مستقرات الجهد ثلاثية الطور لتوربينات الرياح: استقرار المخرجات

تُعَد طاقة الرياح إحدى تقنيات الطاقة المتجددة الأسرع نموًّا؛ ومع ذلك، فهي تعاني من مشكلة جوهرية تتمثّل في عدم قابليتها للتنبؤ. ويتفاوت جهد المخرج من توربين الرياح باستمرار استجابةً مباشرةً للتغيرات في سرعة الرياح والهبات والعواصف الهوائية. وهذا غير مقبول في الأنظمة المتصلة بالشبكة الكهربائية، حيث يجب الحفاظ على الجهود ضمن حدود ضيقة جدًّا، وكذلك في الأحمال الصناعية المستقلة التي قد تتلف بسبب أحداث فائض الجهد أو نقص الجهد. وتحول منظمات الجهد ثلاثية الطور الطاقة التيارية المتناوبة غير المنتظمة القادمة من التوربين إلى طاقة مستقرة قابلة للاستخدام عبر تنفيذ ما يلي.

التعويض عن التغيرات السريعة في سرعة الرياح

يمكن أن تتغير سرعة الرياح بعدة أمتار في الثانية خلال ثوانٍ؛ حيث تؤدي الهبات المفاجئة إلى تسريع دوران التوربين، ما يرفع جهد المولد، أو تراجعها يؤدي إلى انخفاض الجهد. ويتجاوز هذا التغير السريع في الجهد — الذي يتراوح بين ±١٥٪ و٣٠٪ من القيمة الاسمية — قدرة معظم المعدات؛ إذ قد تتوقف المضخات والمحركات ودوائر التحكم أو تفشل، مما يؤدي إلى حدوث حادث غير مرغوب فيه. ويُستخدم منظم جهد ثلاثي الطور مصمم خصيصًا للتطبيقات الريحية، يعتمد إما على تقنية الثايرستور (SCR) ذات الاستجابة السريعة أو على تقنية تغيير التوصيلات (Tap-changing) التي تُدار بواسطة محرك سيرفو، لمراقبة جهد الخرج باستمرار وتغيير نقطة التوصيل (Tap) أو زاوية الإشعال خلال فترة تتراوح بين ٢٠ و٤٠ ملي ثانية — وهي فترة أسرع بكثير من الاستجابة الميكانيكية للتوربين. وبما أن سرعة الرياح تتغير تغيرًا كبيرًا، فإن المنظم يحافظ على استقرار الجهد ضمن نطاق ٣–٥٪ من القيمة المُحددة مسبقًا، ويحمي الأحمال الحساسة من الانقطاعات غير الضرورية عند استخدامه في أنظمة هجينة تعمل بالرياح والديزل أو في توربينات صغيرة متصلة بالشبكة الكهربائية.

معالجة المدخلات غير المتوازنة الناتجة عن عدم تناسق التوربين

مولدات التوربينات الريحية ثلاثية الطور (وخاصة تلك التي تستخدم المغناطيس الدائم) لا تُنتج عادةً جهدًا متوازنًا تمامًا؛ فالعدم التوازن، الذي قد يصل إلى ٥–١٥٪ بين الأطوار، ينتج عن عدم تناسق الشفرات أو انحراف محور الاتجاه (Yaw misalignment) أو ظل جزئي على الدوار، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحركات ثلاثية الطور وانخفاض كفاءة المقومات وتوليد تيارات تشويشية. ويوفّر منظم الجهد ثلاثي الطور تحكّمًا مستقلًّا في كل طور؛ حيث يقوم النظام بتنظيم الأطوار الثلاثة بشكل فردي لتعويض عدم التوازن عبر رفع أو خفض جهد كل خطٍّ على حدة. ويمكن خفض عدم التوازن الذي يتراوح بين ٥–١٥٪ إلى ما بين ١–٢٪ عند مخرج المنظم. وللتوربينات الريحية التي تُغذّي أحمالًا ثلاثية الطور — مثل مضخات المياه أو الضواغط أو شواحن البطاريات — فإن وصول هذا عدم التوازن إلى الحمولة أمرٌ غير مرغوبٍ لأنه قد يتسبب في تلف المعدات أو تدهورها. كما يتحسّن عامل جودة الطاقة، وهي قيمة تزداد أهميتها وتُحدَّد بشكل متزايد في أنظمة تشغيل الشبكة الكهربائية.

