الاستجابة بالقصور الذاتي

الاستجابة بالقصور الذاتي هي خاصية للمولدات التزامنية الكبيرة ، التي تحتوي على كتل دوارة التزامنية ضخمة، وتعمل على التغلب على أي اختلال فوري بين العرض والطلب على الطاقة في أنظمة الطاقة الكهربائية، وخاصةً الشبكة الكهربائية . ونظرًا لاختلال التوازن الدائم بين العرض والطلب على الطاقة، فإن تردد دوران الكتل الدوارة في جميع المولدات التزامنية في الشبكة إما أن يزداد لامتصاص الطاقة الزائدة في حالة وجود فائض في العرض، أو أن يتباطأ لتوفير طاقة إضافية في حالة وجود فائض في الطلب. هذه الاستجابة في المولد التزامني مُدمجة في التصميم وتحدث دون أي تدخل أو تنسيق خارجي، مما يوفر لنظام التحكم الآلي في التوليد ومشغل الشبكة وقتًا ثمينًا (بضع ثوانٍ) لإعادة توازن النظام ^{[ 1 ].} تردد الشبكة هو النتيجة المُجمعة للحركات التفصيلية لجميع الدوارات التزامنية الفردية في الشبكة، والتي يتم نمذجتها بواسطة معادلة حركة عامة تُسمى معادلة التأرجح .

في أنظمة الطاقة الأمريكية، يُلزم مشغل الشبكة بالحفاظ على التردد ضمن نطاق محدد، وقد يتحمل المسؤولية المالية في حال رصدت هيئة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية أي مخالفة. علاوة على ذلك، ولحماية المعدات، يتم فصل جزء من الحمل (" تخفيف الحمل عند انخفاض التردد ") إذا انخفض التردد عن حد معين (59.5 هرتز في معظم أنحاء الولايات المتحدة، و59.3 هرتز في تكساس). ^{[ 2 ]} عند حدوث انقطاع غير متوقع في الإمداد (على سبيل المثال، عطل في المولد)، يبدأ نظام استجابة التردد الأساسي بالعمل تلقائيًا - حيث يستشعر مستشعر انخفاض التردد ويضبط قدرة المحرك الرئيسي وفقًا لذلك. بالنسبة للمولد التزامني النموذجي، يتضمن هذا الضبط تعديل الأجهزة الميكانيكية (الصمامات، وما إلى ذلك)، وبالتالي يستغرق وقتًا. خلال هذا الوقت، تعتمد شبكة الطاقة على القصور الذاتي المتراكم لإبطاء انخفاض التردد. ^{[ 3 ]}

يمكن قياس القصور الذاتي بوحدات حاصل ضرب القدرة في الزمن (مثلاً، جيجاوات ثانية)، ^{[ 4 ]} ولكنه غالبًا ما يُقاس بالنسبة إلى "حجم" (القدرة الكهربائية الاسمية) المولد، وبالتالي يمكن وصفه بوحدات الزمن (ما يسمى بـثابت القصور الذاتي للمولد ^{[ 5 ]} . قد تخزن المولدات الأسرع دورانًاطاقة حركية(تتناسب مع مربع التردد الدوراني)، ولكنها عادةً ما تكون أخف وزنًا، وبالتالي تتباطأ بشكل أسرع، مما يؤدي إلى حقن طاقة أكبر في وقت مبكر من الاستجابة ("التحميل الأمامي") مقارنةً بالآلات الأبطأ والأثقل وزنًا؛ وهذا ليس بالضرورة أفضل بسبب التفاعل بين أجزاء الشبكة الذي يمكن أن يسبب "الارتداد" وعدم الاستقرار. ^{[ 6 ]} تتراوح قيم ثابت القصور الذاتي لمحطات الطاقة النموذجية من ثانيتين (الطاقة الكهرومائية) إلى 7 ثوانٍ (التوربينات الغازية). ^{[ 5 ]} بما أن السرعة الدورانية، وبالتاليالطاقة الحركيةللمولد التزامني، لا تعتمد على مستوى طاقته الحالي، فإن قصور الشبكة الكلية (قصور النظام الكلي،TSI) يرتبط بثوابت القصور الذاتي للمولدات العاملة؛ ^{[ 7 ]} في أوقات انخفاض الطلب على الطاقة (مثلاً، في الليل) قد يكون هناك عدد أقل من المولدات العاملة، وبالتاليقد يكون التعامل معحالة طوارئ ^{مماثلة أكثر صعوبة. [ 8 ]}

قد يمتلك الحمل الكهربائي خاصية تشبه القصور الذاتي. على سبيل المثال، تستهلك المحركات الكهربائية الصناعية النموذجية طاقة أقل عند الترددات المنخفضة، مما يضيف مقدارًا ضئيلاً ولكنه ملحوظ من القصور الذاتي إلى النظام، ^{[ 9 ]} ويتضاءل هذا التأثير بسبب التحول إلى أنظمة تحكم حديثة وفعالة متغيرة السرعة ذات استجابة أقل بكثير تشبه القصور الذاتي.

