تصميم المحولات الرافعة للجهد لأنظمة الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات: إدارة تدفّق القدرة ثنائي الاتجاه، والإجهاد الحراري، ونظم الحماية

إن التكامل المتزايد لأنظمة التوليد الكهروضوئي (PV) وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) يُعيد تشكيل طريقة اتصال محطات الطاقة المتجددة بشبكات التوزيع الكهربائية.

وعلى عكس المنشآت الشمسية التقليدية التي تُركِّز أساسًا على تصدير الكهرباء المُولَّدة، فإن المنشآت الهجينة المدمجة بين الأنظمة الكهروضوئية ونظم تخزين الطاقة بالبطاريات يمكنها التشغيل بعدة أوضاع: تصدير الطاقة الشمسية، وشحن البطاريات من الشبكة أو من التوليد الشمسي، وتفريغ الطاقة المخزَّنة، وتوفير خدمات دعم للشبكة.

وتؤدي هذه الظروف التشغيلية المتغيرة إلى ظهور متطلبات هندسية جديدة تخص المحطة الفرعية لرفع الجهد الكهروضوئي ومحولاتها المرتبطة.

تم تصميمه بشكل مناسب محول تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه يجب أن تتكيف مع ملفات الأحمال المتغيرة، وأن تحافظ على أداء حراري مقبول، وأن تتحمل الاضطرابات الكهربائية المحددة، وأن تعمل ضمن نظام حماية منسق.

وبالتالي، يُعَدُّ اختيار المحول عاملًا بالغ الأهمية في ضمان موثوقية المشروع وإدارته من حيث التكلفة طوال دورة حياته بالنسبة لمتعهدي المشاريع الشمسية (EPC)، ومُدمِّجي أنظمة تخزين الطاقة (BESS)، ومهندسي المرافق، ومصمِّمي أنظمة الطاقة الصناعية.

ويتناول هذا الدليل التحديات الكهربائية والحرارية وتحديات الحماية الناجمة عن دمج أنظمة الطاقة الشمسية (PV) وأنظمة تخزين الطاقة (BESS)، ويوضّح كيفية تحديد مواصفات محول رفع الجهد المناسب للمشاريع الحديثة المختلطة للطاقة المتجددة.

١. فهم أنظمة الطاقة الهجينة الشمسية-مع-تخزين الطاقة

١.١ كيف يغيّر الجمع بين الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة توزيع الكهرباء

في محطة كهروضوئية تقليدية متصلة بالشبكة، تقوم المحولات العكسية بتحويل التيار المستمر الناتج عن الوحدات الكهروضوئية إلى تيار متناوب.

ويرفع محول الرفع جهد خرج المحول العكسي إلى مستوى الجهد المتوسط المطلوب لتوزيع الطاقة، مثل ١٠ كيلوفولت أو ٢٠ كيلوفولت أو ٣٥ كيلوفولت.

يتدفق التيار الكهربائي عادةً من معدات توليد الطاقة الشمسية نحو شبكة التجميع أو الشبكة العامة، رغم أن الأحمال المساعدة وبعض ظروف التشغيل قد تؤدي إلى تدفق عكسي محدود.

عند إدخال نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، يصبح الهيكل الكهربائي أكثر تعقيدًا.

يمكن لتثبيت هجين يجمع بين الألواح الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات أن يعمل في عدة أوضاع:

وضع التشغيل	تدفق الطاقة	مراعاة المحول
الطاقة الشمسية	عاكس الألواح الشمسية → المحول → الشبكة العامة	تحميل التوليد المستمر
شحن البطارية من الشبكة العامة	الشبكة العامة → المحول → وحدة تحكم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS PCS)	تدفق القدرة الفعالة العكسي
تفريغ البطارية	نظام تخزين البطاريات (BESS) ووحدة تحويل الطاقة (PCS) → المحول → الشبكة الكهربائية	الحمل المُصدَّر والأداء الحراري
الطاقة المُصدَّرة من الألواح الشمسية وأنظمة تخزين البطاريات (BESS)	الألواح الشمسية (PV) وأنظمة تخزين البطاريات (BESS) → المحول → الشبكة الكهربائية	أقصى إنتاج مركب
دعامة شبكة	تبادل القدرة الفعّالة والقدرة التفاعلية في الاتجاهين	تنظيم الجهد وتنسق أجهزة الحماية
وضع الاستعداد	أدنى انتقال للقدرة الفعّالة	الفقدان عند حالة عدم التحميل والطلب على الطاقة المساعدة

في الأنظمة المتصلة بالتيار المتناوب (AC-coupled)، قد تتصل محولات الألواح الشمسية ووحدات تحويل طاقة البطاريات (PCS) بشبكة تجميع مشتركة للتيار المتناوب.

يمكن استخدام محول مخصص لنظام تخزين الطاقة الكهربائية (BESS)، أو محول رفع جهد مشترك، أو تشكيلات متعددة للمحولات، وفقًا لقدرة النظام والهندسة الكهربائية.

١٫٢ لماذا يكتسب تدفق القدرة ثنائي الاتجاه أهميةً بالغة

بشكل عام، يستطيع المحول التقليدي نقل التيار المتناوب في أيٍّ من الاتجاهين، شريطة احترام حدود الجهد والتيار والعزل والحرارة وحماية المحول.

لذلك، لا يتطلب تدفق القدرة ثنائي الاتجاه، من تلقاء ذاته، تصميمًا مغناطيسيًّا مختلفًا تمامًا للمحول. .

تنشأ التحديات الهندسية من ظروف التشغيل المرتبطة بأنظمة الطاقة الشمسية والتخزين الهجينة.

وقد تشمل هذه التقنيات:

• التغيرات المتكررة بين وضع الشحن ووضع التفريغ.

• الأحمال المتغيرة على مدار اليوم.

