Adaptive VSG-Based Coordinated Frequency Support Strategy for Grid-Following/Grid-Forming Hybrid Wind Farms

تعد شبكة الطاقة الحديثة توازناً دقيقاً بين العرض والطلب، وهو نظام اعتمد لأكثر من قرن على توربينات ضخمة دوارة في محطات الفحم والغاز. تعمل هذه الآلات الثقيلة كممتص صدمات طبيعي؛ إذ يحافظ وزنها وزخمها الهائل على استقرار تردد النظام حتى عند تغير الحمل فجأة. ومع تحول العالم نحو الطاقة النظيفة، تحل مزارع الرياح محل هذه المحطات التقليدية. ومع ذلك، فإن توربينات الرياح لا تدور بنفس الكتلة الدوارة الثقيلة. فهي تتصل بالشبكة عبر مفاتيح إلكترونية، مما يعني أنها تفتقر إلى ذلك الواقي الفيزيائي الطبيعي. وعندما تُضاف كمية كبيرة من طاقة الرياح دون وجود قدر كافٍ من هذا "الوزن الدوراني"، تصبح الشبكة هشة. فإذا حدث اضطراب مفاجئ، مثل إغلاق مصنع كبير أو تعطل مولد، يمكن لتردد النظام أن ينخفض بسرعة كبيرة، مما قد يؤدي إلى انقطاعات في التيار الكهربائي.

ولحل هذه المشكلة، طور المهندسون طريقتين مختلفتين لجعل توربينات الرياح تتصرف بشكل يشبه المولدات التقليدية. إحدى الطريقتين تسمى "تتبع الشبكة" (grid-following)، حيث تستمع التوربينة للشبكة وتعدل إنتاجها بناءً على ذلك، تماماً مثل راكب يتبع سائقاً. أما الطريقة الأخرى فهي "تكوين الشبكة" (grid-forming)، والتي تسمح للتوربينة بأن تعمل كالسائق، حيث تحدد جهدها وترددها الخاص لدعم الشبكة. وبينما تعد توربينات "تكوين الشبكة" قوية، إلا أنها قد تكون غير مستقرة في ظروف معينة، كما أن توربينات "تتبع الشبكة" أقل فعالية في تقديم الدعم الفوري. ويكمن التحدي في جعل هذين النوعين المختلفين من التوربينات يعملان معاً بسلاسة، خاصة عندما تتغير سرعة الرياح وتواجه الشبكة صدمة مفاجئة.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة شنغهاي البحرية ومعهد شنغهاي لأبحاث معدات الطاقة استراتيجية جديدة لتنسيق مزارع الرياح الهجينة هذه. فقد أدركوا أن الطريقة القياسية للتحكم في هذه التوربينات تستخدم إعدادات ثابتة لا تتغير، بغض النظر عن مدى شدة الاضطراب أو مقدار الدعم الذي تقدمه التوربينات الأخرى. هذا الجمود يمكن أن يؤدي إلى وضع تنتظر فيه توربينات "تتبع الشبكة" وقتاً طويلاً قبل المساعدة، أو تساعد أكثر مما ينبغي عندما لا يكون ذلك مطلوباً، مما يهدر الطاقة ويؤدي لتآكل المعدات. وقد طور الباحثون نظاماً يمكن للتوربينات من خلاله تعديل سلوكها في الوقت الفعلي، عبر ضبط "صلابتها" و"تخميدها" الداخلي بناءً على ما تحتاجه الشبكة في تلك اللحظة بالضبط.

يتضمن جوهر حلهم طريقة تحكم تُعرف باسم "المولد المتزامن الافتراضي". هذا النهج القائم على البرمجيات يخدع توربينة الرياح لتتصرف كما لو كانت تمتلك الكتلة الدوارة الثقيلة لمولد تقليدي، مما يسمح لها بمقاومة التغيرات في التردد. وفي تصميم الباحثين الجديد، لا تكون قوة هذه الكتلة الافتراضية ومقدار التخميد الذي توفره أرقاماً ثابتة؛ بل تتغير ديناميكياً اعتماداً على سرعة انخفاض التردد ومدى انخفاضه. فإذا بدأ التردد في الهبوط بسرعة، يقوم النظام فوراً بزيادة عطالته الافتراضية لإبطاء هذا الهبوط. ومع بدء تعافي النظام، تتغير الإعدادات للمساعدة في عودة التردد إلى طبيعته دون تجاوز الحد أو التذبذب بجنون. يضمن هذا النهج التكيفي أن توفر توربينات "تكوين الشبكة" القدر المناسب من الدعم في الوقت المناسب تماماً.

