Coordinated Optimization of Grid-Forming Control in LCC-MMC Hybrid DC Transmission Systems Considering Virtual Power Angle Evolution Mechanism

تخيل الشبكة الكهربائية كأنها محيط هائل وغير مرئي من الطاقة، يضطرب باستمرار ليمد مصابيحنا، وهواتفنا، ومدننا بالطاقة. في هذا المحيط، يوجد نوعان رئيسيان من "القوارب" التي تساعد في الحفاظ على هدوء المياه وتحريكها في الاتجاه الصحيح. بعض القوارب، التي تُسمى "قوارب تتبع الشبكة" (Grid-Following)، تشبه المجدفين المجتهدين الذين يكتفون بمراقبة منارة (إشارة من الشبكة الرئيسية) ويجدفون بتناغم تام معها. إنهم رائعون عندما يكون المحيط هادئاً، ولكن إذا ضربت عاصفة وتذبذبت المنارة، فقد يفقدون طريقهم أو يصابون بالذعر. أما القوارب الأخرى، المسماة "قوارب تشكل الشبكة" (Grid-Forming)، فهي تشبه قادة الأسطول. هم لا يكتفون فقط باتباع الضوء؛ بل يولدون إيقاعهم وجهدهم الخاصين، ويعملون كمحرك افتراضي يساعد في استقرار المحيط بأكمله، حتى عندما تعصف العواصف. هذا أمر بالغ الأهمية مع زيادة اعتمادنا على طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وهي مصادر غير متوقعة نوعاً ما في مزيجنا من الطاقة. ومع ذلك، فإن هؤلاء القادة من "قوارب تشكل الشبكة" لديهم سر محير: فعندما تصبح العاصفة عنيفة جداً، قد يصابون أحياناً بالخوف ويتحولون إلى وضع "مصدر التيار"، حيث يتوقفون عن التوجيه ويكتفون بالدفع بكل قوتهم، مما قد يؤدي في الواقع إلى انقلاب السفينة.

يتناول هذا البحث تحديداً تلك اللحظة المخيفة لنوع معين من خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي جداً التي تربط بين محطة إرسال ومحطة استقبال. اكتشف الباحثون، من خلال العمل على نموذج لنظام بجهد ±800 كيلو فولت، أنه عندما يحدث خلل (مثل ماس كهربائي) في طرف الاستقبال، يمكن للمحولات من نوع "تشكل الشبكة" أن تقع في حلقة خطيرة حيث تفقد السيطرة على الزاوية التي تحافظ على تزامنها مع الشبكة. يسمون هذه الزاوية "زاوية القدرة الافتراضية"، ويمكنك تخيلها كوضعية عجلة القيادة بالنسبة للرياح. إذا تأرجحت هذه الزاوية بعيداً جداً، فإن القارب يفقد السيطرة ويدور حول نفسه. استخدم المؤلفون عمليات محاكاة حاسوبية (تحديداً على منصة تسمى PSCAD/EMTDC) لإثبات أنه من خلال مراقبة "القدرة الفائضة" (الطاقة الإضافية التي تتراكم لأن العاصفة سدت المخرج)، يمكنهم إخبار القبطان ديناميكياً بأن يبطئ سرعته بالقدر الكافي فقط للحفاظ على عجلة القيادة من الدوران خارج السيطرة. علاوة على ذلك، إذا أصبحت العاصفة شديدة لدرجة أن الإبطاء ليس كافياً، فقد صمموا "تحويلاً سلساً" يسمح للقبطان بتسليم عجلة القيادة إلى مجدف من نوع "تتبع الشبكة" فوراً، دون هزات عنيفة، مما يضمن بقاء القارب على قيد الحياة في أسوأ العواصف.

قصة عجلة القيادة الافتراضية

في عالم نقل الطاقة بجهد عالٍ، يحاول المهندسون باستمرار نقل كميات هائلة من الكهرباء من حيث تُنتج (مثل مزارع الرياح العملاقة) إلى حيث توجد الحاجة إليها (مثل المدن الكبيرة). إحدى الطرق الشائعة للقيام بذلك هي استخدام نظام "هجين": محول يعمل بالتحكم بالجهد (LCC) في البداية، ومحول متعدد المستويات (MMC) في النهاية. فكر في الـ LCC كشاحنة قوية وقديمة الطراز، رخيصة ومتينة، والـ MMC كسيارة رياضية فاخرة ومرنة يمكنها التعامل مع الطرق الصعبة.