• التيارات التوافقيّة الناتجة عن المحولات العكسية.

• تبادل القدرة الاستيعابية.

• احتمال حقن تيار تيار مستمر.

• مساهمات مختلفة في تيار العطل في أوضاع التشغيل المختلفة.

• التغيرات في الجهد عبر شبكة التجميع.

• فترات طويلة من التشغيل في وضع الاستعداد المشحون.

يجب تقييم محول رفع الجهد الكهروضوئي وفقًا لهذه الظروف التشغيلية الفعلية، وليس اتجاه تدفق القدرة وحده.

٢. إجهادات الحرارة وتحديات التحميل في محولات رفع الجهد لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات

٢.١ التغيرات الحرارية أثناء الشحن والتفريغ

تُعد الأداء الحراري اعتبارًا رئيسيًّا عند اختيار محول رفع الجهد لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات .

يعتمد درجة حرارة لفات المحول والسائل العازل بشكل أساسي على الخسائر الكهربائية وظروف التبريد ودرجة حرارة الجو المحيط وتاريخ التحميل السابق.

قد تتعرض منشأة تخزين البطاريات لعدة فترات شحن وتفريغ خلال يوم واحد.

على سبيل المثال، قد تشحن منظومة البطاريات أثناء ارتفاع إنتاج الطاقة الشمسية، وتفرّغ خلال ذروة الاستهلاك المسائية، وتوفر خدمات إضافية للشبكة خلال الفترات المتوسطة.

ورغم أن عكس اتجاه تدفق القدرة لا يؤدي بحد ذاته إلى زيادة في التسخين عند نفس قيمة التيار الجذري التربيعي (RMS)، فإن التغيرات المتكررة في مقدار التيار قد تُحدث دورات متكررة من التسخين والتبريد.

ويمكن أن تؤثر هذه الدورات في ما يلي:

• درجة حرارة النقطة الساخنة في الملفات.

• معدل تقدم الشيخوخة في العزل.

• التمدد والانكماش الحراريين.

• الأحمال الميكانيكية المؤثرة في هياكل دعم الملفات.

• الحالة طويلة الأمد للزيت والعزل.

وتتوقف التغيرات الناتجة في درجة الحرارة على مدة الحمل والثوابت الزمنية الحرارية للمحول.

وبالتالي، يجب أن يراعي تحديد حجم المحول الملف الكامل لظروف التشغيل، وليس فقط القدرة الاسمية لمُحوِّل الطاقة.

٢.٢ تقييم درجة حرارة النقطة الساخنة في المحول

تتأثر عمر عزل المحول تأثراً قوياً بدرجة حرارة النقطة الساخنة في اللفائف.

بالنسبة للمحولات المغمورة بالزيت، يمكن تمثيل درجة حرارة النقطة الساخنة تقريبياً بالعلاقة التالية:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

حيث:

• θH: درجة حرارة النقطة الساخنة في الملفات.

• θA: درجة الحرارة المحيطة.

• δθTO: ارتفاع درجة حرارة زيت القمة فوق درجة الحرارة المحيطة.

• δθH: تدرّج نقطة السخونة القصوى في اللفائف أعلى من درجة حرارة الزيت العلوي.

يختلف ارتفاع درجة الحرارة الفعلي تبعًا للحمل وتصميم نظام التبريد وهندسة المحول وتاريخ التشغيل.

يجب على المهندسين تقييم الحمل باستخدام الإرشادات المعمول بها مثل IEEE C57.91 أو IEC 60076-7، حسب مواصفات المشروع.

في تركيبات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)، يمكن أن يساعد ملف الحمل الزمني التمثيلي في تحديد المخاطر الحرارية التي قد لا تظهر في حساب سعة اللوحة الاسمية البسيط.

٢.٣ حقن تيار تيار مستمر وتشبع النواة

قد تُدخل محولات الإلكترونيات القدرة مكونات تيار مستمر صغيرة في إخراجها التيار المتناوب في ظروف معينة.

قد يؤدي حقن تيار تيار مستمر مفرط إلى إحداث انحياز مغناطيسي في نواة المحول، مما قد ينتج عنه ما يلي:

• زيادة في تيار المغنطة.

• تشبع النواة.

• خسائر تشتت إضافية.

• تسخين محلي.

• زيادة في الضوضاء الصوتية.

• اهتزاز غير طبيعي.

مع ذلك، فإن محوّلات التوصيل بالشبكة المصمَّمة جيدًا ومعدات وحدة تحكم البطاريات (PCS) تتضمَّن وظائف تحكُّم وحماية تهدف إلى الحدِّ من حقن التيار المستمر.

يجب تقييم انحراف التيار المستمر كمتطلبٍ لجودة الطاقة وتوافق المعدات، وليس بافتراض أنه نتيجة لا مفرَّ منها للتشغيل ثنائي الاتجاه.

يجب أن يطلب مصنعو المحولات حدود حقن التيار المستمر المحدَّدة من قِبل مصنِّع وحدة تحكم البطاريات (PCS) عند تقييم التوافق.

٣. التشويه التوافقي و المحولة الفقدان في أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة مع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات

٣.١ لماذا تكتسب محولات الطاقة الإلكترونية أهميةً بالغة

تستخدم محوّلات الألواح الشمسية ومعدات وحدة تحكم البطاريات (PCS) التبديل أشباه الموصلات وخوارزميات التحكُّم لتحويل الطاقة الكهربائية.

قد تُدخل عمليات التحويل هذه مكوّنات تيار توافقي.

وبالاعتماد على بنية المحول، وتكرار التشغيل، واستراتيجية التحكم، والمرشحات، فقد تشمل المكوّنات التوافقيّة ذات الصلة التوافقيات الخامسة والسابعة والحادية عشرة والثالثة عشرة، فضلاً عن المكوّنات ذات التكرار الأعلى.

