مورد قائم على العاكس

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

مورد الطاقة القائم على العاكس ( IBR ) هو مصدر للكهرباء متصل بشبكة الكهرباء بشكل غير متزامن عبر محول طاقة إلكتروني (" عاكس "). تشمل الأجهزة في هذه الفئة، والمعروفة أيضًا باسم توليد الطاقة المتصل بواجهة المحول ( CIG ) ومصدر واجهة إلكترونيات الطاقة ، مولدات الطاقة المتجددة المتغيرة (الرياح، الطاقة الشمسية) ووحدات تخزين الطاقة مثل البطاريات والمكثفات الفائقة، إلخ . [ 1 ] [ 2 ] تفتقر هذه الأجهزة إلى السلوكيات الذاتية (مثل الاستجابة بالقصور الذاتي للمولد المتزامن )، وتُحدد خصائصها بشكل شبه كامل بواسطة خوارزميات التحكم، مما يُشكل تحديات محددة لاستقرار النظام مع ازدياد انتشارها، [ 1 ] على سبيل المثال، يمكن أن يؤثر خطأ برمجي واحد على جميع الأجهزة من نوع معين في حالة الطوارئ (انظر قسم حريق بلو كت أدناه). تُسمى موارد الطاقة القائمة على العاكس أحيانًا بالمولدات غير المتزامنة . [ 3 ] يتبع تصميم العواكس لموارد الطاقة القائمة على العاكس عمومًا معايير IEEE 1547 و NERC PRC-024-2. [ 4 ]

يشمل مصطلح المصادر غير التقليدية مولدات الطاقة المتزامنة بالإضافة إلى مولدات أخرى تتصرف بشكل مختلف عن المولدات المتزامنة. [ 5 ]

تتبع الشبكة

جهاز تتبع الشبكة ( GFL ) متزامن مع جهد الشبكة المحلية، ويقوم بحقن تيار كهربائي متجه متوافق مع الجهد (أي أنه يعمل كمصدر تيار [ 6 ] ). تُدمج محولات GFL في الغالبية العظمى من أجهزة IBR المُثبتة. [ 1 ] ونظرًا لطبيعتها التتبعية، يتوقف جهاز GFL عن العمل في حال رصد اضطراب كبير في الجهد/التردد. [ 7 ] لا تُساهم أجهزة GFL في تعزيز قوة الشبكة ، أو تخميد تذبذبات الطاقة الفعالة، أو توفير القصور الذاتي . [ 8 ]

تشكيل الشبكة

يُحاكي جهاز تشكيل الشبكة ( GFM ) جزئيًا بعض خصائص المولد التزامني: إذ يُتحكم في جهده بواسطة مذبذب محلي يُبطئ سرعته عند سحب المزيد من الطاقة منه. [ 9 ] على عكس المولد التقليدي، لا يمتلك جهاز GFM قدرة على تحمل التيار الزائد ، وبالتالي يتفاعل بشكل مختلف تمامًا في حالة حدوث قصر في الدائرة . [ 1 ] إضافة خاصية GFM إلى جهاز GFL ليست مكلفة من حيث المكونات، ولكنها تؤثر على الإيرادات: فمن أجل دعم استقرار الشبكة بتوفير طاقة إضافية عند الحاجة، يجب زيادة حجم أشباه موصلات الطاقة وإضافة وحدات تخزين الطاقة. يستهلك جهاز GFM طاقة أعلى في وضع الاستعداد مقارنةً بجهاز GFL. [ 10 ] ومع ذلك، تُظهر النماذج أنه من الممكن تشغيل نظام طاقة يعتمد بشكل شبه كامل على أجهزة GFL. [ 11 ] ويجري البحث حاليًا في دمج محطة طاقة لتخزين البطاريات بتقنية GFM مع مكثفات متزامنة ("SuperFACTS"). [ 12 ]

تصنف الشبكة الأوروبية لمشغلي أنظمة نقل الكهرباء (ENTSO-E) أجهزة GFM إلى ثلاث فئات من 1 إلى 3، حيث تمثل الفئة 1 أدنى مستوى من المساهمة في استقرار الشبكة (كان التصنيف الأصلي معكوسًا، حيث تمثل الفئة 1 أعلى مستوى). وتنقسم الفئة 2 بدورها إلى 2A و2B و2C، حيث تمثل 2A أبسطها: [ 13 ]

سمات

إن الامتثال لمعيار IEEE 1547 يجعل جهاز IBR يدعم ميزات السلامة: [ 14 ]

  • إذا انحرف جهد الخط المقاس بشكل كبير عن الجهد الاسمي (عادةً خارج نطاق 0.9 إلى 1.1 وحدة نسبية )، فسيفصل جهاز IBR التيار بعد فترة تأخير ( زمن استمرار التشغيل )، وتكون فترة التأخير أقصر كلما زاد انحراف الجهد. وبمجرد إيقاف تشغيل العاكس، سيبقى مفصولاً لفترة طويلة (دقائق).
  • إذا كان مقدار الجهد غير متوقع، فسيدخل العاكس في حالة توقف مؤقتة : أثناء اتصاله بالشبكة، لن يقوم بضخ أي طاقة إليها. وتستمر هذه الحالة لفترة قصيرة (أقل من ثانية).

