اختيار محولات قدرة المحطات الفرعية لدمج الطاقة المتجددة

يمكن لمشروع للطاقة المتجددة أن يحقق هدف التوليد الاسمي الخاص به ومع ذلك يظل أداؤه دون المستوى عند نقطة ربط الشبكة إذا تم تحديد محول المحطة الفرعية كأصل تقليدي ذي حمل ثابت. تعرض محطات الطاقة الشمسية ومزارع الرياح والأنظمة الهجينة المدعومة بالبطاريات وأنظمة الطاقة المتجددة الصناعية المختلطة المحولات لأنماط تشغيل تختلف بصورة جوهرية عن أنماط محطة فرعية تقليدية تخدم الأحمال: تغيرات سريعة في القدرة الفعالة، وإجراءات متكررة للتحكم في الجهد، وتيارات توافقية ناتجة عن إلكترونيات القدرة، وتدفق قدرة عكسي، وفترات لا يتحرك فيها الحمل الحراري وواجب القدرة غير الفعالة معاً.

لذلك يبدأ الاختيار الصحيح بدراسة ربط الشبكة وفلسفة التحكم في المحطة، وليس بسعة المحول بوحدة MVA وحدها. ويتمثل القرار الرئيسي في ما إذا كان المحول المقترح وترتيب مغير النقرات ونظام العزل وتصميم التبريد وواجهات الحماية قادرة على الحفاظ على جهد مقبول وتحمل دورة التشغيل المتوقعة طوال العمر التشغيلي الكامل للمشروع. وقد يصبح المحول الملائم فقط عند التصدير الاسمي مصدراً لخفض الإنتاج أو عمليات تغيير نقرات مفرطة أو فواقد يمكن تجنبها أو تأخيرات في التشغيل التجريبي بمجرد ربط المحطة بشبكة فعلية.

ابدأ بدور المحول في البنية الكهربائية

يمكن أن يصف مصطلح «محول قدرة للمحطة الفرعية للطاقة المتجددة» عدة أصول مختلفة جداً. ويستخدم مشروع شمسي أو مشروع رياح على نطاق المرافق عادة محول رفع جهد المولد (GSU) لرفع جهد نظام التجميع إلى جهد الربط بشبكة النقل أو النقل الفرعي. وقد تحتوي محطة تجميع فرعية أيضاً على محولات خدمات المحطة ومحولات التأريض والمحولات المساعدة ووصلات المحولات المرتبطة بتخزين الطاقة. أما الطاقة الشمسية الموزعة والمنشآت التجارية ومواقع الطاقة المتجددة الأصغر فقد تتطلب بدلاً من ذلك محولات توزيع عند واجهات الجهد المتوسط إلى الجهد المنخفض.

لا ينبغي التعامل مع هذه الأدوار على أنها قابلة للاستبدال. فمحول GSU هو عادة الأصل الحرج في مسار التصدير، وتحدد متطلباته وفق جهد الشبكة ومستوى الأعطال وسلوك المولد أو العاكس ومواصفات مالك شبكة النقل. ويُختار المحول المساعد وفق الأحمال الداخلية مثل مشغلات المتتبعات وأنظمة HVAC ومباني التحكم والمضخات وملحقات المفاتيح الكهربائية وأنظمة البطاريات. وتظل موثوقيته مهمة، لكن نسبة الجهد والملف الحراري ومتطلبات الحماية الخاصة به مختلفة.

قبل إصدار طلب عرض الأسعار، ينبغي أن يوضح المخطط الأحادي الخط ما يلي:

• نقطة الربط المشترك وقدرة التصدير/الاستيراد المطلوبة؛
• جهد التجميع وجهد الشبكة الاسمي، بما في ذلك نطاقات التشغيل المسموح بها؛
• ما إذا كان يجب على المحول دعم التدفق ثنائي الاتجاه نتيجة شحن البطارية وتفريغها؛
• حدود الملكية بين معدات المحطة ومعدات المرفق؛
• طريقة التأريض المطلوبة ومعالجة النقطة المحايدة؛
• موقع القياس ومحولات التيار للحماية ومانعات الصواعق وتعويض القدرة غير الفعالة؛ و
• أي المعدات تتحمل تبعات الانقطاع الممتد.