ويجب الحصول على الطيف التوافقي الفعلي من مصنّع المعدّة أو من دراسة مناسبة لجودة الطاقة.

قد تزداد التيارات التوافقيّة:

• خسائر التيارات الدوامية في اللفّات.

• الخسائر المتناثرة في المكونات البنائية.

• التسخين الإضافي للموصلات.

• الحمل الحراري الكلي للمحوّل.

• الإجهاد الكهربائي المرتبط بالرنين المحتمل في النظام الأوسع.

وبما أن الخسائر الناتجة عن التيارات الدوامية المرتبطة بالتوافقيات تتوقف على التكرار، فإن تقييم قيمة التيار الجذري التربيعي عند التردد الأساسي فقط قد يقلّل من تقدير بعض مساهمات الخسائر.

٣.٢ هل تتطلب محولات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) تصنيفات عامل كي (K-Factor)؟

يُستخدم عامل كي (K-factor) عادةً لوصف قدرة المحول على استيعاب خصائص الأحمال غير الخطية المحددة، وخصوصًا في تطبيقات المحولات الجافة المحددة.

ومع ذلك، فإن اختيار تصنيف عشوائي مثل كي-٤ أو كي-٩ أو كي-١٣ ليس شرطًا عامًّا إلزاميًّا للمحولات السائلة المغمورة المستخدمة في أنظمة الطاقة الشمسية وأنظمة التخزين بالطاقة مع رفع الجهد.

وبالنسبة للمحولات المتوسطة الجهد المملوءة بالسوائل، فإن النهج الهندسي الأنسب هو تقييم طيف التوافقيات المتوقَّعة والخسائر الإضافية الناتجة عنها.

توفر معيارية IEEE C57.110 أساليب ذات صلة بتقييم قدرة المحول تحت ظروف تيار حمل غير جيبي ضمن نطاقها المعرَّف.

تشمل خطوات الهندسة الموصى بها ما يلي:

1. الحصول على بيانات تيار التوافقيات الصادرة عن محولات الانعكاس الضوئية (PV inverter) ووحدات تحويل الطاقة لأنظمة تخزين البطاريات (BESS PCS).

2. تقييم ظروف التشغيل المتوقَّعة في كل من وضع الشحن ووضع التفريغ.

3. حساب الخسائر الإضافية في اللفائف والخسائر التشتتية عند الحاجة.

4. التحقق من ارتفاع درجة حرارة اللفائف وحمولة العزل.

5. تحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى بناء لف خاص أو تبريد إضافي أو تخفيض في التحميل.

يساعد هذا النهج المخصص حسب التطبيق في تجنّب التضخيم غير الضروري للمحوِّل مع حماية الأداء على المدى الطويل.

3.3 تقليل الإجهاد الحراري الناتج عن التوافقيات

وبالاعتماد على خصائص العاكس ومتطلبات المشروع، قد تشمل خيارات هندسة المحوِّل ما يلي:

• تصميم موصل اللف المُحسَّن.

• تبديل مناسب للموصلات أو ترتيب اللف.

• هوامش حرارية إضافية.

• قدرات تبريد محسَّنة.

• تقييم الفقد تحت تحميل توافقي محدَّد.

• ترشيح منسَّق على مستوى العاكس أو النظام.

تُعَدُّ تصفية التوافقيات عمومًا قرار هندسي على مستوى النظام، ويشمل ذلك مورِّد نظام التحكم في الطاقة (PCS)، والمقاول المسؤول عن الهندسة والمشتريات والبناء (EPC)، ومصمِّم الربط بالشبكة الكهربائية.

لا يمكن لتصميم المحول وحده أن يحلَّ جميع مشكلات التوافقيات داخل محطة طاقة هجينة.

٤. تنظيم الجهد واختيار جهاز التحكم في عدد اللفات للتدفق ثنائي الاتجاه للطاقة

٤.١ ارتفاع الجهد وانخفاضه في الأنظمة الهجينة

يعتمد جهد طرفي المحول على اتجاه وكمية القدرة الفعالة والقدرة التفاعلية، ومقاومة المحول، وخصائص الشبكة المتصلة به.

أثناء توليد الطاقة من الألواح الشمسية أو عند تفريغ بطاريات تخزين الطاقة (BESS)، قد تسهم الطاقة المصدرة في ارتفاع الجهد عند نقاط اتصال معينة.

أثناء شحن البطاريات من الشبكة، قد تسهم الطاقة المستوردة في انخفاض الجهد.

ومع ذلك، فإن الاستجابة الفعلية للجهد تعتمد أيضًا على التحكم في القدرة التفاعلية، ومقاومة النظام، وتنظيم الجهد في الأجزاء العلوية من الشبكة، وظروف تشغيل الشبكة.

لذلك يجب تنسيق تنظيم الجهد في تركيبات الألواح الشمسية الكهروضوئية المدمجة مع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات عبر العاكس والمحول ونظام الاتصال بالشبكة.

٤٫٢ مُغيِّرات التوصيل خارج الدائرة مقابل مُغيِّرات التوصيل تحت الحمل

يُستخدَم نوعان شائعان من ترتيبات تغيير التوصيلات في المحولات الكهربائية.

مُغيِّر التوصيل عند انقطاع التغذية (DETC)

يسمح مُغيِّر التوصيل عند انقطاع التغذية بتعديل نسبة اللفات في المحول فقط عندما يكون المحول معطَّلاً بأمان وفقاً لتعليمات الصانع.

المزايا تشمل:

• بناءٌ بسيط نسبياً.

• تكلفة ابتدائية أقل.

• انخفاض التعقيد الميكانيكي.

• مناسب في الحالات التي يمكن فيها إدارة تقلبات الجهد التشغيلية بواسطة معدات أخرى.