كما عالج الباحثون مشكلة تنسيق محددة بين النوعين من التوربينات. عادة ما تمتلك توربينات "تتبع الشبكة" "نطاقاً ميتاً" (deadband)، وهو نطاق صغير من تقلب التردد حيث لا تفعل شيئاً لتجنب الاستجابة لكل تذبذب طفيف. وفي مزرعة هجينة، إذا كانت توربينات "تكوين الشبكة" تقدم بالفعل دعماً قوياً، فلا ينبغي لتوربينات "تتبع الشبكة" أن تتدخل دون داعٍ. ومع ذلك، إذا كانت توربينات "تكوين الشبكة" تعاني، فإن توربينات "تتبع الشبكة" تحتاج للتدخل فوراً. لقد ابتكر الفريق "نطاقاً ميتاً ديناميكياً" يتغير عرضه بناءً على الأداء الفعلي لوحدات "تكوين الشبكة". فإذا كانت توربينات "تكوين الشبكة" تقوم بعمل جيد، يتسع النطاق الميت، مما يخبر توربينات "تتبع الشبكة" بالبقاء هادئة وتوفير احتياطيات طاقتها. وإذا ضعف دعم "تكوين الشبكة"، يضيق النطاق الميت، مما يعطي إشارة لتوربينات "تتبع الشبكة" بتنشيط دعمها فوراً. وهذا يخلق علاقة تعاونية مرنة حيث تعمل التوربينات من النوعين كوحدة واحدة ذكية بدلاً من مجموعتين منفصلتين.

لاختبار هذه الفكرة، بنى الباحثون محاكاة حاسوبية مفصلة لنظام طاقة يحتوي على مولدين تقليديين ومزرعة رياح هجينة مكونة من أربعين توربينة "تتبع الشبكة" وعشرين توربينة "تكوين الشبكة". وقد أخضعوا هذا النظام الافتراضي لاضطرابات حمل مفاجئة تحت ثلاث سرعات رياح مختلفة: منخفضة، ومتوسطة، وعالية. وفي كل سيناريو، قارنوا استراتيجيتهم التكيفية الجديدة بطريقتين أقدم: إحداهما تستخدم فيها التوربينات إعدادات ثابتة، والأخرى حيث تتكيف توربينات "تكوين الشبكة" فقط بينما تظل توربينات "تتبع الشبكة" ثابتة.

أظهرت النتائج ميزة واضحة للنهج التكيفي. فعند حدوث اضطراب كبير، حافظ النظام الذي يستخدم الاستراتيجية الجديدة على تردد أدنى أعلى، مما يعني أن الشبكة بقيت أقرب بكثير إلى حد التشغيل الآمن. في سيناريو سرعة الرياح المنخفضة، انخفض التردد إلى 49.8641 هرتز باستخدام الطريقة الثابتة القديمة، لكن الاستراتيجية الجديدة أبقته عند 49.8772 هرتز. وفي سيناريو سرعة الرياح العالية، كان التحسن أكثر وضوحاً، حيث ظل التردد عند 49.7326 هرتز مقارنة بـ 49.7117 هرتز مع الطريقة الثابتة. وهذه الترددات الدنيا الأعلى بالغة الأهمية لأنها تقلل من خطر تفعيل عمليات الإغلاق الطارئة للنظام.

وبعيداً عن مجرد الحفاظ على تردد أعلى، حسنت الاستراتيجية الجديدة كيفية مشاركة التوربينات لحمل العمل. أظهرت عمليات المحاكاة أن توربينات "تكوين الشبكة" أطلقت المزيد من طاقتها الحركية المخزنة عند الحاجة، وأن توربينات "تتبع الشبكة" فعلت دعمها بشكل أكثر فعالية. والأهم من ذلك، أن النطاق الميت الديناميكي منع توربينات "تتبع الشبكة" من التنشط المتكرر أثناء التقلبات الطفيفة. وقد وجد الباحثون أن هذا قلل من عدد المرات التي اضطرت فيها التوربينات لتغيير خرج طاقتها، وهو أمر حيوي لتقليل التآكل والتهالك في المعدات. ومن خلال تنسيق النوعين من التوربينات بحيث تستجيب فقط عند الضرورة وبما يتناسب مع الحاجة الفعلية، حقق النظام توازناً أفضل بين الحفاظ على استقرار الشبكة والحفاظ على العمر الافتراضي لمزرعة الرياح.

تخلص الدراسة إلى أن استراتيجية التنسيق التكيفي هذه توفر طريقة عملية لدمج مستويات عالية من طاقة الرياح دون التضحية باستقرار الشبكة. فمن خلال السماح للعطالة الافتراضية وعتبات التنشيط بالتغير في الوقت الفعلي، يمكن لمزرعة الرياح الهجينة الاستجابة للاضطرابات بنفس المرونة والقدرة على الصمود التي تتمتع بها محطة طاقة تقليدية. وتشير عمليات المحاكاة إلى أن هذه الطريقة لا تمنع التردد من الانخفاض إلى مستويات متدنية فحسب، بل تضمن أيضاً أن تعمل مكونات مزرعة الرياح المختلفة معاً بكفاءة، مما يوفر حلاً قوياً لمستقبل شبكات الطاقة المتجددة.