محول التزامن

محولات التزامن (وتُسمى أيضًا مولدات التزامن الافتراضية أو آلات التزامن الافتراضية ) ^{[ 1 ] [ 2 ]} هي محولات تحاكي مولدات التزامن [ ^{3 ] لتوفير} "قصور ذاتي اصطناعي" للخدمات المساعدة في أنظمة الطاقة الكهربائية . ^{[ 4 ]} القصور الذاتي هو خاصية لمولدات التزامن القياسية ، ويرتبط بالكتلة الفيزيائية الدوارة للنظام التي تدور بتردد يتناسب مع الكهرباء المولدة. يؤثر القصور الذاتي على استقرار الشبكة، إذ يتطلب تغيير الطاقة الحركية للكتلة الفيزيائية الدوارة بذل شغل، وبالتالي يُقاوم تغيرات تردد الشبكة. يفتقر توليد الطاقة باستخدام محولات التزامن بطبيعته إلى هذه الخاصية، لأن شكل الموجة يُولّد اصطناعيًا عبر إلكترونيات الطاقة.

تتميز العواكس القياسية بقصور ذاتي منخفض للغاية . خلال الفترات الانتقالية، والتي تحدث في الغالب بسبب الأعطال أو التغيرات المفاجئة في الحمل ، فإنها تتبع التغيرات بسرعة وقد تتسبب في حالة أسوأ، لكن المولدات المتزامنة تتمتع بقصور ذاتي ملحوظ يمكنه الحفاظ على استقرارها.

صُممت الشبكة الكهربائية للعمل بتردد محدد . عندما يكون العرض والطلب على الطاقة الكهربائية متوازنين تمامًا، يظل تردد الشبكة عند تردده الاسمي. مع ذلك، فإن أي اختلال في التوازن بين العرض والطلب سيؤدي إلى انحراف عن هذا التردد الاسمي. من الطبيعي ألا يكون توليد الكهرباء والطلب عليها متوازنين تمامًا، ولكن يتم التحكم في هذا الاختلال بدقة بحيث يبقى تردد الشبكة ضمن نطاق ضيق يبلغ ±0.05  هرتز. ^{[ 5 ]} تعمل الكتلة الدوارة للمولد التزامني كمخزون للطاقة الحركية للشبكة لموازنة التغيرات في التردد - حيث يمكنها إما توفير الطاقة أو امتصاصها من الشبكة - الناتجة عن اختلال التوازن بين العرض والطلب على الطاقة الكهربائية - وذلك على شكل طاقة حركية عن طريق زيادة السرعة أو خفضها. يتناسب التغير في الطاقة الحركية طرديًا مع التغير في التردد. ولأن زيادة أو خفض سرعة الكتلة الدوارة يتطلب شغلًا، فإن هذا القصور الذاتي يُخفف من آثار اختلالات الطاقة الفعالة، وبالتالي يُثبّت التردد. ^{[ 6 ]} نظرًا لأن توليد الطاقة باستخدام العاكسات يفتقر بطبيعته إلى القصور الذاتي، فإن زيادة انتشار توليد الطاقة المتجددة باستخدام العاكسات قد يعرض موثوقية نظام الطاقة للخطر . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

علاوة على ذلك، فإن تقلب مصادر الطاقة المتجددة، وخاصة الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح، قد يُفاقم هذه المشكلة من خلال خلق فترات عابرة متكررة من عدم توازن الطاقة. نظريًا، يُمكن التحكم في توليد الطاقة باستخدام العاكسات للاستجابة لاختلالات التردد عن طريق تغيير عزم الدوران الكهربائي (مخرجات الطاقة الفعالة). يُعرَّف القصور الذاتي الاصطناعي بأنه "مساهمة مُتحكَّم بها لعزم الدوران الكهربائي من وحدة ما، تتناسب مع معدل تغير التردد عند أطراف الوحدة". ^{[ 9 ]} مع ذلك، وللحصول على القدرة على الاستجابة لهذا المعدل، يجب أن تعمل المولدات المشاركة بمستويات أقل من طاقتها القصوى، بحيث يُخصَّص جزء من طاقتها لهذه الاستجابة تحديدًا. إضافةً إلى ذلك، فإن التقلب المتأصل في الإنتاج يُحدِّد قدرة المولدات على توفير القصور الذاتي الاصطناعي. هذا الشرط لإمداد طاقة موثوق وسريع الاستجابة يجعل تخزين الطاقة باستخدام العاكسات خيارًا أفضل لتوفير القصور الذاتي الاصطناعي.