مُغيِّر تابِع للجهد تحت التحميل (OLTC)

يسمح مُغيِّر التوصيل تحت الحمل (OLTC) بإجراء تعديلات على التوصيلات بينما يظل المحول مشغَّلاً ويحمل حملاً، رهناً بقيود التصميم والتشغيل الخاصة به.

قد تكون أنظمة التحكم في نسبة التحويل تحت الحمل مناسبةً في الحالات التي تتطلب فيها ظروف جهد الشبكة ضبطًا نشطًا لنسبة التحويل في المحول.

ومع ذلك، لا يُشترط استخدام محول تحكم تحت الحمل تلقائيًّا لمجرد أن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) يُشحن ويُفَرِّغ بشكل متكرر.

يمكن للموارد الحديثة القائمة على المحولات العكسية أن توفر التحكم في الجهد والطاقة الرACTIVE ضمن قدراتها ومتطلبات شفرة الشبكة.

كما قد تؤدي عمليات التحكم في التوصيلات (التي تُعرف بـ tap operations) المتكررة إلى زيادة متطلبات الصيانة.

التوصية الهندسية: يجب تقييم قدرات المحولات العكسية في التحكم بالجهد والطاقة الرACTIVE، وتنظيم شبكة الجهد المتوسط، ومتطلبات الربط بالشبكة الكهربائية، والتردد المتوقع لعمليات التحكم في التوصيلات قبل تحديد معدات محول التحكم تحت الحمل.

٥. اختيار هيكل محطة التحويل الصاعدة للطاقة الشمسية المناسبة

٥.١ محطات التحويل الصاعدة المدمجة للطاقة الشمسية ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات

ا المحطة الفرعية لرفع الجهد الكهروضوئي تجمع بين المعدات الكهربائية اللازمة لتوصيل معدات الطاقة المتجددة ذات الجهد المنخفض بشبكة التجميع ذات الجهد المتوسط.

وقد تتضمَّن محطة التحويل المدمجة، حسب تصميمها:

• محول توزيع صاعد الجهد.

• معدات التوزيع متوسطة الجهد أو وحدة التوزيع الحلقيّة.

• معدات التوزيع المنخفضة الجهد عند نقطة الدخول.

• أجهزة الحماية والتحكم.

• أجهزة القياس.

• حماية من التيار الزائد المفاجئ.

• الأنظمة الكهربائية المساعدة.

• واجهات المراقبة والاتصال.

يمكن أن تقلل الحلول المتكاملة من عدد المكونات المُركَّبة في الموقع بشكل منفصل، وتُبسِّط ترتيب المعدات.

ومن الفوائد المحتملة للمشروع: تقليل مساحة الموقع، ووجود اتصالات مدمجة مسبقاً في المصنع، وتحسين تنسيق المعدات، وتيسير تخطيط التركيب.

ومع ذلك، فإن جدول التركيب النهائي يعتمد على الأعمال المدنية، وموافقة المرافق، واختبار الموقع، والبرنامج الإنشائي العام.

٥٫٢ محطة فرعية متكاملة مقابل ترتيب معدات وحدوي

عامل الاختيار	محطة رفع متكاملة	ترتيب وحدات المعدات بشكل وحدات
تخطيط المعدات	حزمة مُدمجة في المصنع	وحدات محولات ومعدات التبديل المنفصلة
مساحة الموقع	قد تكون مدمجة	يعتمد على المسافات بين المعدات
التكامل مع المصنع	درجة أعلى من التجميع المسبق	قد يتطلب تنسيقًا أكبر في الموقع
وصول للصيانة	يجب دمجها في تصميم الغلاف	يمكن أن يوفّر فصلًا أكبر بين المعدات
التوسع المستقبلي	يعتمد على تصميم الحزمة	غالبًا ما يوفّر مرونةً أكبر في التخطيط
التطبيق النموذجي	وحدات الطاقة الشمسية/أنظمة تخزين البطاريات (BESS) والمواقع المدمجة	المحطات الفرعية الكبيرة أو المعقدة

في محطات التوليد الهجينة على نطاق المرافق، يجب اختيار هندسة المعدات استنادًا إلى قابلية الصيانة ومتطلبات التوسّع والتباعد الكهربائي والسلامة والتكلفة الإجمالية للتثبيت.

٥.٣ تصميم المحول ذي اللفّة المنخفضة الجهد المزدوجة

تستخدم بعض محطات الطاقة الشمسية مع أنظمة تخزين البطاريات (PV-BESS) محولات ذات لفّات منخفضة الجهد منفصلة لمُحوّل الطاقة الشمسية (inverter) وللوحدة المتحكمّة في نظام البطاريات (PCS).

يمكّن هذا الترتيب من توفير واجهات كهربائية منفصلة لكلا نظامَي التحويل مع مشاركة اتصال مشترك متوسط الجهد.

تشمل المزايا المحتملة:

• ترتيبات اتصال منخفض الجهد مستقلة.

• مرونة أكبر في اختيار جهد اللف.

• انخفاض الحاجة إلى معدات تجميع التيار المتناوب الخارجية المحددة.

• تصميم مقاومة وتأريض خاص بالتطبيق.

ومع ذلك، فإن اللفات المنفصلة لا توفر عزلًا كهربائيًّا تامًّا بين الأنظمة المتصلة في جميع ظروف التشغيل.

ويجب تقييم تيارات العطل، والاقتران بين اللفات، والاندفاعات الجهدية، وتنسق الحماية باستخدام الدائرة المكافئة للمحول متعدد اللفات.

وبالتالي، يجب تحديد تصميم الطرف الثانوي المزدوج استنادًا إلى مواصفات القدرة المطلوبة، وأجهدة اللف، والمجموعة المتجهة، والمقاومات، وخصائص القصر الكهربائي.

6. المحولة حماية التشغيل ثنائي الاتجاه لمنظومة الألواح الشمسية-البطاريات.