تنشأ المشكلة عند الوجهة. فأحياناً، تكون شبكة الطاقة المحلية "ضعيفة"، مما يعني أنها لا تملك الكثير من القصور الذاتي (مثل حدافة ثقيلة) للحفاظ على استقرارها. ولحل هذه المشكلة، يستخدم المهندسون تحكم "تشكيل الشبكة" (GFM) على السيارة الرياضية. فبدلاً من مجرد اتباع إيقاع الشبكة، يعمل تحكم GFM كمولد متزامن افتراضي، حيث ينشئ جهده وتردده الخاصين للحفاظ على استقرار الشبكة. إنه يشبه القبطان الذي يمكنه توجيه السفينة حتى لو تعطل البوصلة.

لكن هنا تكمن العقبة: عندما يضرب خلل هائل الشبكة (مثل ماس ثلاثي الأطوار)، يصاب قبطان GFM بالإرهاق. يحاول النظام تحديد التيار لحماية المعدات، وبذلك يتحول المحول من العمل كمصدر جهد (قبطان ثابت) إلى مصدر تيار (دافع مذعور). في هذه الحالة، تبدأ "زاوية القدرة الافتراضية" — وهي الزاوية بين جهد المحول الداخلي وجهد الشبكة — في التأرجح بجنون. إذا تأرجحت بعيداً جداً، تجاوزت "زاوية الفصل الحرجة" (CCA)، يفقد النظام التزامن ويتحطم. إنه مثل البندول الذي يتأرجح عالياً جداً حتى يصطدم بالسقف ويعلق.

خطة الإنقاذ المكونة من جزأين

اقترح مؤلفو هذا البحث استراتيجية من جزأين لإنقاذ السفينة عندما تضرب العاصفة.

1. مكبح "القدرة الفائضة"
الجزء الأول من خطتهم هو طريقة ذكية للإبطاء قبل وقوع الاصطدام. لقد أدركوا أنه عند حدوث خلل، يستمر طرف الإرسال في دفع القدرة، لكن طرف الاستقبال لا يستطيع إخراجها. وهذا يخلق "قدرة فائضة"، مما يؤدي إلى ارتفاع جهد التيار المستمر (DC). استخدم المؤلفون هذا الارتفاع كإشارة تحذيرية.

بدلاً من مجرد الضغط على المكابح بقوة أو إبقاء إعداد القدرة ثابتاً (وهو ما يشبه القيادة مع تعليق مثبت السرعة)، ابتكروا استراتيجية "تقليل القدرة الديناميكي". لقد حسبوا مقدار القدرة غير المتوازنة بدقة واستخدموها لخفض نقطة ضبط القدرة لمحكم GFM فوراً.

• كيف يعمل: من خلال خفض هدف القدرة، فإنهم يقلصون فعلياً "منطقة التسارع" (القوة التي تدفع عجلة القيادة بعيداً) ويزيدون "منطقة التباطؤ" (المساحة المتاحة للتوقف). وهذا يجعل زاوية الفصل الحرجة أكبر، مما يمنح النظام وقتاً أطول للتعافي قبل أن يفقد السيطرة.
• النتيجة: في عمليات المحاكاة، عندما اختبروا خللاً استمر لمدة 5.7 ثانية، فشل مخطط تقليل القدرة الثابت في تثبيت النظام. ومع ذلك، باستخدام استراتيجيتهم الديناميكية، تعافى النظام بسلاسة. لم تتأرجح زاوية القدرة الافتراضية بجنون، وعاد جهد التيار المستمر والقدرة الفعالة إلى طبيعتها بشكل أسرع بكثير (حوالي 8 ثوانٍ بدلاً من التباطؤ الطويل).

2. "التحول السلس" إلى مجدف احتياطي
ولكن ماذا لو كانت العاصفة شديدة لدرجة أن الإبطاء وحده ليس كافياً؟ ماذا لو كانت زاوية القدرة الافتراضية قد تجاوزت بالفعل نقطة اللاعودة؟
الاستراتيجية الثانية للمؤلفين هي آلية "التحويل السلس". إذا أصبحت الزاوية خطيرة جداً، ينتقل النظام فوراً من وضع "تشكيل الشبكة" (GFM) إلى وضع "تتبع الشبكة" (GFL).

