محطات التوليد Generation station

محطات التوليد : هي الجزء المسؤول عن إنتاج الطاقة الكهربية في منظومة القوى و يعتبر المولد الكهربي هو العنصر الرئيسي في محطة ، و المولد Generator هو مصدر الطاقة الكهربائية في منظومة القوى حيث يقوم بتحويل الطاقة الحركية الدورانية إلى طاقة كهربية ، و يحصل المولد على الطاقة الحركية الدورانية من محرك أولي Prime mover يحول إحدى صور الطاقة الأولية إلى طاقة حركية ، و المحرك الأولي قد يكون إما توربينيا بخاريا أو توربينيا هيدروليكيا .
إلى جانب المولد و المحرك الأولي تحتوي محطة التوليد على مجموعة الدوائر التالية :-
• دوائر القدرة الرئيسية : و هي التي تقوم بنقل القدرة من المولدات الى محولات رفع الجهد .
• دوائر القدرة المساعدة : و هي التي تقوم بتغذية القدرة إلى جميع المساعدات الموجودة بالمحطة .
• دوائر التحكم في القواطع و جميع الأجهزة التي يتم تشغيلها من غرفة التحكم بالمحطة .
• دوائر الإنارة لإضاءة المحطة و لإمداد القدرة لأجهزة الخدمة و الصيانة المتنقلة .
• دوائر تغذية أقطاب المولدات : و هي الدوائر التي يتم تركيبها بحيث تتوافر لها درجات عالية من الحماية الكهربائية و الحماية ضد الأخطار الطبيعية و ذلك لأنه بدون توافر تغذية لملفات أقطاب المولد لا يمكنه إنتاج القدرة الكهربائية .
• دائرة الأجهزة و المرحلات : تقوم بإمداد نظام الحماية بقيم كل من الجهد و التيار و القدرة الفعالة و القدرة غير الفعالة و درجات الحرارة و الضغوط و معدلات السريان ، وذلك لحماية المولدات و التوربينات .
• دوائر الإتصالات داخل المحطة و كذلك الإتصالات بباقي أجزاء المنظومة من محطات أخرى و مراكز تحكم و هذه الدوائر تشمل دوائر الهاتف و اللاسلكي و دوائر الإتصالات بإستخدام مواجات الراديو الدقيقة ( الميكروويف) و كذلك دوائر الإتصالات المحملة على خطوط نقل القدرة ( Transmission-line carrier ) .
ما يحدث في محطة التوليد ليس إنتاجا للطاقة من العدم ، فالطاقة لا تفنى و لا تستحدث من عدم ، و لكن ما يحدث هو تحويل إحدى صور الطاقة الأولية إلى طاقة كهربية و قد يستلزم الأمر تحويل الطاقة إلى عدة صور قبل الوصل إلى الصورة الكهربية .
و يمكن تصنيف محطات التوليد إلى نوعين : محطات تقليدية ، و محطات متجددة
 من أشهر المحطات التقليدية :-
• محطات التوليد البخارية Thermal power station
• المحطات الغازية و الدورة المركبة Gas Turbine & Combined Cycle
• محطات توليد الديزل Diesel power stations
• محطات التوليد النووية Nuclear power stations
• محطات التوليد المائية Hydroelectric power stations

اشهر أنواع محطات الطاقة المتجددة :-
• محطات الرياح Wind power stations
• محطات الطاقة الشمسية Solar power stations
• محطات المد و الجزر Tidal power stations
• محطات طاقة باطن الأرض Geothermal power stations
• محطات الطاقة الحيوية Biomass Power stations
• محطات موجات البحر Wave power stations
• تحويل طاقة المحيط الحرارية Ocian Thermal Energy Conversion
• محطات خلايا الوقود Fuel Cells Power Plants

المكونات الرئيسية لمنظومة القوى الكهربية

القوى الكهربائية هي عبارة عن شبكة من الأجهزة الكهربائية مرتبطة مع بعضها كنظام متكامل بهدف توليد ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية . 
المكونات الرئيسية لمنظومة القوى الكهربية :- 
1/ محطات التوليد 
2/ محولات رفع الجهد 
3/ نظام نقل القدرة الكهربائية
4/ محولات خفض الجهد 
5/ شبكات توزيع القدرة الكهربائية

محطات التوليد :- هي التي يتم فيها توليد الطاقة الكهربائية عن طريق تحويل إحدى صور الطاقة الأولية إلى طاقة كهربية . 
و يتم ذلك عند جهود لا تتعدى 25 ك.ف لأسباب تقنية تتعلق بإمكانية عزل الموصلات بصفة أساسية على محرك أولي يقوم بتحويل الطاقة الأولية إلى طاقة حركية و مولد كهربي يقوم بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربية . 
و يمكن تصنيف محطات التوليد إلى نوعين : 
1/ محطات تقليدية . 2/ محطات الطاقة المتجددة

2/ المكون الرئيسي الثاني ، محولات رفع الجهد :- 

و هي المحولات التي تقوم برفع الجهد من مستوى جهد التوليد إلى مستوى جهد النقل ، و توجد هذه المحولات في محطات محولات النقل التي تكون قريبة من محطات التوليد . 