٦.١ حماية زائدة التيار ذات الاتجاه.

قد تستند حماية التوزيع التقليدية إلى افتراض أن تيار العطل يتدفق أساسًا من مصدر المرافق نحو الأحمال المتصلة.

يمكن أن تُدخل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المدمجة مع أنظمة تخزين الطاقة البطارية مسارات مختلفة لمساهمة تيار العطل، وذلك حسب وضع التشغيل وضوابط العاكس وتكوين الشبكة.

قد تكون وظائف الحماية من التيار الزائد الاتجاهية مثل المواصفات القياسية الأمريكية ANSI 67 و67N مناسبة في الحالات التي يجب فيها التمييز بين اتجاه عطل التيار.

قد تشمل وظائف الحماية الأخرى ما يلي:

وظيفة ANSI	وظيفة الحماية	الاعتبارات التطبيقية
50/51	التيار الزائد اللحظي/الزمني	حماية العطل في الطور
50N/51N	التيار الزائد للأرض	كشف العطل الأرضي
67/67N	التيار الزائد الاتجاهي	تمييز العطل عند وجود مصادر متعددة
87T	التمايز في المحول	كشف أعطال المحول الداخلية
49	الحماية الحرارية	رصد الحمل الحراري الزائد
27/59	انخفاض/ارتفاع الجهد	حالات جهد غير طبيعية
81U/81O	انخفاض/ارتفاع التردد	اضطرابات تردد الشبكة

يعتمد اختيار الحماية على حجم المحول، وطريقة توصيله بالأرض، ومتطلبات شفرة الشبكة، وبُنية المنشأة.

لا ينبغي تحديد حماية اتجاهية فقط بسبب إمكانية انعكاس القدرة الفعالة؛ بل يجب تأكيد ضرورتها من خلال دراسة تنسيق أنظمة الحماية.

٦.٢ حماية من التيار الزائد والتناسق العازل

قد تتعرض أنظمة الطاقة الشمسية ووحدات تخزين البطاريات لذروات كهربائية ناتجة عن الصواعق، وانقطاعات تشغيلية، واضطرابات جهد.

يجب تنسيق أنظمة عزل المحولات مع البيئة الكهربائية المتوقعة.

تشمل المعايير المهمة ما يلي:

• أعلى جهد مخصص للمعدات.

• مستوى تحمل ذروة الصواعق.

• تحمل العزل عند تردد التيار الكهربائي.

• مواصفات مقاومات الذروة.

• ترتيبات التأريض.

• خصائص عزل الكابلات.

• الظروف الناتجة عن الانقطاعات التشغيلية.

يمكن دمج مقاومات التيار الزائد المصنوعة من أكاسيد المعادن وفقًا لمتطلبات تنسيق عزل النظام.

يجب أن يراعى عند اختيارها نظام التأريض، وأقصى جهد تشغيل مستمر، وظروف ارتفاع الجهد المؤقت، والبيئة المتوقعة للتيارات الزائدة.

٦٫٣ رصد المحولات ودمجها مع أنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات

غالبًا ما تتضمّن محطات الطاقة الشمسية المزودة بأنظمة تخزين طاقة البطاريات (PV-BESS) الكبيرة أنظمة مركزية للتحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA).

وبالاعتماد على تصميم المحول ومتطلبات المشروع، قد يشمل الرصد ما يلي:

• درجة حرارة الزيت العلوي.

• مؤشر أو تقدير لدرجة حرارة اللفائف.

• مستوى السائل.

• حالة جهاز تخفيف الضغط.

• حماية تراكم الغاز عند تطبيقها.

• حالة نظام التبريد.

• جهات اتصال الإنذار والانقطاع.

تُستخدم مرحلات بوخهولز عادةً مع محولات الغمر السائل من النوع المزود بخزان توسيع مناسب، وليس مع كل محولات التوزيع المغلقة.

يمكن ربط بيانات المراقبة بأنظمة التحكم الإشرافية أو أنظمة إدارة الطاقة على مستوى المحطة عبر واجهة تحكم مناسبة.

يمكن أن تدعم هذه التكاملات مراقبة الحالة وتخطيط الصيانة وتحسين الرؤية التشغيلية.

٧. معايير الآي-إي-إي-إي والآي-إي-سي لـ محولات رفع الجهد الخاصة بالأنظمة الكهروضوئية ووحدات تخزين الطاقة

يجب أن تستوفي مشاريع الطاقة المتجددة الدولية معايير المحولات المعمول بها ومتطلبات الربط بشبكة الكهرباء المحلية.

توفر المعايير التالية مراجع فنية ذات صلة.

قياسي	نطاق	الأهمية بالنسبة لمشاريع الأنظمة الكهروضوئية ووحدات تخزين الطاقة
آي-تريبل-اي سي ٥٧.١٥٩	دليل المحولات في أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية الموزَّعة	إرشادات تطبيق محولات العاكسات الكهروضوئية
IEEE C57.12.00	الشروط العامة للمحولات المغمورة بالسوائل	بناء المحولات وأداؤها
IEEE C57.110	قدرة المحولات تحت التيارات غير الجيبية للحمل	تقييم الخسائر التوافقيّة والتحميل
IEEE C57.91	تحميل المحولات المغمورة بزيت المعادن	الأداء الحراري وشيخوخة العزل
IEC 60076-1	الشروط العامة للمحولات الكهربائية	التقييمات والمواصفات العامة
IEC 60076-2	ارتفاع درجة الحرارة في المحولات المغمورة بالسوائل	الاختبارات الحرارية والحدود المسموحة
IEC 60076-5	القدرة على تحمل الدوائر القصيرة	متطلبات تحمل الدوائر القصيرة
آي إي سي ٦٠٠٧٦-٧	دليل تحميل المحولات المغمورة بزيت المعادن	تقييم دورة التحميل
آي إي سي ٦٠٠٧٦-١٦	المحولات المستخدمة في تطبيقات توربينات الرياح	تنطبق بشكل رئيسي على المحولات الصاعدة لتوربينات الرياح
IEEE 1547	ربط موارد الطاقة الموزَّعة بالشبكة	متطلبات واجهة موارد الطاقة الموزَّعة مع الشبكة ضمن نطاق هذا المعيار

يُوجَّه معيار آي إي سي/آي-تريبل-إي ٦٠٠٧٦-١٦ خصوصًا لتطبيقات محولات رفع الجهد المستخدمة في توربينات الرياح. ولا ينبغي اعتباره معيارًا مخصصًا لمحولات أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة مع أنظمة تخزين الطاقة.