بمجرد أن يتوقف مفاعل الطاقة المتكامل عن توفير الطاقة، فإنه لا يمكنه العودة إلا تدريجياً، حيث يزيد إنتاجه من الصفر إلى الطاقة الكاملة. [ 15 ]

إن الطبيعة الإلكترونية لمحركات IBR تحد من قدرتها على تحمل الأحمال الزائدة: فالإجهاد الحراري يتسبب في أن مكوناتها لا تستطيع العمل مؤقتًا إلا بقدرة لا تتجاوز 1-2 ضعف قدرة اللوحة الاسمية ، بينما يمكن للآلات المتزامنة أن تتحمل لفترة وجيزة حملاً زائداً يصل إلى 5-6 أضعاف قدرتها المقدرة. [ 16 ]

عادةً ما يكون عطل المولد التزامني التقليدي (مثل فقدان المحرك الرئيسي ) بطيئًا (ثوانٍ)، بينما يجب على نظام IBR الفصل بسرعة نظرًا لانخفاض هامش التحميل الزائد. [ 17 ]

تشير مؤسسة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (NERC) إلى أن مولدات الطاقة المستقلة، مثل المولدات التقليدية، يمكنها توفير خدمات موثوقية أساسية ، وتلخص الاختلافات على النحو التالي: [ 18 ]

الاختلافات بين مولدات الطاقة ذات المقاومة المتغيرة (IBRs) والمولدات المتزامنة
IBRمولد متزامن
يتم تحديد السلوك بواسطة محول الطاقة وبرنامج التحكمالسلوك مدفوع في الغالب بالخصائص الفيزيائية للآلة
من غير موجود إلى قصور ذاتي صغيرالقصور الذاتي الكبير للدوار
تيار عطل منخفضتيار عطل مرتفع
يعتمد على الإلكترونيات الحساسةالتصميم قادر على تحمل الظروف القاسية
زيادة سريعة في السرعةالتسارع محدود بالقيود الميكانيكية
تحكم سريع في الترددالاستجابة بالقصور الذاتي حسب التصميم
إمكانية الإرسال محدودة بسبب الظروف البيئيةإمكانية الإرسال الكاملة
معدات المصنع قليلة جدًا خارج المولدمعدات مساعدة واسعة النطاق تزيد من خطر التعثر

وظائف الحماية

تأتي أجهزة IBR مزودة بالعديد من وظائف الحماية المدمجة في العواكس. وقد أظهرت تجربة أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين وأوائل العقد الثاني أن بعض هذه الحمايات غير ضرورية، إذ صُممت هذه الأجهزة على أساس شبكة كهربائية قوية ذات اختراق محدود لأجهزة IBR. واقترحت إرشادات NERC لعام 2018 إزالة بعض هذه الفحوصات لتجنب حالات الفصل غير الضرورية لأجهزة IBR، وقد لا تحتوي الأجهزة الأحدث عليها. أما الفحوصات المتبقية فهي ضرورية للحماية الذاتية للعواكس التي، مقارنةً بالمولدات المتزامنة، تتمتع بتحمل ضئيل نسبيًا للجهد الزائد والتيار الزائد. [ 17 ] وتشمل الحمايات النموذجية ما يلي: [ 19 ]

