A Methodology for Impedance-based Stability Margin Analysis for Interconnected Offshore Wind Clusters

ملخص تقني: منهجية لتحليل هامش الاستقرار القائم على المعاوقة لمجموعات طاقة الرياح البحرية المترابطة

بيان المشكلة
مع تطور بنيات الشبكات البحرية، يقوم مشغلو أنظمة النقل (TSOs) بشكل متزايد بتبني تكوينات حيث تتصل محطات متعددة لطاقة الرياح البحرية (OWPPs) مباشرة بمفتاح محطة محول التيار المستمر عالي الجهد (HVDC) المشترك. وبينما توفر هذه الطوبولوجيا كفاءة عالية، إلا أنها تفرض تفاعلات معقدة بين أنظمة تحكم المحولات. ويتمثل التحدي الحرج في تقييم مدى تأثير دمج محطة طاقة رياح بحرية جديدة (أو وحدة طاقة حديقة - PPM) على هوامش استقرار الإشارة الصغيرة لمحطات طاقة الرياح البحرية الموجودة عند نقطة الاتصال (PoC).

تعتمد تحليلات الاستقرار التقليدية القائمة على المعاوقة، والمستخدمة على نطاق واسع للمحولات المتصلة بالشبكة، على معيار نايكويست للاستقرار (NSC) لتحديد الاستقرار من خلال فحص عدد مرات الالتفاف حول النقطة $(-1, 0)$. ومع ذلك، فإن الطرق الحالية غالباً ما تعاني من قيود:

1. هي توفر في المقام الأول تقييماً ثنائياً للاستقرار (مستقر/غير مستقر) بدلاً من تحديد كمي لهوامش الاستقرار (هامش الطور وهامش الكسب).
2. تعتمد غالباً على "مناطق محظورة" بناءً على هوامش طور ثابتة، والتي تفترض أن الأحمال الجديدة لا تغير هوامش الاستقرار للأنظمة الموجودة. وهذا افتراض محافظ يفشل في مراعاة ترددات الرنين الجديدة التي تفرضها المحولات الإضافية.
3. لا تحدد صراحةً المعاوقة القصوى المسموح بها للاتصال الجديد لضمان حفاظ النظام الحالي على هوامش الاستقرار المطلوبة.

المنهجية
تقترح الورقة منهجية عامة قائمة على المعاوقة لتقييم هوامش الاستقرار واشتقاق مواصفات المعاوقة لوحدات (PPM) الجديدة. يستخدم النهج صياغة كسب الحلقة الصغرى ضمن إطار عمل في مجال التردد.

1. تقسيم النظام: يتم نمذجة النظام كحلقة تغذية راجعة سالبة، حيث تعمل معاوقة الشبكة ($Z_{net}$) كمصدر، وتعمل معاوقة المحول ($Z_{OWPP}$) كحمل. ويُعرف كسب الحلقة الصغرى بـ $L(s) = Z_{net}(s) / Z_{OWPP}(s)$.
2. نمذجة المعاوقة: يستخدم المؤلفون الخطية التوافقية لفصل مكونات التتابع الموجب والسالب. كما يستخدمون "نهج المعاوقة العكسي"، حيث يتم استخراج معاوقة الشبكة عبر مسوحات ترددية واسعة النطاق في نموذج انتقال كهرومغناطيسي (EMT)، مع اعتبار محطة طاقة الرياح البحرية المختارة كنقطة مرجعية.
3. الصياغة التحليلية:
   • تشتق الورقة علاقة بين كسب الحلقة للنظام القديم ($L_{old}$) والنظام بعد إضافة وحدة (PPM) موازية جديدة ($L_{new}$).
   • $L_{new}(j\omega) = L_{old}(j\omega) \cdot \frac{1}{1 + \rho(j\omega)}$، حيث $\rho(j\omega)$ هو نسبة معاوقة الشبكة القديمة إلى معاوقة الـ (PPM) الجديدة.
   • تسمح هذه الصياغة بحساب هامش الطور الجديد ($PM_{new}$) بناءً على كسب الحلقة السابق للاتصال ونسبة المعاوقة.
4. مواصفات المعاوقة: تم اشتقاق متباينة لتقييد معاوقة الـ (PPM) الجديدة ($Z_{OWPP,new}$) لضمان حفاظ النظام الحالي على الحد الأدنى من هامش الطور ($PM_{min}$). القيد المشتق هو:
   $$|Z_{OWPP,new}(j\omega_{gc})| \leq \frac{|Z_{net,old}(j\omega_{gc})|}{2 \sin\left(\frac{PM_{old}(j\omega_{gc}) - PM_{min}}{2}\right)}$$
   وهذا يضمن أن تكون الـ (PPM) الجديدة "ضعيفة بما يكفي" عند الترددات الحرجة لمنع تدهور هوامش استقرار النظام الحالي.
5. مناطق نايكويست المحسنة: لاستكمال معيار (NSC) القياسي، قدم المؤلفون مناطق استقرار رسومية على مخطط نايكويست:
   • المنطقة الحرجة: هوامش طور أقل من الحد الأدنى المطلوب (على سبيل المثال، $PM < 15^\circ$).
   • منطقة الحذر: هوامش طور بين الحد الأدنى وعتبة التحذير (على سبيل المثال، $15^\circ \leq PM < 30^\circ$).
   • دائرة هامش الكسب: دائرة تمثل متطلبات الحد الأدنى لهامش الكسب.