وبالمثل، يقدِّم معيار آي-تريبل-إي سي ٥٧.١٥٩ إرشاداتٍ لتطبيقات محولات الألواح الكهروضوئية الموزَّعة، لكنه لا يحل محل المعايير العامة الخاصة بتصميم المحولات واختبارها وربطها بالشبكة.

أما في التثبيتات الهجينة، فيجب على المهندسين تحديد المتطلبات الواجب تطبيقها بشكل منفصل، والتحقق من مدى ارتباط أحكام معينة بالتكوين المختار للمحول.

٨. اختيار سوائل العزل لمحولات الأنظمة الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة

ويؤثر اختيار سائل العزل في الأداء العازل، ونقل الحرارة، وحماية المنشأة من الحرائق، والاعتبارات البيئية.

٨.١ محولات الزيت المعدني

ويظل الزيت المعدني وسطًا شائع الاستخدام للعزل والتبريد في المحولات المغمورة بالسوائل.

ومن مزاياها ممارسات التصنيع الراسخة، والتوافر الواسع، والخبرة التشغيلية المُثبتة، والتكلفة الأولية التنافسية عمومًا.

٨.٢ سوائل العزل الإسترية الطبيعية

ويُنظر إلى سوائل العزل الإسترية الطبيعية بشكل متزايد في المنشآت التي تكون فيها سلامة الحماية من الحرائق والأداء البيئي عاملين مهمين.

وبالمقارنة مع زيت العزل المعدني التقليدي، فإن السوائل الإسترية الطبيعية المناسبة تقدّم عمومًا ما يلي:

• نقاط اشتعال أعلى.

• خصائص قابلية التحلل الحيوي المواتية.

• خصائص مختلفة في إدارة الرطوبة.

• فوائد محتملة في تطبيقات محددة حساسة للحريق.

وتتجاوز نقاط اشتعال بعض السوائل الإسترية الطبيعية التجارية ٣٠٠°م.

ومع ذلك، يجب أن تكون السائل المختار متوافقًا مع نظام عزل المحول، وأختامه، وترتيب التبريد، وإجراءات الصيانة.

يجب أن يراعي اختيار السائل أيضًا لوائح حماية المنشآت من الحرائق المعمول بها، ومتطلبات احتوائه، والمواصفات البيئية الخاصة بالمشروع.

لا ينبغي اختيار سائل الإستر الطبيعي أو الزيت المعدني استنادًا إلى خاصية أداء واحدة فقط.

٩. تحديد حجم المحول العملي لمشروع هجين للطاقة الشمسية الكهروضوئية ونظم تخزين الطاقة.

خذ مثالاً توضيحيًّا على تركيب هجين ذي المعطيات التصميمية التالية:

• سعة محول الانعكاس الشمسي: ٣ ميغاواط.

• سعة تفريغ وحدة التحكم في نظام تخزين الطاقة: ٢ ميغاواط.

• سعة شحن وحدة التحكم في نظام تخزين الطاقة: ٢ ميغاواط.

• نظام جمع الجهد المتوسط: ٣٥ كيلوفولت.

• ترتيب تجميع تيار متناوب مشترك.

إذا سمح نظام التحكم بتصدير كلٍّ من النظام الشمسي ونظام تخزين الطاقة لأقصى قدر ممكن من القدرة الفعالة في آنٍ واحد، فقد تصل القدرة الناتجة المجمعة إلى:

٣ ميغاواط + ٢ ميغاواط = ٥ ميغاواط

وبافتراض معامل القدرة ٠,٩٥، فإن متطلّب القدرة الظاهرية التقريبي يكون:

س = ص ÷ معامل القدرة

س = ٥٠٠٠ كيلوواط ÷ ٠,٩٥ = ٥٢٦٣ كيلوفولت-أمبير

وبالتالي، يمكن لتقييم هندسي أولي أن يأخذ في الاعتبار تصنيفات المحولات الأعلى من هذه القدرة الظاهرية المحسوبة، رهناً بالواجب التشغيلي المطلوب وظروف التبريد والمعايير السارية.

ومع ذلك، يجب أن يشمل الاختيار الفعلي عوامل إضافية.

فعلى سبيل المثال، إذا حدد وحدة تحكّم المصنع الحد الأقصى للتصدير الكلي بـ ٤ ميغاواط، فقد تختلف متطلبات تحميل المحول المقابلة.

وبالمثل، قد تؤدي شحن البطاريات إلى سيناريوهات إضافية لتدفّق القدرة، وذلك اعتماداً على ما إذا كانت الطاقة تُزوَّد من توليد الطاقة الشمسية أو الشبكة أو كليهما.

ويجب تحديد التصنيف النهائي للمحول استناداً إلى مصفوفة تشغيل كاملة تتضمّن:

1. أقصى تصدير متزامن للطاقة الكهروضوئية (PV) ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS).

2. أقصى استيراد مسموح به من الشبكة.

3. حدود تشغيل القدرة التفاعلية.

4. الحمل التوافقي.

5. الأحمال المساعدة للمحول.

6. درجة الحرارة المحيطة.

7. التوسيع المستقبلي للسعة.

