تصميم محولات المحطات الفرعية للمزارع الشمسية ذات أحمال DC-to-AC المرتفعة

عند النقطة التي تنتقل فيها محطة الطاقة الشمسية من كتل العاكسات إلى نظام التجميع، قد يصبح اختيار المحول مصدرًا لمخاطر يمكن تجنبها. قد تبدو مطابقة جهد لوحة البيانات مقبولة، إلا أن الوحدة قد تظل معرضة لأحمال نهارية غير متساوية، وتسخين توافقي، وتغيرات جهد متكررة، وتقلبات القدرة غير الفعالة، وارتفاع درجة الحرارة المحيطة. والحل العملي هو تصميم محول المحطة الفرعية وفقًا لدورة تشغيل التيار المتردد من جانب العاكس ومتطلبات الربط بالشبكة، وليس بناءً على قدرة التيار المستمر وحدها.

لا يحمل المحول عادةً خرج التيار المستمر للمصفوفة الكهروضوئية مباشرةً. إذ تحوّل العاكسات التيار المستمر قبل وصوله إلى شبكة التجميع ذات الجهد المتوسط. ومع ذلك، فإن ارتفاع نسبة التيار المستمر إلى التيار المتردد يغير نمط التشغيل الذي يراه المحول. فقد يؤدي إلى فترات طويلة قريبة من حد تصدير التيار المتردد، ومنحدرات أشد مع تغير الإشعاع الشمسي، وتشغيل عند الحمل الكامل بسبب ظاهرة القص، ونشاط أكثر تكرارًا في تحكم العاكس. لذلك يجب تقييم محول المحطة الفرعية للمحطات الشمسية المصمم على نحو سليم من حيث الأداء الحراري، والفواقد، والمعاوقة، والتوافقيات، وتحمل العزل، وتنسيق الحماية، ووظائف كود الشبكة الدقيقة المطلوبة عند نقطة الربط.

ابدأ بملف الحمل الفعلي للتيار المتردد

تُستخدم نسبة التيار المستمر إلى التيار المتردد غالبًا لتحسين حصاد الطاقة خلال فترات الإشعاع المنخفض. فعلى سبيل المثال، قد تتجاوز قدرة وحدات PV القدرة الإجمالية المقننة للتيار المتردد للعاكسات. ولا يتطلب هذا الترتيب تلقائيًا محولًا بحجم يعادل لوحة بيانات التيار المستمر الكاملة. وعادةً ما يكون الحد الكهربائي ذي الصلة هو أقصى خرج متزامن للتيار المتردد من نظام العاكس، بعد تعديله وفقًا للأحمال المساعدة، وتشغيل القدرة غير الفعالة، وأنماط التشغيل الاحتياطية، وأي حد تصدير تعاقدي.

وتكمن الصعوبة في أن «أقصى خرج للتيار المتردد» ليس دائمًا رقمًا ثابتًا واحدًا. فقد يُطلب من تحكمات العاكس توفير أو امتصاص القدرة غير الفعالة مع بقاء التوليد الفعال مرتفعًا. واعتمادًا على متطلبات مشغل الشبكة، قد يحتاج المحول إلى دعم حمل قدرة ظاهرية أعلى من تصدير MW المتوقع وحده. وقد يقلل التصميم القائم على القدرة الفعالة فقط من تقدير التيار والحمل الحراري.

قبل تحديد التصنيفات، ينبغي وضع نطاق تشغيل زمني بدلًا من الاعتماد على متوسط سنوي واحد. ويجب أن تحدد المراجعة الهندسية ما يلي:

• أقصى قدرة فعالة يتم تسليمها من جميع العاكسات عند أطراف المحول.
• النطاق المطلوب للقدرة غير الفعالة عند خرج قدرة فعالة مرتفع.
• المدة المتوقعة للقص أو التشغيل بالقرب من سقف تصدير التيار المتردد.
• درجة الحرارة المحيطة خلال فترة أعلى حمل كهربائي متوقع.
• الأحمال المساعدة، وطلب خدمة المحطة، وأنظمة البطاريات، أو أحمال المغذيات المشتركة.
• ما إذا كان يمكن لمحول واحد أن يحمل مؤقتًا حمل كتلة عاكس مجاورة بعد انقطاع مخطط له أو غير مخطط له.