3 / المكون الرئيسي الثالث ، نظام نقل القدرة الكهربائية:- 

هز المسؤول عن نقل القدرة الكهربائية لمسافات طويلة من محطات التوليد ، إلى مراكز للأحمال . 

المكون  الأساسي لنظام نقل القدرة هو خط النقل الكهربي و الذي يكون في الغالب خط نقل هوائي ، إلا إذا دعت الحاجة إلى إستخدام الكابلات الأرضية . و عادة ما يبدأ خط النقل من محطة محولات قريبة من محطة التوليد تقوم برفع الجهد من مستوى جهد التوليد إلى مستوى جهد النقل ، و ينتهي خط النقل خارج المدن و التجمعات السكنية في محطات محولات تقوم بتخفيض الجهد إلى مستوى أقل مناسب للتوزيع داخل المدن ، و يتم نقل القدرة الكهربية على جهود مرتفعة ( 132 ك.ف ، 230ك.ف ، 380ك.ف )

4/ المكون الرابع ، محولات خفض الجهد :- 

هي تقوم بتخفيض الجهد من جهد النقل إلى مستوى جهد التوزيع و التي تتراوح من ( 13.8 ك.ف _ 33ك.ف) 

5/ المكون الخامس ، شبكات توزيع القدرة الكهربائية :-

هي التي تقوم بتوزيع الطاقة الكهربية على المستهلكين ، و تنتهي بمحولات توزيع تخفيض الجهد إلى 220 ف أو 110 ف 

هذا ملخص بإختصار و ليس مجملا لمكونات منظومة القوى الكهربية . 

التردد و علاقته بالتغير في للأحمال ، و طرق التحكم فيه

التردد و علاقته بالتغير في للأحمال:-
التردد هو المؤشر الحقيقي بين طلبية الحمل load demand و الطاقة المزودة power supplied و يدل ثبات الجهد على وجدود اتزان بينهما و إستقرار في الشبكة .
التغير البسيط في التردد شيء طبيعي و مقبول إذا كان في مدى صغير . إذا زاد ذلك المدى الصغير فيمكن التحكم فيه اوتوماتيكيا بواسطة ال Governor
أما إذا مدى التغير أكثر من ذلك فربما نصل إلى مرحلة فصل بعض الأحمال او ما يعرف ب Load shedding
إذا زاد مدى التغير جدا فربما نصل الى إلى مرحلة الفصل التام للمولدات نفسها و هو ما يؤدي إلى حدوث الإظلام التام Blackout
كيف يمكننا أن تتحكم في تغير التردد هذا ؟
يمكننا التحكم في التغير في التردد بإستخدام المنظم Governor .
المنظم Governor :- هو عبارة عن مكون من مكونات اي نظام كهربي متصل بالشبكة الموحدة و دوره أن يحافظ على تردد المولد متساويا مع تردد الشبكة.
المنظم ليس له شكل ثابت و لكنه دائما يظهر في المحطة مع الجزء المسؤل عن إدارة التربية .
في المحطة البخارية يكون المنظم عبارة عن صمامValve للتحكم في كمية البخار .
في المحطة الغازية يكون المنظم عبارة عن بوابات للتحكم في غرف الإحتراق .
في المحطات الهيدروليكية فيمثل المنظم ببوابات التحكم في المياه ، و لكن يتطلب منه قوة كبيرة جدا للتحكم في هذه البوابات .
انواع المنظم Governor :-
1/ النوع الميكانيكي :- اقدم الأنواع و لم يعد مستخدما
2/ النوع الكهربي :- يتم التحكم عن طريق إستخدام السرفوموتور و ذلك لإستجابته العالية و هو المستخدم بكثرة الآن .
3/ النوع الإلكتروني :- يتميز بالدقة العالية و لكنه غير عملي نظرا لأنه يوجد هبوط و صعود للحمل .
طريقة عمل المنظم Governor في المحطات البخارية :-
يقوم بدور المتحكم في السرعة ، عن طريق المقارنة بين اشارتين ، الإشارة الأولى تتناسب مع سرعة المولد ، و الإشارة الثانية تتناسب مع تردد الشبكة الموحدة .
1/ اذا كانت إشارة المولد متساوية تماما مع إشارة الشبكة الموحدة فالمنظم ليس له حاجه
2/ في حالة زيادة تردد المولد عن تردد الشبكة فإن المنظم يقوم بتضييق فتحة صمامات البخار ، لترجع السرعة إلى السرعة التزامنية ، و بالتالي يتساوى التردد مع تردد الشبكة .
3/ في حالة نقصان تردد المولد عن تردد الشبكة ، فإن المنظم يقوم بتوسيع فتحات صمامات البخار لترجع السرعة لطبيعتها و تتساوى مع تردد الشبكة .