يؤدي فصل الأحمال في نظام ULFS إلى خفض الطلب على الطاقة، مما يبطئ انخفاض التردد، وهو ما يعادل زيادة مقدار القصور الذاتي. ^{[ 10 ]}

حتى القرن الحادي والعشرين، كان يُعتقد أن القصور الذاتي التقليدي، بالإضافة إلى استجابة التردد الأساسية، كافٍ لتحقيق مستوى الموثوقية المستهدف لشبكة الكهرباء الأمريكية. ^{[ 11 ]} وقد أدى الانتشار الواسع للطاقة المتجددة المتغيرة إلى ظهور تحديات جديدة: ^{[ 12 ]}

• تميل الرياح إلى أن تكون أقوى في الليل، لذا فإن آثار انخفاض الطلب - وبالتالي انخفاض عدد المولدات المتزامنة المتصلة بالإنترنت - تتفاقم؛
• عادةً ما لا يمتلك مولد الطاقة المتجددة المتغيرة كتلة دوارة (كما في الطاقة الشمسية)، أو أن تصميمه لا يربطه كهروميكانيكياً ببقية الشبكة. ويرتبط مولد الطاقة المتجددة المتغيرة النموذجي بالشبكة عبر عاكس ( لذا تُسمى هذه المولدات عادةً بموارد الطاقة المعتمدة على العاكس )، وبالتالي لا يمكنه المساهمة بالقصور الذاتي في النظام بنفس طريقة المولد التزامني.

وبالتالي، يتم تطبيق البدائل للجمود التقليدي، وبحلول عشرينيات القرن الحادي والعشرين، تصدرت تكساس ( ERCOT ) المشهد في الولايات المتحدة بفضل ارتفاع نسبة استخدام طاقة الرياح فيها (تقريبًا ضعف نسبة شبكة الربط الغربية ، WI) وصغر حجمها نسبيًا مما جعل حالات الطوارئ فيها أكبر من حيث النسبة المئوية (يمكن أن يؤدي عطل واحد إلى فقدان طاقة تعادل 6.4% من متوسط ​​الحمل مقارنة بـ 2.6% لشبكة الربط الغربية و1.3% لشبكة الربط الشرقية ). ^{[ 13 ]}

يمكن فصل الحمل بسرعة فائقة (نصف ثانية، بما في ذلك قياس التردد). ^{[ 18 ]} كما يمكن زيادة قدرة موارد العاكس (IBR) بسرعة كبيرة (25% في الثانية لطاقة الرياح، و100% في الثانية للخلايا الكهروضوئية) إذا لم تكن تعمل بكامل طاقتها المتاحة. ^{[ 20 ]} ويمكن استخلاص كمية محدودة من الطاقة الحركية من توربينات الرياح، مما يوفر 10% إضافية من طاقتها لمدة نصف ثانية تقريبًا (بعد تأخير نصف ثانية). ^{[ 21 ]} علاوة على ذلك، تتزامن الأوقات التي تتوفر فيها سعة فائضة كبيرة من موارد العاكس مع الأوقات التي يكون فيها القصور الذاتي التقليدي في أدنى مستوياته نتيجة لتوقف العديد من المولدات المتزامنة عن العمل. تتيح هذه الفوائد للتكنولوجيا الجديدة تنفيذ استجابة التردد السريعة (FFR) - التحكم في التردد باستخدام إرسال IBRs وفصل الأحمال لتحقيق أوقات رد فعل تشبه القصور الذاتي، ومن هنا جاء الاسم البديل لـ FFR، وهو القصور الذاتي الاصطناعي ^{[ 20 ]} (يقترح إريكسون وآخرون استخدام مصطلح "القصور الذاتي الاصطناعي" للوحدات التي تتفاعل بشكل متناسب مع معدل تغير التردد ، وحصر FFR للوحدات التي تتفاعل مع آثار القصور الذاتي غير الكافي، مثل انحراف التردد ^{[ 22 ]} ).

عندما يكون تردد الشبكة مرتفعًا جدًا أو منخفضًا جدًا، يتم خفض أو رفع تدفق الطاقة الفعالة عبر وصلة التيار المستمر عالية الجهد . وبدورها، تعمل طاقة الرياح على زيادة أو تقليل زوايا شفرات التوربينات لتقليل أو زيادة طاقة الرياح الملتقطة من خلال التحكم في زاوية ميل الشفرات. ^{[ 23 ]}

يمكن لبطاريات الشبكة الكهربائية أيضاً المشاركة في نظام FFR بمعدل زيادة يبلغ 100% في الثانية. ^{[ 24 ]}

• مؤسسة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (11 مايو 2021). موازنة الطاقة والتحكم في التردد (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 17 يناير 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 أكتوبر 2022 .
• دينهولم، بول؛ ماي، تريو؛ كينيون، ريك والاس؛ كروبوسكي، بن؛ أومالي، مارك (2020). القصور الذاتي وشبكة الطاقة: دليل بدون تضليل (ملف PDF) . المختبر الوطني للطاقة المتجددة .
• إريكسون، روبرت؛ موديج، نيكلاس؛ إلكينجتون، كاثرين (14 نوفمبر 2017). "القصور الذاتي الاصطناعي مقابل استجابة التردد السريعة: تعريف" . مجلة IET لتوليد الطاقة المتجددة . 12 (5): 507-514 . doi : 10.1049/iet-rpg.2017.0370 . eISSN 1752-1424 . ISSN 1752-1416 . S2CID 117501676 .