الحماية من أحداث الفائض في السرعة والجهد

أثناء الظروف العاصفة، وعندما تزداد سرعة الرياح فوق السرعة المُصنَّفة، قد يرتفع جهد المولد إلى مستوى يفوق بكثير القيمة الاسمية—غالبًا ليصل إلى ١٣٠–١٥٠٪ من الجهد المُصنَّف. وإذا استمر هذا المستوى من الجهد لفترة طويلة، فإنه يتسبب في تلف العزل الكهربائي، وإثارة مفرطة للمحولات، وتدمير الأحمال الإلكترونية الحساسة مثل محركات التحكم بالتردد المتغير (VFD) أو المحولات العكسية (Inverters). ويقوم منظم الجهد ثلاثي الطور بالتحكم في ظروف فرط الجهد الناتجة عن دوران التوربين بسرعة زائدة، وذلك عبر تحديد الجهد الخارجي. وخلال مثل هذه الحالة، يتم رصد جهد الإدخال؛ وعندما يتجاوز الحدود المحددة مسبقًا (عادةً ما تكون بين ١١٠–١١٥٪ من القيمة الاسمية)، يُخفض الجهد الخارجي إلى قيمة طرف توصيل أقل، أو في الحالات القصوى، يُفصل التوصيل عن الحمل باستخدام مفتاح تجاوز داخلي (Bypass Contactor). وبعض الوحدات تُرسل إشارةً إلى وحدة التحكم في توربين الرياح لتفعيل نظام الفرملة أو التحكم في زاوية المراوح (Pitch Control)، مما يضمن منع حدوث عطل كارثي في المعدات أثناء الظروف العاصفة، أو في حال عجزها عن إخراج طاقتها بسبب عطل في الشبكة الكهربائية مثلًا.

تنعيم الإخراج لشحن البطارية ومدخل العاكس

لتطبيقات التشغيل خارج الشبكة الكهربائية، غالبًا ما يتم شحن مجموعة بطاريات من توربين الرياح، أو توجيه الطاقة إلى عاكس (إنفرتر) لتغذية الأحمال التيار المتناوب (AC)؛ ويتطلب كلٌّ من شحن البطاريات ومدخلات العاكس مستويات جهد مستقرة. وعند ارتفاع مستويات الجهد أثناء الشحن، تتدفق تيارات شحن مفرطة عند هذه المستويات العالية، مما يؤدي إلى انبعاث الغازات من البطاريات وتقليل عمرها الافتراضي. كما أن مدخلات العاكس حساسة للغاية لتذبذبات الجهد، ما يُولِّد تيارات توافقية تؤدي إلى خفض كفاءة القدرة. وبوضع منظم جهد ثلاثي الطور بين توربين الرياح وشاحن البطارية أو العاكس، فإن إخراج التوربين يُعالَج ويُحسَّن. وفي حالة الأحمال التي تُدار بواسطة العاكس، فهذا يعني موجات جيبية أنظف بكثير وتوافقيات أقل. كما ينخفض التذبذب عند المخرج بنسبة تتراوح بين ٥ و١٠ أضعاف. وهذا يعني أنه، عند سرعات الرياح المنخفضة، تُزوَّد البطارية بالجهد المطلوب للشحن، وبالتالي يزداد عمرها الافتراضي بنسبة تتراوح بين ٢٠ و٣٠٪ مقارنةً بتوصيل التوربين مباشرةً. كما يتضمن النظام أيضًا حماية قطع التيار عند الجهد المنخفض لمنع تفريغ البطارية بشكل مفرط أثناء فترات السكون.

نقدّم منظمات جهد ثلاثية الطور التي تُعوّض التغيرات السريعة في سرعة الرياح، وتتعامل مع إدخال غير متوازن ناتج عن عدم تناسق التوربينات، وتحمي من أحداث زيادة السرعة والجهد الزائد، كما تعمل على تسوية جهد الخرج للبطاريات ومدخلات العاكس. ولدينا أكثر من ٢٠ عامًا من الخبرة، وأكثر من ٥٠٬٠٠٠ متر مربع من مساحة التصنيع، إلى جانب تصميم المكونات الداخلي، وحقوق الملكية الفكرية الخاصة بنا، ودورنا كجهة وطنية مسؤولة عن وضع المعايير القياسية في هذا القطاع، ونورد منظمات الجهد ثلاثية الطور لضمان أن تكون طاقة الرياح قابلة للاستخدام وموثوقة.