوات في شمال غرب الصين في حدوث تذبذب للجهد والتيار عند ترددات 37 و 63 هرتز، وتم تخفيف ذلك عن طريق بناء خط ثانٍ وتحديث معايرة انظمة التحكم في محولات طاقة الرياح. حدثت حالة مشابهة من SSCI في مزرعة الرياح التابعة لـ Texas ERCOT في 2017، حيث تسبب نظام التحكم في DFIG بالتفاعل مع خط نقل كهربائي سعوي في حدوث تذبذب في التيار الفوري عند ترددات تتراوح بين 22-26 هرتز.

2- قد تتفاعل ديناميكيات المحولات في مزارع الرياح لاحداث اضطراب تحت التزامنية. في عام 2015، شهد نظام طاقة رياح قائم على PMSG بقدرة 300 ميغاوات في الصين، والذي تم ربطه من خلال خطي نقل AC و HVDC، حدوث اهتزازات التوائية تم اكتشافه في محطة توليد الطاقة التوربينية التقليدية. وكان ذلك نتيجة التفاعل بين نظام التحكم في محول HVDC ونظام التوربين-المولد. تسببت هذه الحادثة في حدوث SSCI في إيقاف 3 وحدات توليد توربينية من خلال نظام الحماية، وتم اكتشاف ترددات الرنين بين 27 و 33 هرتز.

التحدي الذي يواجه كثير من مطوري مشاريع الطاقة المتجددة أن الشركات المصنعة للعواكس والمحولات لا يشاركون المطورين تفاصيل النماذج الهندسية لانظمة التحكم بها. حيث تعتبر هذه التفاصيل سرية لدى الشركات المصنعة لشدة التنافس فيما بينها. وتعتبر هذه التفاصيل اساسية لدراسة تردد الاهتزازات التي قد تؤدي الى اضطراب المنظومة الكهربائية وتهدد استقرارها. حيث دراستها واكتشافها في مرحلة التطوير عنصر اساسي لاتخاذ الحلول الفنية الصحيحة لمنعها.

هناك تحدي أخر وهو يرتبط بنمذجة المنظومة الكهربائية بشكل دقيق لتحديد هذه المخاطر في دراسات اثر ربط هذه المصادر. حيث الادوات والبرامج الهندسية تتطلب تطوير كبير لدراسة هذه المخاطر بدقه.

المراجع:

[1]       M. Cheah-Mane, A. Egea-Alvarez, E. Prieto-Araujo, H. Mehrjerdi, O. Gomis-Bellmunt, and L. Xu, “Modeling and analysis approaches for small-signal stability assessment of power-electronic-dominated systems,” Wiley Interdiscip. Rev. Energy Environ., no. July 2021, pp. 1–22, 2022.

[2]       N. Hatziargyriou et al., “Definition and Classification of Power System Stability – Revisited & Extended,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 36, no. 4, pp. 3271–3281, 2021.

[3]       “Wind Market Reports: 2022 Edition | Department of Energy.” [Online]. Available: https://www.energy.gov/eere/wind/wind-market-reports-2022-edition. [Accessed: 11-Oct-2022].

[4]       J. Shair, H. Li, J. Hu, and X. Xie, “Power system stability issues, classifications and research prospects in the context of high-penetration of renewables and power electronics,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 145, no. December 2020, p. 111111, 2021.

[5]       T. Basso, “IEEE 1547 and 2030 Standards for Distributed Energy Resources Interconnection and Interoperability with the Electricity Grid IEEE 1547 and 2030 Standards for Distributed Energy Resources Interconnection and Interoperability with the Electricity Grid,” Nrel, no. December, p. 22, 2014.

[6]       P. Kundur et al., “Definition and classification of power system stability,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 19, no. 3, pp. 1387–1401, 2004.