يميز هذا النهج بين منشأة ذات نسبة تيار مستمر إلى تيار متردد مرتفعة ولكن حمل محول محدود، وأخرى ستقضي فترات صيفية طويلة قريبة من حدها الحراري. كما يمنع الاستنتاج المبسط المفرط بأن زيادة قدرة التيار المستمر تتطلب تلقائيًا محولًا أكبر بشكل متناسب.

يجب أن يعكس التصميم الحراري ظروف التشغيل الشمسية

توليد الطاقة الشمسية دوري، لكن ذلك لا يجعل تبريد المحول سهلًا. فعادةً ما يحدث ذروة التوليد عندما تكون درجة الحرارة الخارجية والإشعاع الشمسي على الحاويات ودرجة حرارة غرفة المعدات المحلية مرتفعة أيضًا. وفي محطة فرعية مدمجة، يمكن للحرارة التي تطلقها العاكسات ومعدات التبديل وأنظمة الكابلات أن ترفع درجة حرارة الهواء حول محول جاف. ويمكن أن يؤدي تراكم الغبار أو تقييد مسارات التهوية أو ترتيب فتحات التهوية بصورة غير جيدة إلى تقليل أداء التبريد بدرجة أكبر.

ينبغي أن يأخذ التقييم الحراري في الاعتبار أكثر مجموعة تشغيلية موثوقة حرارةً: خرج عاكس مرتفع، وطلب قدرة غير فعالة، ودرجة حرارة محيطة عالية، وتدفق هواء منخفض. وقد يحتاج محول يعمل براحة عند الحمل المقنن في بيئة اختبار مصنع مضبوطة إلى خفض التصنيف في حاوية محطة شمسية أو منصة منزلقة مدمجة.

بالنسبة إلى المحولات المملوءة بالسائل، تركز المراجعة على درجة حرارة الزيت العلوية، ودرجة حرارة النقطة الساخنة للملفات، وتعرض المشعات، ومراحل التبريد، وترتيبات تمدد الزيت. أما في تصاميم الراتنج المصبوب وغيرها من التصاميم الجافة، فتكتسب زيادة درجة حرارة الملفات، وحجم التهوية، وتكوين الحاوية، والتحكم في المراوح، ونقاط مراقبة الحرارة أهمية خاصة. ولا تتفوق أي من التقنيتين عالميًا؛ إذ يحدد تخطيط الموقع ومتطلبات السلامة من الحريق والظروف البيئية واستراتيجية الصيانة ومعايير المشروع الخيار المناسب.

يمكن أن يكون التبريد بالهواء القسري مفيدًا عند التعامل معه كنمط تشغيل محدد، لا كحالة دائمة مفترضة. وينبغي توثيق تغذية المراوح، والتحكمات التلقائية، والإنذارات، وإمكانية الوصول للصيانة، والتصنيف الاحتياطي دون هواء قسري. ولا ينبغي استخدام محول ذي قدرة تحميل زائد في ظل التبريد بالهواء القسري لتعويض تصنيف أساسي منخفض بصورة جوهرية، ما لم تكن دورة التشغيل المتوقعة والنموذج الحراري وإعدادات الحماية تدعم ذلك القرار.

التوافقيات: قيّم شكل الموجة، وليس التيار الأساسي فقط

صُممت العاكسات الشمسية الحديثة لتقديم خرج تيار متردد متحكم به، لكن تشغيل التبديل فيها قد يُدخل مكونات توافقية وعالية التردد. ويعتمد المستوى الفعلي عند المحول على طوبولوجيا العاكس، وتصميم المرشح، ونقطة التشغيل، وأطوال الكابلات، وترتيب التأريض، ومعاوقة الشبكة، والتفاعلات بين كتل العاكس المتوازية. ويزيد التيار التوافقي من فواقد الموصلات، وقد ينتج فواقد شاردة إضافية في الملفات والمشابك وجدران الخزان والأجزاء الهيكلية.