يمنع هذا التعريف خطأً شائعاً في المشتريات: مقارنة عروض أسعار بتصنيفات تبدو متشابهة بينما افترض الموردون مجموعات متجهات أو قواعد معاوقة أو نطاقات نقرات أو واجبات تبريد أو نطاقات ملحقات مختلفة.

يجب أن يعكس تصنيف MVA نطاق التشغيل، وليس فقط أقصى تصدير MW

غالباً ما تناقش التوليد المعتمد على العاكسات بوحدة MW، لكن تسخين المحول يتحدد بالتيار والفواقد المرتبطين بوحدة MVA. والعلاقة الأساسية هي:

MVA = MW / معامل القدرة.

إذا كانت اتفاقية الربط تتطلب من المحطة توفير أو امتصاص قدرة غير فعالة عند نقطة الربط، فقد يحمل المحول قدرة ظاهرية أكبر بكثير مما يوحي به رقم تصدير القدرة الفعالة. فعلى سبيل المثال، تحتاج محطة تصدر 100 MW عند معامل قدرة 0.95 إلى نحو 105.3 MVA قبل احتساب الهوامش أو الفواقد أو الطلب المساعد. ولا يمثل معامل القدرة ذي الصلة افتراضاً تصميمياً عاماً؛ بل ينبغي أن يستمد من كود الشبكة ودراسة الربط ومنحنى قدرة متحكم المحطة.

يزيد تخزين الطاقة بالبطاريات من تعقيد الصورة. فقد تتسبب بطارية مركبة في الموقع في حمل مرتفع أثناء الشحن عندما يكون تصدير الطاقة المتجددة منخفضاً، أو قد تحافظ على نمط توزيع مختلف عن محطة التوليد. لذلك ينبغي أن يشمل تقييم تحميل المحول كل وضع تشغيل محتمل: تصدير الطاقة الشمسية، وتصدير طاقة الرياح، وشحن البطارية، وتفريغ البطارية، والتصدير المشترك، والدعم التفاعلي عند قدرة فعالة منخفضة، وأي حالة استيراد مسموح بها.

يمكن أن تكون قدرة التحميل الزائد قصيرة المدة ذات قيمة، لكنها لا ينبغي أن تحل محل دراسة حرارية متفق عليها. ولا يكون الادعاء بقدرة التحميل الزائد ذا معنى إلا عند تحديد درجات حرارة الزيت والملفات الابتدائية ودرجة الحرارة المحيطة وتوافر التبريد ومدة التحميل وافتراضات فقدان العمر المسموح بها. فقد لا يكون للمحول الذي يتحمل حملاً زائداً محدوداً بعد ليلة باردة الهامش نفسه بعد عدة ساعات حارة من الإشعاع الشمسي المرتفع أو تفريغ بطارية مستمر.

تنظيم الجهد مسألة على مستوى النظام

يمكن لمحطات الطاقة المتجددة أن تنتج تغيرات سريعة في الجهد عند واجهة التجميع والشبكة. ويؤثر طول الكابل ومعاوقة الخط وإعدادات تحكم العاكس وبنوك المكثفات ومعدات STATCOM أو SVC وقوة مغذي المرفق جميعها في الجهد الذي يراه المحول. وقد يؤدي اختيار نطاق نقرات واسع دون فحص هذا النظام الأوسع إلى شعور زائف بالأمان.

غالباً ما يكون الاختيار الرئيسي بين مغير نقرات خارج الدائرة ومغير نقرات تحت الحمل (OLTC). ويكون مغير النقرات خارج الدائرة مناسباً عندما تكون النسبة المطلوبة مستقرة ويمكن إجراء التعديلات أثناء فترات توقف مخططة. ويسمح OLTC بتغيير النسبة أثناء التغذية، لكنه يضيف أجزاء متحركة وإعدادات تحكم والتزامات صيانة وخطر التشغيل المفرط إذا كان مخطط التحكم في الجهد سيئ التنسيق.

