A diagnostic of voltage infeasibility at low net load and the role of inverter-based grid support
تقدم هذه الورقة إجراءً تشخيصياً يوضح أن انتهاكات الحد العلوي للجهد عند انخفاض صافي الحمل غالباً ما تنبع من نقص في القدرة غير الفعالة بدلاً من كونها فائضاً، مما يسلط الضوء على الدور الحاسم لدعم الشبكة القائم على العواكس والتحكم السليم في الجهد في منع حالات عدم الإمكانية هذه.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تعد الشبكة الكهربائية آلة ضخمة وحساسة يجب أن توازن بين العرض والطلب في اللحظة التي يحدثان فيها. عندما تشرق الشمس بسطوع وتهب الرياح بقوة، يمكن لمصادر الطاقة المتجددة مثل مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أن تنتج الكثير من الكهرباء بحيث تغطي معظم احتياجات اليوم. وفي هذه اللحظات التي ينخفض فيها الطلب، غالباً ما يتم إيقاف تشغيل محطات الطاقة التقليدية التي تحافظ عادة على استقرار النظام لتوفير المال. وهذا يترك الشبكة بعدد أقل من الآلات الكبيرة القادرة على ضبط الجهد، وهو الضغط الكهربائي الذي يدفع التيار عبر الأسلاك. فإذا ارتفع هذا الضغط كثيراً، يمكن أن يتسبب في تلف المعدات ويؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي؛ وإذا انخفض كثيراً، تومض الأضواء وتتعطل الأجهزة. لسنوات طويلة، قلق المهندسون من أنه عندما تهيمن الطاقة المتجددة، ستعاني الشبكة من ارتفاع مفرط في الجهد، وهي حالة بدت وكأنها تتطلب امتصاص الطاقة الزائدة لخفض الضغط.
لقد تحدى فريق من الباحثين في جامعة إشبيلية في إسبانيا هذا الافتراض الذي ساد طويلاً. فقد بحثوا فيما يحدث عندما تتدفق الطاقة المتجدولة في الشبكة ويتم إيقاف تشغيل محطات الطاقة التقليدية، وهو سيناريو أدى مؤخراً إلى انقطاع كبير في التيار في شبه جزيرة أيبيريا. وباستخدام محاكاة حاسوبية متقدمة لثلاث شبكات كهربائية مختلفة، طوروا طريقة جديدة لتشخيص أسباب فشل الشبكة. ويكشف عملهم أنه عندما يرتفع الجهد عالياً جداً في ساعات الطلب المنخفض هذه، فإنه غالباً ما يكون علامة على مشكلة معاكسة: نقص حاد في الدعم، وليس فائضاً في الطاقة. ووجد الباحثون أن مجرد محاولة امتصاص الطاقة، كما تقترح فحوصات السلامة القياسية غالباً، ستجعل الوضع أسوأ. وبدلاً من ذلك، يكمن الحل في إبقاء محطات طاقة معينة قيد التشغيل لتوفير الدعم الفعال، وضمان عدم استمرار أنظمة تخزين البطاريات في سحب الطاقة عندما تفقد مولداتها المحلية.
بدأت الدراسة بالنظر في الساعات التي تغطي فيها الطاقة المتجددة معظم الطلب تقرياً. في هذه الأوقات، يقوم نظام مدفوع بالتكلفة بإيقاف تشغيل معظم المولدات المتزامنة الكبيرة التي تثبت الجهد تقليدياً. وقد طرح الباحثون سؤالاً بسيطاً ولكنه حاسم: هل يمكن للمعدات المتبقية الحفاظ على الجهد ضمن الحدود الآمنة قبل وبعد تعطل أي محطة طاقة واحدة فجأة؟ وللإجابة على ذلك، قاموا ببناء أداة تشخيصية تعمل مثل الفحص الطبي للشبكة. فبدلاً من النظر فقط إلى مكان ارتفاع الجهد، تقوم الأداة بمحاكاة آلاف السيناريوهات لتحديد ما إذا كان النظام يفشل حقاً بسبب وجود طاقة زائدة لديه أم بسبب افتقاره إليها. وقد اختبروا ذلك على نظام صغير مكون من تسعة عقد، وشبكة أكبر مكونة من تسع وثلاثين عقدة، ونموذج معقد مكون من ثلاث وسبعين عقدة لشبكة من العالم الحقيقي، مع إجراء عمليات المحاكاة لساعات عندما يكون الطلب في أدنى مستوياته وإنتاج الطاقة المتجددة في أعلى مستوياته.