8. ظروف التشغيل الزائدة المسموحة.

في حالة المحولات متعددة اللفات، يجب أيضًا تقييم كل لفة على حدة وفقًا لتصنيفها الفردي وحدود التيار الخاصة بها.

المبدأ الأساسي هو تحديد حجم المحول وفقًا لأقصى ظروف تشغيل كهربائية وحرارية محتملة، وليس ببساطة وفقًا لمجموع التصنيفات الاسمية للأجهزة المركَّبة.

١٠. حلول جيانغسو دينغشين لمحولات الرفع المخصصة للطاقة الشمسية والبطاريات

شركة جيانغسو دينغشين للكهرباء هي شركة مصنِّعة للمحولات التوزيعية والمحولات الكهربائية والمحطات الفرعية الجاهزة، وتخدم أسواق البنية التحتية الكهربائية الدولية.

وبفضل خبرتها التي تزيد عن ٣٠ عامًا في قطاع محولات الطاقة، توفر شركة دينغسين دعمًا هندسيًّا موجَّهًا نحو التصنيع والاستخدام لمشاريع الطاقة المتجددة وتوزيع الكهرباء الصناعي والمرافق العامة.

١٠.١ محولات مخصصة لمشاريع الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات

غالبًا ما تتطلَّب تطبيقات الألواح الكهروضوئية (PV) وأنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) تكوينات كهربائية مختلفة عن تلك المُستخدمة في مشاريع التوزيع التجارية التقليدية.

تعمل شركة دينغسين مع العملاء لمراجعة المتطلبات الخاصة بكل مشروع، ومن أبرزها:

• تصنيفات محولات الجهد المتوسط.

• ترتيبات توصيل عاكسات الألواح الكهروضوئية (PV inverters) ووحدات تحويل طاقة أنظمة تخزين البطاريات (BESS PCS).

• مجموعات جهود الطرف الأولي والثانوي.

• لفائف منخفضة الجهد واحدة أو متعددة.

• المجموعات المتجهة للمحولات.

• متطلبات المقاومة الداخلية.

• اختيار السائل العازل.

• ترتيبات التبريد.

• تكوينات الغلاف الخارجي.

• ملحقات الحماية والرصد.

بالنسبة للمشاريع التي تتضمّن أنظمة جمع بجهد ٣٥ كيلوفولت، يمكن تقييم تصاميم المحطات الفرعية المدمجة المخصصة وفقاً للجهد والقدرة وترتيب أجهزة التبديل وظروف التركيب المطلوبة.

١٠٫٢ الدعم الهندسي لتدفّق القدرة ثنائي الاتجاه

يتطلّب دمج أنظمة الطاقة الشمسية مع أنظمة تخزين البطاريات (PV-BESS) مواءمةً دقيقةً بين تصميم المحولات والهندسة الكهربائية على مستوى النظام.

أثناء مراجعة المواصفات الفنية، تشمل الاعتبارات المهمة ما يلي:

التقييم الحراري: تقييم دورات التحميل ودرجات حرارة الجو وارتفاع درجة حرارة لفات المحول.

تقييم التوافقيات: مراجعة بيانات التوافقيات الخاصة بالعاكس ووحدات تحويل الطاقة لتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى حسابات إضافية للخسائر أو أحكام تصميمية.

التوزيع الكهربائي: مطابقة جهد اللفات، والمقاومة، ومجموعة المتجهات، وترتيبات التأريض مع نظام الطاقة الهجين.

توافق أنظمة الحماية: تنسيق متطلبات حماية المحول مع أنظمة التتابع الكهربائي وترتيبات التشغيل والإيقاف في النظام.

الاختبارات والتوثيق: تحديد متطلبات IEEE/IEC السارية، ومعايير قبول المصنع، والتوثيق الفني قبل بدء التصنيع.

يمكن لشركة Dingxin دعم المناقشات المتعلقة بمواصفات المحولات المخصصة لمتعهدي المشاريع الشمسية (EPC)، ومطوري مشاريع الطاقة المتجددة، وشركاء دمج أنظمة تخزين الطاقة (BESS).

يجب التحقق من التصنيفات الفعلية للمنتج، وحالة الامتثال، ونطاق الاختبارات، والتكوينات المتاحة مقابل الوثائق الفنية الخاصة بكل مشروع.

١١. الأسئلة الشائعة حول محولات الرفع المستخدمة في أنظمة الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة (PV-BESS)

ما هو محول تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه؟

محول تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه هو محول يُستخدم في نظام كهربائي قد يتدفّق فيه القدرة الفعّالة في أيٍّ من الاتجاهين.

يمكن للمحولات التيار المتناوب التقليدية عمومًا نقل القدرة في كلا الاتجاهين، لكن تطبيقات الطاقة المتجددة الهجينة قد تتطلّب تقييمًا إضافيًّا لدورات التحميل والتوافقيات وتنظيم الجهد ونظم الحماية.

كيف يختلف محول رفع الجهد الخاص بأنظمة تخزين الطاقة (BESS) عن المحول الشمسي التقليدي؟

قد يعمل محول رفع الجهد الخاص بأنظمة تخزين الطاقة (BESS) في حالات الشحن والتفريغ والانتظار ودعم القدرة التفاعلية.

وبالمقارنة مع تطبيق توليد الطاقة الشمسية التقليدي، فقد تشمل ملفّة تشغيله دورات تحميل مختلفة ومتطلبات مغايرة لجودة القدرة.

يجب أن يتطابق تصميم المحول مع الخصائص الفعلية لمعدات وحدة تحويل الطاقة (PCS) وظروف التشغيل النظامية.