المساهمات الرئيسية

• التحليل الكمي للهامش: تنتقل الورقة من فحوصات الاستقرار الثنائية إلى التحديد الكمي لكيفية تغيير دمج (PPM) جديد لهوامش الطور والكسب للاتصالات الموجودة.
• معيار تصميم المعاوقة: توفر شرطاً تحليلياً محدداً (المعادلة 23) لتحديد المعاوقة القصوى المسموح بها لاتصال جديد، مما يضمن بقاء النظام الحالي ممتثلاً لمتطلبات هوامش الاستقرار الخاصة بمشغلي الأنظمة.
• التقييم الرسومي للاستقرار: يوفر إدخال مناطق "الحرجة" و"الحذر" على مخطط نايكويست أداة بصرية لتقييم الامتثال للهامش والقدرة الاحتياطية، مما يعالج نقص مقاييس المتانة في الطرق التقليدية القائمة على الالتفاف.
• التحقق باستخدام نماذج واقعية: تم التحقق من المنهجية باستخدام نماذج (EMT) المقدمة من الموردين لمشروع طاقة رياح بحرية فعلي (يتضمن محطات بقدرة 475 ميجاواط و500 ميجاواط) ونماذج المجال الترددي في برنامج DIgSILENT PowerFactory.

النتائج
أجريت الدراسة على حالتين: إحداهما بمحول مشترك والأخرى بمحولات منفصلة لكل من محطتي (OWPP).

• تحسين الاستقرار: في كلتا الحالتين، أدى دمج محطة (OWPP) ثانية (OWPP2) في الواقع إلى تحسين هوامش استقرار محطة (OWPP1) الموجودة. وقد عزي ذلك إلى أن الاتصال المتوازي قلل من معاوقة الشبكة الفعالة، مما سحب مسار نايكويست بعيداً عن النقطة الحرجة.
• التحقق من القيود: عندما تم الإبقاء على معاوقة الـ (OWPP2) الجديدة تحت الحد المحسوب ($|Z_{OWPP2}| < Z_{limit}$)، لم يقطع مسار نايكويست الدائرة الوحدة داخل المنطقة الحرجة، وتم استيفاء متطلبات الحد الأدنى للهامش.
• إثبات الانتهاك: عندما تم رفع معاوقة الـ (OWPP) الجديدة اصطناعياً لتتجاوز الحد عند ترددات عبور معينة، دخل مسار نايكويست المنطقة الحرجة، مما أدى إلى انتهاك الحد الأدنى لمتطلبات هامش الطور.
• حساسية النموذج: أظهرت المقارنات بين نموذج مكافئ ثيفينين ونموذج مفصل للمجال الترددي أنه بينما يعد نموذج الثيفينين كافياً لبعض دراسات الرنين الداخلي، فإن النموذج المعتمد على التردد يوفر ترددات رنين وتقييمات استقرار أكثر دقة للمجموعات المترابطة.

الأهمية
تدعي الورقة أن هذه المنهجية توفر أداة عملية لمشغلي الأنظمة (TSOs) والمطورين لتخطيط وتقييم دمج وحدات (PPM) الجديدة في المجموعات البحرية. فمن خلال توفير معيار مباشر لمواصفات المعاوقة، تتيح الطريقة:

1. التحقق من الامتثال: ضمان أن الاتصالات الجديدة لا تنتهك متطلبات هامش الاستقرار (مثل هوامش الطور عند ترددات الرنين) التي يحددها مشغلو الأنظمة مثل TenneT.
2. التخطيط الفعال: السماح بتقييم هوامش الاستقرار باستخدام بيانات المعاوقة التي يتم الحصول عليها من المسوحات الترددية أو نماذج المجال الترددي، دون الحاجة إلى عمليات محاكاة زمنية شاملة لكل تكوين محتمل.
3. تكامل قواعد الشبكة: يمكن دمج هذا النهج بسهولة في دراسات الامتثال الروتينية لقواعد الشبكة لتقييم تأثير دمج (PPM) إضافية، والابتعاد عن التصميمات المحافظة للغاية القائمة على "المناطق المحظورة" نحو مواصفات ديناميكية قائمة على الهوامش.

يؤكد المؤلفون أن هذه الطريقة ذات قيمة خاصة للسيناريوهات التي تتضمن سلاسل متعددة أو (PPMs) حيث يؤدي إضافة محولات جديدة إلى خلق تفاعلات رنين معقدة تفشل معها معايير التصميم الثابتة في الاستيعاب.