  • زيادة الجهد المفاجئة للتيار المتردد . يمكن أن تؤدي زيادة الجهد ذات السعة العالية إلى تلف الإلكترونيات الحساسة للعكس. يقيس مستشعر الجهد شكل الموجة مع ترشيح ضئيل. في بعض الحالات، قد يؤدي إيقاف تشغيل العكس أثناء حدوث اضطراب إلى تفاقم مشكلة الجهد (انظر زيادة الجهد في دورة فرعية ).
  • يمنع التيار الزائد الفوري للتيار المتردد العاكس، الذي لا يتحمل الحمل الزائد، من تغذية التيار إلى العطل. كما أن الاستجابة السريعة ضرورية، لذلك يتم تطبيق ترشيح ضئيل للغاية على بيانات مستشعر التيار؛
  • يشير الجهد الزائد للتيار المستمر إلى وجود مشكلة في ناقل التيار المستمر الخاص بالعكس (وعطل داخلي في إلكترونيات العاكس)؛
  • في تصميمات العاكسات متعددة المستويات (مثل العاكس ذي النقطة المحايدة المثبتة ثلاثي المستويات ، NPC)، توجد عدة خطوط تيار مستمر. ويتطلب عدم توازن الجهد بين هذه الخطوط، والذي قد يحدث بسبب تشوه شكل الموجة الناتج عن عطل عابر خارجي، فصل التيار لإزالة هذا الخلل.
  • يؤدي نظام تجاوز الجهد والتردد إلى فصل العاكس عند مواجهة تشوه شديد في شكل الموجة. بعد حادثة حريق بلو كت، تتطلب إرشادات NERC ترشيح البيانات بشكل مكثف لتجنب فصل الجهاز أثناء حدوث عطل خارجي قصير المدة؛
  • تكشف حماية قفزة الطور عن تغيير في فرق الطور بين موجات الجهد والتيار التي قد تشير إلى حدوث عزل عرضي ؛
  • فقدان التزامن . إذا تغيرت زاوية PLL (وهي مكافئ IBR لزاوية الدوار ) بسرعة، فقد يشير ذلك إلى خلل في الجهاز، ويتطلب إيقاف التشغيل لتجنب حدوث أضرار مستقبلية. مع ذلك، في حالة الشبكات الضعيفة وانتشار IBRs بشكل كبير، قد يحدث إنذار خاطئ.

بمجرد تعطلها، ستُعاد تشغيل أجهزة IBR بناءً على مؤقت أو من خلال تدخل يدوي. يتراوح إعداد المؤقت النموذجي بين الثواني والدقائق (الإعداد الافتراضي لمعيار IEEE-1547 هو 300 ثانية). [ 20 ]

نقاط الضعف

ظهرت تحديات جديدة لاستقرار النظام مع ازدياد انتشار أجهزة إعادة بناء الشبكة المتكاملة (IBRs). وقد تم الإبلاغ عن حالات انقطاع التيار الكهربائي أثناء أحداث الطوارئ التي كان من المتوقع فيها استمرار عمل النظام، بالإضافة إلى ضعف تخميد التذبذبات دون التزامنية في الشبكات الضعيفة . [ 1 ]

تشكل حالات الفصل الجماعي واسعة النطاق لأنظمة العاكسات المستقلة (IBRs) في حالة حدوث عطل خطرًا ملحوظًا على موثوقية الشبكات الكهربائية. [ 21 ] وبحلول منتصف العقد الحالي، أظهرت أنظمة العاكسات المستقلة، بما في ذلك أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS)، ميلًا للتوقف أو خفض الإنتاج بشكل كبير بسبب أعطال غير مؤثرة عادةً، والتي تقوم أنظمة الحماية بإزالتها بشكل روتيني. [ 22 ] ويتفاقم هذا الخطر مع تقاعد المولدات المتزامنة، مما يزيد من اعتماد الشبكة على أنظمة العاكسات المستقلة لتوفير خدمات الموثوقية الأساسية وأداء استمرارية التشغيل. [ 23 ] وشهدت شبكة الربط الغربية في الولايات المتحدة، ذات الانتشار الواسع لموارد الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح، 4 حالات فقدان لأكثر من 500 ميغاواط في ربيع وصيف عام 2024. [ 24 ] وأشار تحليل هذه الاضطرابات إلى أن جزءًا كبيرًا من إعدادات العاكسات لم يكن مُحسَّنًا لأقصى قدرة للمعدات، مما أدى إلى عدم استغلال كامل قدرة استمرارية التشغيل. [ 23 ] لوحظ أن تحديثات البرامج الثابتة لمعدات التحكم تؤدي عن غير قصد إلى إعادة إعدادات الخوارزمية إلى التكوينات الافتراضية، مما يلغي إجراءات التخفيف السابقة ويجعل المنشآت عرضة للتعطل. [ 25 ]

من بين أكثر حالات الطوارئ الكبرى المتعلقة بالطاقة التي دُرست والتي تضمنت أنظمة الطاقة المتجددة المتكاملة، حريق بلو كت عام 2016 في جنوب كاليفورنيا ، والذي تسبب في خسارة مؤقتة لأكثر من جيجاوات من الطاقة الكهروضوئية في فترة قصيرة جدًا. [ 15 ]

بلو كت فاير

أثّر حريق بلو كت في ممر كاجون في 16 أغسطس/آب 2016 على العديد من خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي (500 كيلوفولت و287 كيلوفولت) التي تمر عبر الوادي. وسُجّل خلال ذلك اليوم 13 عطلاً في خطوط 500 كيلوفولت وعطلان في خطوط 287 كيلوفولت. [ 26 ] كانت الأعطال عابرة، وقد زالت تلقائيًا في وقت قصير (2-3.5 دورة ، أقل من 60 مللي ثانية )، إلا أن الخصائص غير المتوقعة للخوارزميات في برنامج عاكس الطاقة الكهروضوئية تسببت في انقطاعات هائلة متعددة للطاقة، كان أكبرها انقطاعًا بلغ حوالي 1200 ميغاواط [ 27 ] في تمام الساعة 11:45:16 صباحًا، واستمر لعدة دقائق. [ 28 ]