بدأت شركة هيدرو-كيبيك، بصفتها أول مشغل لشبكة الكهرباء، بتطبيق مبدأ القصور الذاتي الاصطناعي في عام 2005. ولمواجهة انخفاض التردد ، تطلب الشركة زيادة مؤقتة في الطاقة بنسبة 6% من خلال دمج إلكترونيات الطاقة مع القصور الذاتي الدوراني لدوار توربينات الرياح . ^{[ 4 ]} ودخلت متطلبات مماثلة حيز التنفيذ في أوروبا عام 2016، ^{[ 10 ] [ 11 ]} وفي أستراليا عام 2020. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يمكن تقسيم بنية محول التزامن إلى جزأين: جزء الطاقة (انظر الشكل 2) والجزء الإلكتروني. جزء الطاقة هو مسار تحويل ونقل الطاقة، بما في ذلك الجسر، ودائرة الترشيح، وخط الطاقة، وما إلى ذلك. أما الجزء الإلكتروني فيشير إلى وحدات القياس والتحكم، بما في ذلك أجهزة الاستشعار ومعالج الإشارات الرقمية (DSP).

تكمن أهمية نمذجة المحول التزامني في ضمان تشابه سلوكه الديناميكي مع سلوك المولد التزامني (انظر الشكل 3). يُصنَّف هذا النموذج تصاعديًا حسب درجة تعقيده، بدءًا من النموذج ذي الرتبة الثانية (أي النموذج الكهروميكانيكي، المشتق عادةً من معادلة التأرجح ) وصولًا إلى النموذج ذي الرتبة السابعة (أي الذي يشمل ديناميكيات الدوار والجزء الثابت الكاملة، بما في ذلك الحالة العابرة). ^{[ 14 ]} مع ذلك، يُستخدم النموذج ذو الرتبة الثالثة على نطاق واسع نظرًا لموازنته المثالية بين الدقة والتعقيد، حيث يجمع بين النموذج الكهروميكانيكي ومعادلة ديناميكيات الجهد لأحد روابط التدفق المغناطيسي (عادةً المحور q). ^{[ 15 ] [ 16 ]}

مكونات محور dq لجهد الطرف تحقق المعادلات التفاضلية التالية: ^{[ 17 ]}$${\displaystyle V_{d}(t)=-R_{s}i_{d}-{\frac {d\lambda _{d}}{dt}}-\omega \lambda _{q},}$$$${\displaystyle V_{q}(t)=-R_{s}i_{q}-{\frac {d\lambda _{q}}{dt}}+\omega \lambda _{d},}$$ حيث توجد روابط التدفق$${\displaystyle \lambda _{d}=L_{d}i_{d}+{\sqrt {3/2}}M_{f}i_{f},}$$$${\displaystyle \lambda _{q}=L_{q}i_{q},}$$ مع${\displaystyle \{i_{d},i_{q}\}}$تمثيل التيار كدالة للزمن،${\displaystyle R_{s}}$مقاومة الجزء الثابت،${\displaystyle \omega }$السرعة الزاوية للإطار المرجعي الدوار،${\displaystyle \{L_{d},L_{q}\}}$المحاثات ،​${\displaystyle M_{f}i_{f}}$يمثل التدفق المغناطيسي الناتج عن ملفات المجال الدوارة و${\displaystyle \{-\omega \lambda _{d},\omega \lambda _{q}\}}$هل القوى الدافعة الكهربائية الدورانية أو جهد السرعة داخلي للآلة بسبب دوران الدوار (أي تحويل dq لإطار مرجع الجزء الثابت).

بينما يحقق جهد وتيار طرفي محول التزامن هذه المعادلات، يمكن اعتبار محول التزامن بمثابة مولد متزامن. وهذا يُسهّل استبداله بنموذج مولد متزامن وحل المسائل بسهولة.

كما هو موضح في الشكل 3، عندما يُتحكم في العاكس كمصدر جهد، فإنه يتكون من وحدة تزامن للمزامنة مع الشبكة وحلقة طاقة لتنظيم القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة المتبادلة مع الشبكة. غالبًا ما تحتاج وحدة التزامن إلى توفير التردد والسعة. ^{[ 18 ]} أما عندما يُتحكم في العاكس كمصدر تيار، فغالبًا ما يُطلب من وحدة التزامن توفير طور الشبكة فقط، لذا يسهل التحكم فيه كمصدر تيار. ^{[ 19 ]}

بما أن المولد التزامني متزامن بطبيعته مع الشبكة، فمن الممكن دمج وظيفة التزامن في وحدة التحكم بالطاقة دون الحاجة إلى وحدة تزامن منفصلة. ^{[ 20 ]} ينتج عن ذلك وحدة تحكم صغيرة الحجم، كما هو موضح في الشكل 4.

• محول هجين ذكي