• التحدي: عادة ما يكون التبديل بين الأنماط مثل انتزاع عجلة القيادة من سائق وتسليمها لآخر بينما تتحرك السيارة بسرعة 100 ميل في الساعة؛ فهذا يسبب هزة يمكن أن تؤدي لتحطم السيارة.
• الحل: صمموا نظام "تعويض التغذية الأمامية" (feedforward compensation). يعمل هذا كعضو مساعد يراقب السائق الرئيسي ويحسب مسبقاً بالضبط ما يحتاج السائق الاحتياطي للقيام به. قبل حدوث التحويل، يكون النظام الاحتياطي (متحكم GFL) يتبع بالفعل مخرجات النظام الرئيسي. وعندما يحدث التحويل، تظل مراجع تيار الحلقة الداخلية (الأوامر الفعلية للمحركات) مستمرة. لا توجد هزة، ولا قفزة، ولا فقدان للسيطرة.
• النتيجة: في محاكاة لخلل شديد (انخفاض الجهد إلى 0.1 p.u.)، تعافى النظام الذي استخدم هذا التحول السلس في حوالي 7.5 ثانية. وبدون هذا التحول، عانى النظام في التعافي، واستغرقت مراجع التيار وقتاً أطول بكثير للاستقرار.

ماذا أظهرت عمليات المحاكاة

اختبر الباحثون هذه الأفكار على نموذج حاسوبي مفصل لنظام نقل تيار مستمر هجين بجهد ±800 كيلو فولت وقدرة 4,000 ميجاواط. قاموا بمحاكاة أعطال الماس الثلاثي الأطوار في ناقل التيار المتردد (AC bus) للمحول في الطرف العالي.

• منطقة الخطر: أكدوا أنه إذا استمر الخلل لفترة طويلة جداً، فإن زاوية القدرة الافتراضية تتجاوز زاوية الفصل الحرجة، ويفقد النظام استقراره. وتحديداً، عندما تم تمديد وقت فصل الخلل إلى 5.9 ثانية، فشل مخطط تقليل القدرة الثابت تماماً، مما تسبب في استمرار ارتفاع زاوية القدرة الافتراضية وفقدان النظام لاستقراره. في المقابل، حافظت الاستراتيجية الديناميكية على استقرار النظام.
• الميزة الديناميكية: عند مقارنة تقليل القدرة الديناميكي مع تقليل القدرة الثابت لاختبار الخلل لمدة 5.9 ثانية، أظهرت الطريقة الديناميكية اضطرابات أقل بكثير. انخفضت القدرة الفعالة إلى 380 ميجاواط ولكنها بدأت في التعافي عند 8.5 ثانية، بينما شهد المخطط الثابت استمرار ارتفاع جهد التيار المستمر إلى 690 كيلو فولت وتذبذباً شديداً في القدرة دون تعافٍ.
• ميزة التحويل: عند اختبار التحويل السلس في خلل شديد (جهد 0.1 p.u.)، تعافى النظام الذي استخدم التحول في حوالي ثانية واحدة أسرع من النظام الذي لم يستخدمه. والأهم من ذلك، أنه منع المحول من "الارتهان" في وضع مصدر التيار الخطير.

الخلاصة

لا يدعي هذا البحث أنه حل كل مشاكل الشبكات الكهربائية في العالم، ولكنه يقدم حلاً محدداً وذكياً لنقطة ضعف معروفة في محولات "تشكيل الشبكة". من خلال التعامل مع "زاوية القدرة الافتراضية" كعجلة قيادة تحتاج إلى إدارة دقيقة، أظهر المؤلفون أن:

1. التحكم الديناميكي في السرعة بناءً على القدرة الفائضة أفضل من التحكم الثابت؛ فهو يمنح النظام هامش أمان أكبر.
2. التحويل السلس إلى وضع "تتبع الشبكة" هو مخرج طوارل فعال إذا أصبحت العاصفة أكبر مما يجب، بشرما لا يتم تحريك عجلة القيادة بعنف.

يشير المؤلفون إلى أن هذا النهج يجمع بين أفضل ما في العالمين: استقرار قائد "تشكل الشبكة" في الطقس الهادئ، وموثوقية مجدف "تتبع الشبكة" في وسط الإعصار. وبينما تعتمد هذه النتائج على عمليات المحاكاة ولم تُختبر بعد على خط طاقة حقيقي، إلا أنها توفر أساساً نظرياً ونموذجياً قوياً لجعل أنظمة التيار المستمر ذات الجهد العالي المستقبلية أكثر أماناً وصموداً أمام العواصف الحتمية للشبكة الكهربائية.