لا تفترض أن ورقة بيانات عاكس مطابقة وحدها تستكمل تقييم التوافقيات للمحول. ينبغي أن تتناول المراجعة طيف التوافقيات للعاكس عند مستويات الحمل ذات الصلة، وعدد الوحدات المتصلة بالتوازي، وسعة كابل التجميع، ومعاوقة الشبكة العليا. ويمكن أن يظهر الرنين التوافقي من مجموعة المعدات حتى عندما يكون كل عنصر مقبولًا بمفرده.

تشمل الأسئلة التي يجب حسمها أثناء التصميم ما إذا كانت الشركة المصنعة للمحول تحتاج إلى معلومات عن الفواقد التوافقية، وما إذا كان يلزم إجراء حساب خفض التصنيف، وما إذا كانت المعاوقة المحددة ستؤثر في أداء الرنين أو المرشح. وفي أنظمة التجميع الأكبر، قد تكون دراسة التوافقيات للشبكة ضرورية لتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى مرشحات أو تصميم محول معدل أو حدود تشغيلية.

كما تستحق تأثيرات النمط المشترك عالية التردد الاهتمام عند واجهة العاكس والمحول. وينبغي النظر إلى تدريع الكابلات والتأريض وتنسيق الحماية من زيادة الجهد وتصميم عزل الملفات معًا. وتكون هذه القضايا ذات صلة خاصة عندما تربط مسارات كابلات MV الطويلة عدة محطات عاكس، أو عندما يُركب المحول بالقرب من مخارج العاكس ذات حواف التبديل السريعة.

المعاوقة قرار يتعلق بأداء الشبكة

غالبًا ما تُعامل معاوقة المحول كقيمة كتالوجية، لكنها في المنشآت الشمسية تترتب عليها آثار مباشرة على تنظيم الجهد، وتيار العطل، وسلوك اجتياز العطل للعاكس، وحساسية الحماية. وقد تؤدي المعاوقة المرتفعة جدًا إلى زيادة ارتفاع الجهد أثناء التصدير وخفض تيار العطل المتاح لأجهزة الحماية. أما المعاوقة المنخفضة جدًا فقد تزيد من واجب القصر على معدات التبديل والمعدات الواقعة بعد المصب.

تعتمد القيمة المفضلة على تخطيط التجميع وقوة الاتصال بالشبكة. فالمغذي القصير والقوي يطرح حالة مختلفة عن دائرة تجميع شعاعية طويلة تضم محولات عاكس متعددة. وينبغي أن تفحص الدراسة الجهد عند أطراف العاكس أثناء التصدير الكامل، وظروف التصدير المنخفض، وأوامر القدرة غير الفعالة، وأحداث التبديل الموثوقة. كما ينبغي اختبار ما إذا كانت وظائف التحكم في جهد العاكس تظل مستقرة مع معاوقة المحول ومعاوقة الكابل المختارتين.

ويكتسب اختيار نقاط النقر أهمية مماثلة. فقد تتعرض المحطات الشمسية لارتفاع مستمر في الجهد عند قضيب التجميع أثناء التصدير المرتفع، بينما يمكن أن يتغير الجهد العلوي وفقًا لظروف الشبكة. وقد تكون نقاط النقر الثابتة خارج الدائرة كافية عندما تؤكد دراسة النظام نطاق جهد ضيقًا. وحيث يكون تغير الجهد أوسع، قد يحتاج التصميم إلى استراتيجية تنظيم مختلفة، مثل تغيير نقاط النقر تحت الحمل عند محول الشبكة الرئيسي أو التحكم المنسق في القدرة غير الفعالة للعاكس. ولا ينبغي توقع أن يحل المحول نفسه مشكلة التحكم في الجهد على مستوى النظام من دون تأكيد سلوك الشبكة الأوسع.

اختر العزل والحماية للتركيب، وليس للتصنيف فقط

غالبًا ما توضع المحولات في المواقع الشمسية في الهواء الطلق أو في محطات فرعية مسبقة الصنع أو بالقرب من منصات العاكس. وقد يعرّض التركيب المعدات للغبار والرطوبة والهواء المحمل بالملح والتكاثف والتعرض للأشعة فوق البنفسجية والرمال والتغيرات الموسمية في درجات الحرارة. وتؤثر هذه الظروف في اختيار الجلب، وفئة الحاوية، والخلوصات الطرفية، وأنظمة الطلاء، وإحكام الكابلات، ومدى ملاءمة مسارات تبريد النوع الجاف.