هل يمكن لمحول واحد أن يربط كلًّا من محولات التيار المتناوب الخاصة بالألواح الكهروضوئية (PV inverters) ومعدات وحدة تحويل الطاقة لأنظمة تخزين الطاقة (BESS PCS)؟

نعم. قد يكون من الممكن استخدام ترتيب مشترك للمحول إذا تم هندسة البنية الكهربائية وتصنيفات لفاته ومستويات الجهد وتنسيق الحماية والسعة الحرارية بشكلٍ سليم.

تشمل الخيارات حافلة جهد منخفض مشتركة أو تصميم محول متعدد اللفات.

هل يؤدي تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه إلى تشبع المحول؟

لا، ليس من تلقاء نفسه.

يرتبط تشبع القلب بظروف التشغيل المغناطيسية مثل نسبة الجهد إلى التردد الزائدة، أو الانحراف المستمر (DC bias)، أو ظروف انتقالية معينة.

اتجاه تدفق الطاقة الفعالة المتناوبة في الوضع الطبيعي وحده لا يؤدي بشكلٍ جوهري إلى تشبع قلب المحول.

هل يُشترط استخدام محولات ذات عامل كي (K-factor) في تركيبات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات؟

لا. يجب تقييم الأحمال التوافقيّة باستخدام طيف تيار وحدة تحويل الطاقة الفعلية (PCS) الفعلي ومنهجية تصميم المحول المعمول بها.

لا ينبغي افتراض أن تحديد عامل كي (K-factor) معيّن إلزاميٌّ لكل محول لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات المغمورة بالسوائل.

هل يلزم وجود محول تنظيمي ذو توصيل تحت الحمل (OLTC) في محطة رفع الجهد المدمجة للطاقة الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات؟

ليس بالضرورة.

تتعلَّق متطلبات المُحوِّل ذي التحكُّم في الجهد أثناء التشغيل بظروف جهد الشبكة وقدرات العاكس على توليد القدرة التفاعلية واستراتيجية تنظيم الشبكة ومواصفات المشروع.

تستخدم العديد من المنشآت ترتيبات التحكم في التوابع دون تغذية كهربائية، جنبًا إلى جنب مع أنظمة تنظيم الجهد المناسبة في العاكس ومستوى الشبكة.

أي المعايير تنطبق على محولات أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة مع أنظمة تخزين الطاقة؟

ومن المراجع ذات الصلة ما يلي: IEEE C57.159 وIEEE C57.12.00 وIEEE C57.110 وIEC 60076-1 وIEC 60076-2 وIEC 60076-5، بالإضافة إلى أدلة التحميل المعمول بها.

ويجب أخذ متطلبات الربط بالشبكة الكهربائية في الاعتبار بشكل منفصل.

كيف يمكن لمصنِّع المحولات دعم مشاريع أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة مع أنظمة تخزين الطاقة؟

يمكن للمصنِّع دعم اختيار المحول المُخصَّص للمشروع، وتكوين اللفات، وتقييم الفقد، وتصميم العزل، وتقييم الأداء الحراري، واختيار الملحقات، وتوثيق الاختبارات في المصنع.

وينبغي التنسيق حول المواصفات النهائية للمعدات بين مقاول التصميم والشراء والبناء (EPC)، ومورِّد وحدة تحويل الطاقة (PCS)، ومهندس الشبكة، ومصنِّع المحولات.

١٢. الخلاصة: هندسة حلول موثوقة بنية تحتية كهربائية لطاقة الألواح الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات

مع تزايد دمج توليد الطاقة الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، يتطور اختيار المحولات تدريجيًّا ليتجاوز مجرد مطابقة السعة الاسمية والجهد التقليدية.

موثوق المحطة الفرعية لرفع الجهد الكهروضوئي يجب أن تدعم المحولات الخصائص التشغيلية لأنظمة الطاقة المتجددة الهجينة مع الحفاظ على الأداء الحراري والعازل والكهربائي الملائم.

تشمل الاعتبارات الهندسية الحرجة ما يلي:

• تدفق القدرة الفعّالة والردية ثنائي الاتجاه.

• أنماط الشحن والتفريغ المتغيرة.

• خصائص التيارات التوافقيّة.

• الحمل الحراري للمحول وشيخوخة العزل.

• تنظيم الجهد واختيار التوابع (Taps).

• تيارات القصر الناتجة عن مصادر متعددة وتناسق حماية الدوائر.

• المعايير القياسية لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات واللجنة الدولية للإلكتروتيك.

• متطلبات الموثوقية والصيانة على المدى الطويل.

في مشاريع الطاقة المتجددة واسعة النطاق، يمكن أن يقلل التنسيق المبكر بين مصنّعي المحولات، والمقاولين العامين (EPC)، وموردي أنظمة التحويل الكهروضوئي (PCS)، ومهندسي شركات التوزيع من مخاطر التكامل ويحسّن توافق المعدات.

اطلب محولًا مُخصَّصًا لرفع الجهد في أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة مع أنظمة تخزين البطاريات (PV-BESS).

هل تُصمِّم مشروع طاقة شمسية مدمج مع نظام تخزين طاقة، أم تقوم بتحديث محطة فرعية قائمة للطاقة المتجددة؟

توفر شركة جيانغسو دينغشين للكهرباء حلولاً مُخصَّصة للمحولات والمحطات الفرعية المتكاملة لتوليد الطاقة الكهروضوئية، وتخزين طاقة البطاريات، وتوزيع الطاقة ذات الجهد المتوسط.

يمكن لفريقنا مراجعة متطلباتك الكهربائية، بما في ذلك سعة المحول، ومستوى جهد النظام، وترتيب لفات المحول، والملحقات الواقية، والمعايير الهندسية المطبَّقة.

اتصل بشركة دينغشين للكهرباء لطلب مراجعة مواصفات محول مخصصة لمشروعك أو إرسال استفسار فني رسمي (RFQ).

الموقع الإلكتروني: https://www.dishinelectric.com/