أظهر التحليل الذي أجرته مؤسسة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (NERC) ما يلي:

  1. تسبب خلل في خوارزمية تقدير التردد في خسارة قدرها 700 ميغاواط. فقد أدت أعطال الخطوط إلى تشويه شكل موجة التيار المتردد، مما دفع البرنامج إلى تقدير خاطئ لتردد الشبكة، حيث انخفض إلى ما دون 57  هرتز، وهو الحد الذي يُفترض عنده بدء فصل طارئ. مع ذلك، لم ينخفض ​​التردد الفعلي أثناء الحادث عن 59.867  هرتز، [ 29 ] وهو أعلى بكثير من الحد الأدنى لنطاق التردد الطبيعي (59.5  هرتز لشبكة الربط الغربية ).
  2. فُقدت طاقة إضافية قدرها 450 ميغاواط عندما تسبب انخفاض جهد الخط في توقف العاكسات عن حقن التيار فورًا، مع عودة تدريجية إلى حالة التشغيل في غضون دقيقتين. وقد أشار أحد المصنّعين على الأقل إلى أن حقن التيار عندما يكون مستوى الجهد أقل من 0.9 وحدة نسبية سيتطلب إعادة تصميم رئيسية. [ 30 ]

نتيجةً للحادث، أصدرت هيئة تنظيم الكهرباء النيجيرية (NERC) توصيات متعددة، تضمنت تغييرات في تصميم العاكس وتعديلات على المعايير. [ 4 ]

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 غو آند جرين 2022 ، ص. 1.
  2. ↑ ENTSO-E 2020 ، ص 1.
  3. ↑ خان وميناي 2023 ، ص 1.
  4. 1 2 NERC 2017 ، ص. 10.
  5. ↑ كاستيني 2022 ، ص. 1.
  6. ^ خان وميناي 2023 ، ص 1-2.
  7. ↑ خان وميناي 2023 ، ص 4.
  8. ↑ AEMO 2021 ، ص 15.
  9. ↑ سونغ، غوان هونغ؛ كاو، بو؛ تشانغ، ليوتشن (مارس 2022). "مراجعة محولات تشكيل الشبكة لدعم تشغيل نظام الطاقة" . المجلة الصينية للهندسة الكهربائية . 8 (1): 1-15 . doi : 10.23919/CJEE.2022.000001 . ISSN 2836-4619 . 
  10. ↑ هاينز، جورج (2 سبتمبر 2025). "تخزين البطاريات لتشكيل الشبكة: 'استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد سيكون أعلى' كما تقول شركة AGL الأسترالية" . Energy-Storage.News .
  11. ↑ Gu & Green 2022 ، ص. 2.
  12. ↑ جيفورجيان، ف.؛ شاه، س.؛ يان، و. (2021). "دمج المكثفات المتزامنة مع بطاريات تشكيل الشبكة لتكامل الطاقة الكهروضوئية - حل لتعزيز موثوقية الشبكة ومرونتها". ورشة العمل الحادية عشرة لتكامل أنظمة الطاقة الشمسية والتخزين (SIW 2021) . وقائع مؤتمر IET. المجلد 2021. الصفحات 85-108 . doi : 10.1049/icp.2021.2488 . ISBN   978-1-83953-680-9.
  13. ^ ENTSO-E 2020 ، ص. 20-21.
  14. ↑ بوبيل 2020 ، ص 4-5.
  15. 1 2 Popiel 2020 ، ص. 5.
  16. ↑ AEMO 2021 ، ص 16.
  17. 1 2 باتبيرامان وإنزونزا 2024 ، ص. 1.
  18. ↑ NERC 2023 ، ص 4.
  19. ^ باتابيرامان وإنزونزا 2024 ، ص 1-2.
  20. ^ باتبيرامان وإنزونزا 2024 ، ص. 2.
  21. ↑ WECC 2025 ، ص. 2.
  22. ↑ WECC 2025 ، الصفحات 2، 4.
  23. 1 2 WECC 2025 ، ص. 11.
  24. ↑ WECC 2025 ، الصفحات 2، 5.
  25. ↑ WECC 2025 ، ص 8.
  26. ↑ NERC 2017 ، ص. 5.
  27. ↑ NERC 2017 ، ص. 2.
  28. ↑ NERC 2017 ، ص 5.
  29. ↑ NERC 2017 ، ص 8.
  30. ↑ NERC 2017 ، ص 9.

مصادر