بالنسبة إلى نقطة توزيع داخلية أو مغلقة ذات جهد متوسط حيث تكون مقاومة الحريق وتقليل مخاطر حريق السوائل من الأولويات، قد يكون المحول الجاف من الراتنج المصبوب مناسبًا. يتوفر محول توزيع ثلاثي الطور جاف من الراتنج المصبوب بجهد 20kV بتكوين دخل 20 kV وخرج 0.4 kV أو 0.415 kV، وبقدرات من 50 kVA إلى 5000 kVA، وبنطاق نقرات جهد عالٍ قدره ±2 × 2.5%. وقد يكون مستوى الحماية IP23 المذكور، وفئة مقاومة اللهب F1، ونظام حماية الحرارة والتحكم فيها، وقدرة التحميل الزائد بالهواء القسري، ذا صلة عندما يتطلب الترتيب محول توزيع من النوع الجاف. ومع ذلك، لا يزال يتعين مطابقة الحاوية الدقيقة وترتيب التهوية ونسبة الجهد والقدرة مع تصميم جانب التيار المتردد للكتلة الشمسية.

ينبغي أن يأخذ تصميم الحماية في الحسبان خاصية رئيسية للتوليد القائم على العاكس: إذ يكون تيار عطل العاكس محدودًا عمومًا وقد يُتحكم فيه بصورة مختلفة عن التيار الذي توفره المولدات الدوارة. وقد لا تكون إعدادات الحماية التقليدية من التيار الزائد التي تعمل في محطة مرافق أو منشأة صناعية حساسة بما يكفي في نظام تجميع شمسي. وينبغي تنسيق الحماية التفاضلية، وحماية العطل الأرضي المقيد، وحماية المغذي، وعناصر التيار الزائد الاحتياطية مع سلوك تيار عطل العاكس وتيار اندفاع المحول.

يستحق تشغيل المحول بالطاقة اهتمامًا منفصلًا. إذ يمكن أن يسبب تيار الاندفاع عمليات فصل غير ضرورية، وخاصة عند تشغيل عدة محولات بعد انقطاع على مستوى الموقع. ويجب أن تميز فلسفة الحماية بين تيار الاندفاع وحالات العطل الداخلية مع الحفاظ على حساسيتها لأعطال الملفات أو الأطراف الحقيقية. كما يجب تنسيق مجموعة المتجهات للمحول وطريقة التأريض ومعالجة المحايد وأي مسارات لمركبة التسلسل الصفري مع مخطط العطل الأرضي لنظام التجميع.

مراجعة تصميم عملية قبل إصدار المواصفة

يبدأ تسلسل مراجعة مفيد برسم مسار الطاقة من أطراف العاكس عبر نظام تجميع LV أو MV إلى نقطة الربط. حدد كل موقع تتغير فيه معامل القدرة أو الجهد أو التيار أو مستوى العطل. ثم قارن مواصفة المحول بالأدلة الهندسية التالية بدلًا من التعامل معها كمستند شراء مستقل.

1. أكد أساس التصنيف. استخدم أقصى خرج تيار متردد للعاكس ودعم kvar المطلوب لتحديد حمل القدرة الظاهرية المستمر. واذكر ما إذا كان التصنيف يفترض تبريدًا طبيعيًا أو تبريدًا قسريًا أو فترة تحميل زائد محدودة.
2. تحقق من نسبة الجهد ونطاق نقاط النقر. تحقق من الجهد العادي والأدنى والأقصى عند طرفي المحول في ظل ظروف التصدير والقدرة غير الفعالة. وأدرج هبوط أو ارتفاع الجهد في الكابل.
3. راجع المعاوقة باستخدام نموذج النظام. اختبر واجب العطل وتنظيم الجهد ومدى الحماية والتأثير في تحكمات العاكس قبل قبول قيمة معاوقة اسمية.
4. وفر بيانات إدخال التوافقيات. قدم للشركة المصنعة معلومات توافقية العاكس عند توافرها، وحدد ما إذا كان يلزم بدل إضافي للملفات أو الفواقد الشاردة.
5. حدد البيئة الفيزيائية. اذكر الموقع الداخلي/الخارجي، وأقصى درجة حرارة محيطة، والارتفاع، والتعرض للشمس، ومستوى التلوث، وظروف الرطوبة، وقيود التهوية.
6. نسق الحماية والمراقبة. أكد نسب محولات التيار، وإنذارات الحرارة، وعتبات الفصل، وإنذارات المراوح، ومانعات الصواعق، وفلسفة العطل الأرضي، وواجهات الاتصالات.
7. خطط لقابلية الصيانة. أكد إمكانية الوصول للفحوصات، والمسح بالأشعة تحت الحمراء، والتنظيف، واختبار الكابلات، واستبدال المراوح عند الاقتضاء، والعزل الآمن.