كانت النتائج مفاجئة وغير متوقعة. ففي كل حالة تقريباً فشلت فيها الشبكة، كان النظام يعاني في الواقع من نقص في "القدرة غير الفعالة" (reactive power)، وهي نوع من الطاقة اللازمة للحفاظ على الجهد، بدلاً من وجود فائض في الطاقة. واكتشف الباحثون آلية محددة تسبب ارتفاع الجهد بشكل خطير. تخيل كبلاً طويلاً وخفيف الحمل يمتد من مصدر طاقة إلى بلدة نائية. ولأن الكبل لا يحمل الكثير من التيار، فإنه يولد طبيعياً جهداً خاصاً به، مما يدفع الضغط للأعلى عند الطرف البعيد. وللحفاظ على عدم انخفاض الجهد في البلدة النائية كثيراً، يضطر النظام إلى رفع الجهد عند المصدر بشكل أكبر. وهذا الإجراء يدفع الجهد عند طرف الكبل ليتجاوز حد الأمان. ويرى الفحص القياسي هذا الجهد المرتفع عند طرف الكبل ويفترض وجود طاقة زائدة، مقترحاً تركيب أجهزة لامتصاص الطاقة. ومع ذلك، أظهر الباحثون أن هذه ستكون الخطوة الخاطئة؛ فالمشكلة الحقيقية كانت أن البلدة النائية تحتاج إلى مزيد من الدعم، لا أقل منه. إن إضافة أجهزة لامتصاص الطاقة عند طرف الكبل أدت في الواقع إلى رفع الجهد بشكل أكبر، مما زاد من سوء الفشل.
كما درست الدراسة محطات الطاقة الحديثة، التي تستخدم العواكس (inverters) للاتصال بالشبكة، وكيف يمكنها المساعدة. يمكن برمجة هذه المحطات للتحكم في الجهد مباشرة، لتعمل مثل المولدات التقليدية التي تحل محلها. ووجد الباحثون أنه عندما يتم ضبط هذه المحطات للتحكم في الجهد، فإن عدد الساعات التي يمكن تشغيلها بأمان يرتفع بشكل كبير. وفي أحد الأنظمة الكبيرة، ارتلت حصة الساعات التي يمكن تشغيلها بأمان من تسعة بالمائة فقط إلى ثلاثة وسبعين بالمائة عندما استخدمت المحطات التحكم في الجهد بدلاً من الإعداد الثابت. وجاء هذا التحسن بشكل أساسي من قدرة المحطات على توليد أو امتصاص القدرة غير الفعالة عند الطلب. وحتى لو امتلكت المحطات نصف السعة المعتادة للقيام بذلك، فقد أدت أداءً يضاهي المحطات ذات السعة الكاملة التي تم ضبطها على مخرج ثابت. وكان المفتاح هو القدرة على التعديل الديناميكي، لإغلاق الحلقة والحفاظ على استقرار الجهد مع تغير الظروف.
وتضمن اكتشاف آخر بالغ الأهمية موضوع البطاريات التي توجد غالباً بجوار هذه المحطات المتجددة. في العديد من التصميمات الحالية، إذا تعطلت محطة طاقة شمسية أو رياح، فقد تستمر البطارية الموجودة في نفس الموقع في الشحن، مما يسحب الطاقة من الشبكة. ووجد الباحثون أن هذا السلوك يمكن أن يكون خطيراً. فعندما تتعطل المحطة، تفقد المنطقة مصدراً للطاقة، ولكن إذا استمرت البطارية في الشحن، فإنها تعمل كعبء إضافي، مما يعمق النقص المحلي في الطاقة. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، أدت البطارية التي استمرت في الشحن بعد تعطل محطتها إلى إزالة القدرة على التشغيل الآمن في حوالي ربع الحالات التي كان النظام فيها مستقراً لولا ذلك. والأهم من ذلك، أن البطارية التي سببت المشكلة لم تكن دائماً هي تلك الموجودة في موقع أكبر عطل. بل كانت غالباً بطارية في موقع مختلف تغذي جزءاً نائياً وضعيفاً من الشبكة. وهذا يعني أن قواعد السلامة لا يمكنها التركيز فقط على موقع أكبر انقطاع؛ بل يجب أن تتطلب من كل بطارية متصلة بمحطة أن تتوقف عن الشحن فور تعطل تلك المحطة.
خلص الباحثون إلى أن الطريقة القياسية لقراءة أعطال الشبكة غالباً ما تكون مضللة. فعندما يشير فحص السلامة إلى حد جهد مرتفع، فهذا لا يعني تلقائياً أن النظام لديه طاقة زائدة. ففي ساعات الطلب المنخفض في مستقبل تهيمن عليه الطاقة المتجددة، يكون قراءة الجهد المرتفع غالباً عرضاً لنقص محلي، حيث يتم استنزاف الشبكة لدرجة تجعلها عاجزة عن دعم حمل بعيد. والعلاج ليس في امتصاص الطاقة، بل في تزويدها حيث تفتقر إليها، سواء من خلال إبقاء الوحدات التقليدية القريبة قيد التشغيل، أو باستخدام قدرات التحكم في الجهد للعواكس الحديثة. ويمكن لأداة التشخيص التي ابتكروها التمييز بين هذين الموقفين دون الحاجة إلى معرفة التفاصيل الدقيقة لهيكل الشبكة، مما يوفر مساراً واضحاً للمشغلين للحفاظ على استمرار الإضاءة. ومن خلال فهم أن الجهد العالي يمكن أن يشير إلى نقص في الدعم، يمكن لمديري الشبكات تجنب تطبيق الإصلاح الخاطئ وتعزيز الشبكة بدلاً من ذلك في أكثر نقاطها ضعفاً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.