لماذا نستخدم نظام ال50 أو 60 هيرتز ، بدلا من ترددات اعلى قيمة ...؟

اولا يجب علينا معرفة التردد :-
 التردد هو عبارة عن عدد الدورات أو اللفات في الثانية الواحدة
50هيرتز بتعني ان المولد يحتاج ل 50 دورة في الثانية ليولد موجة ، أما 60 هيرتز فالمولد يحتاج ل 60 دورة في الثانية ليولد موجة .
هنالك بعض الأسباب التي أدت إلى إستخدام هذه القيم تحديدا ، و عدم إستخدام ترددات اعلى في أنظمة القوى الكهربية .
و يمكن فهم هذه الأساب بالنظر إلى المعادلة التالية :-
60\(f=(Ns*P حيث Ns سرعة عمود الدوران ، P عدد الأقطاب . اذا اردنا رفع التردد الى 250 هيرتز مثلا فلدينا طريقان لتحقيق ذلك ، اما بزيادة السرعة أو بزيادة عدد الأقطاب ، لتناسب التردد طرديا معهما
١/ اذا افترضنا زيادة سرعة عمود الدوران Ns ، هذا يعني اننا سنحتاج لطاقة أكبر لزيادة السرعة لنفس كمية الكهرباء المتولدة ، كذا سنحتاج لتصميم اقوى لعمود الدوران لتحمل القوة الناتجة من السرعة العالية .
٢/زيادة عدة الأقطاب في المولد ، بزيادته سيزيد حجم المولد بشكل كبير .
هذا يعني أن الطريقان غير مجديان
ناهيك عن تأثير كفاءة النقل بإستخدام ترددات عالية حيث سيؤدي ذلك إلى ازدياد الفقد و إنخفاض الكفاءة و الجهد ، لأن القيم المعاوقات في خطوط النقل ستزيد (قيم المعاوقات تتناسب طرديا مع التردد) و بالتالي سيزيد هبوط الجهد voltage drop =I*Z
و كذلك سيوثر على إزدياد تأثير ظاهرتي :-
Skin effect , Corona

لذلك استقرت معظم الدول على تردد 50 أو 60 هيرتز .
الولايات المتحدة تعمل على تردد 60 هيرتز
اوروبا و دول افريقيا و منها السودان تستخدم تردد 50 هيرتز
و يوجد بعض الدول كاليابان و السعودية بها النظامين

كيف يحدث ال Blackout

من الأخطار التي تهدد الشبكة الكهربائية ما يسمى بالإظلام التام أو الBlackout ، و تمثل حالة فشل الشبكة في الحفاظ على ثبات الجهد و التردد مما يؤدي إلى خروج كل وحدات التوليد من الخدمة و من ثم إنقطاع الكهرباء عن كل الأحمال .
و الشبكة الكهربية كما نعلم مكونة من محطات توليد متصلة ببعضها البعض لتغذي للأحمال الكهربية ، لكن الشيء الغريب فيها أنه لا يوجد عنصر واحد من عناصر الشبكة الكهربية يمكنه أن يخزن الطاقة ، و بالتالي ففترة تخزين الكهرباء هي صفر  ، بمعنى أن الطاقة المولد مستنفذه لحظيا ، مع ملاحظة أن سرعة مرور الكهرباء من المصدر إلى الحمل هي سرعة الضوء ، اي ان كل شيء يتم لحظيا .
و لابد من إستمرار التوازن بين الطلب و التوليد : فهناك طلب من ملايين المستهلكين الذين لديهم أحمال تحتاج إلى قدرة فعالة( p(MW ، و أحمال أخرى تحتاج إلى قدرة غير فعالة( Q (MVAR و في نفس اللحظة مطلوب من محطات التوليد توفير هذه الطلبات لحظيا . إذن فهو نظام شديد التعقيد ، بمجرد أن يختل هذا التوازن تسقط المنظومة كلها و يحدث الإظلام التام .
و لنفترض على سبيل المثال أنه في وقت الزروة ، حيث الشبكة تعمل على أقصى قدرة توليد ممكنة ، ثم لسبب ما حدث عطل في محطة من محطات التوليد فتوقفت و خرجت من الخدمة فجائيا . فعندما تخرج هذه الوحدة يجب على الوحدات الأخرى أن تعمل و بسرعة على توفير الطاقة اللازمة لتعويض النقص الناشيء عن خروج تلك المحطة ، و لكننا في وقت الذروة كل الوحدات تعمل بأقصى قدرة و لا تستطيع أن تتحمل أي زيادة في الأحمال ، و عندما يبدأ زيادة في تحميل المولدات (over load) فتلجأ نظم حماية هذه الوحدات إلى إخراجها من الشبكة حتى لا يحترق المولد فيزداد الوضع تعقيدا ، و قد تتوالى عمليات الخروج حتى نصل الى الBlackout ، و هذا أحد سيناريوهات حدوث الBlackout .