المواضع التي تفقد فيها التصاميم هامش الأمان غالبًا

أحد الأخطاء المتكررة هو اختيار محول بناءً على قدرة PV للتيار المستمر ثم إضافة هامش مفرط دون التحقق من الحد الفعلي للتيار المتردد للعاكس. وقد يزيد ذلك من التكلفة الرأسمالية وفواقد اللاحمل والبصمة وواجب القصر من دون تحسين القيد التشغيلي الحقيقي. والخطأ المعاكس أكثر خطورة: اختيار وحدة تعادل تصدير MW الاسمي مع إغفال طلب القدرة غير الفعالة وارتفاع درجة الحرارة المحيطة وفواقد المحول. وفي هذه الحالة، قد تبدو لوحة البيانات كافية بينما يكون هامش درجة حرارة الملفات غير كافٍ.

ومن الأساليب الضعيفة الأخرى تحديد معدات «للاستخدام الشمسي» من دون تعريف واجبها التشغيلي. فهذه العبارة قليلة القيمة ما لم تُترجم إلى متطلبات قابلة للقياس: دورة الحمل، والظروف المحيطة، والمحتوى التوافقي، ونمط التبريد، وفئة العزل، وترتيب نقاط النقر، وسماحية المعاوقة، وأجهزة المراقبة، والمعايير المطلوبة. تتيح بيانات الإدخال الواضحة للشركة المصنعة تصميم المعدات المناسبة واختبارها؛ أما اللغة الغامضة فتؤدي غالبًا إلى افتراضات لا تظهر إلا أثناء التشغيل الأولي.

ينبغي للمقيمين الفنيين أيضًا التمييز بين محول الكتلة ومحول المحطة الفرعية الرئيسي. فقد يعطي محول الكتلة بالقرب من العاكسات الأولوية للاكتناز، وأداء الحريق، وترتيب ملفات الجهد المنخفض، والظروف الحرارية المحلية. أما محول رفع الجهد الرئيسي فعادةً ما يجب أن يعالج تنسيق عزل الجهد الأعلى، ومستويات أعطال الشبكة، وتأريض النظام، وتنظيم الجهد، وواجهات حماية المرفق. وقد يؤدي تطبيق مجموعة افتراضات واحدة على الموقعين إلى فجوات في التصميم.

متى تكون دراسات النظام الإضافية مبررة

يكون التحليل الإضافي مبررًا عندما يكون للموقع اتصال شبكة ضعيف، أو شبكة تجميع طويلة، أو سعة كابل كبيرة، أو تقنيات عاكس متعددة، أو تخزين طاقة متصل بالقضيب نفسه، أو متطلبات صارمة للقدرة غير الفعالة واجتياز العطل. وفي هذه الحالات، لا تمثل دراسات تدفق الحمل والقصر والتوافقيات وتنسيق العزل والحماية إضافات ورقية؛ بل تحدد ما إذا كانت معلمات المحول تدعم التشغيل المستقر.

إن المواصفة الأكثر موثوقية هي التي تحدد نطاق التشغيل الكهربائي أولًا وبنية المحول ثانيًا. وعندما تُترجم أحمال التيار المستمر إلى التيار المتردد المرتفعة إلى تيار متردد واقعي، وطلب kvar، والتعرض الحراري، وتفاعل العاكس، يمكن تحديد حجم المحول وتكوينه لخدمة موثوقة بدلًا من اختياره بمجرد الجهد وkVA.