بالنسبة لمحول التصدير، يجب أن يكون تسلسل التحكم في الجهد واضحاً. فإذا حاول متحكم المحطة ووحدات تحكم القدرة غير الفعالة للعاكسات ومعدات تبديل المكثفات وOLTC جميعها تصحيح الجهد بشكل مستقل، فقد تتفاعل بطرق تؤدي إلى تغييرات نقرات متكررة أو تحكم غير مستقر. وينبغي أن تحدد المواصفات القضيب المنظم ونطاق الجهد المستهدف وافتراضات تعويض هبوط الخط والتأخيرات الزمنية والنطاقات الميتة وحدود النقرات والأولوية بين تحكم المحول والتحكم في VAR على مستوى المحطة.

تعد معاوقة المحول مؤثرة بالقدر نفسه. فالمعاوقة الأعلى تحد من تيار العطل وقد تساعد في التنسيق مع المعدات الواقعة في اتجاه الحمل، لكنها تنتج هبوط جهد أكبر تحت الحمل. ويمكن للمعاوقة الأقل تحسين تنظيم الجهد، لكنها قد تزيد واجبات القصر. ولا توجد نسبة معاوقة مئوية مفضلة عالمياً؛ إذ يجب التحقق منها مقابل دراسات تدفق الأحمال والقصر والتوافقيات وتنسيق الحماية المعتمدة.

حدد المواصفات لواجب العاكس والتوافقيات والتحميل غير الجيبي

تستخدم مشاريع الطاقة المتجددة الحديثة محولات إلكترونيات القدرة. وحتى عندما يتوافق خرج العاكس مع متطلبات الربط المعمول بها، قد يظل المحول معرضاً لتيارات توافقية ومكونات عالية التردد وأشكال موجية تشغيلية لا تشبه مصدرًا جيبياً صرفاً. وتزيد التوافقيات فواقد التيارات الدوامية والفواقد الشاردة، وخاصة في الملفات والأجزاء الإنشائية المعدنية، مما يسبب تسخيناً إضافياً قد لا يلتقطه تصنيف اللوحة الاسمية المعتمد على التحميل الجيبي.

ولا تتمثل الاستجابة المناسبة في تطبيق عامل خفض تصنيف عام على كل مشروع. بل ينبغي أن يقدم المشروع طيف التوافقيات المتوقع عند أطراف المحول، وأقصى تشوه كلي للتيار التوافقي، وترتيب التبديل والترشيح، ومجموعات التشغيل المحتملة. ويمكن للمصنع عندئذ تقييم الفواقد الإضافية وتأكيد ملاءمة تصميم الملفات والموصلات والخزان والتبريد. وعند وجود مرشحات أو بنوك مكثفات أو دوائر كابلات طويلة، تكون تقييمات الرنين مهمة بقدر أهمية حدود التوافقيات الفردية.

يستحق تشبع القلب أيضاً الاهتمام. فقد يدفع الجهد الزائد وإزاحة التيار المستمر أثناء الأعطال والتيارات المستحثة مغناطيسياً أرضياً في مواقع معينة وسلوك التحكم غير المناسب القلب نحو التشبع. وقد يحتوي تيار المغنطة الناتج على توافقات عالية أو يسبب ارتفاع الحرارة أو يؤدي إلى سوء تشغيل الحماية. لذلك ينبغي أن تغطي مراجعات التصميم حدود الفولت لكل هرتز وحماية فرط الإثارة والاستجابة المتوقعة لاضطرابات الشبكة.

يجب أن تتوافق مجموعة التوصيل والتأريض مع فلسفة الحماية

اختيار مجموعة المتجهات ليس اختياراً من كتالوج. فهو يحدد إزاحة الطور ومسارات تيار التسلسل الصفري وتوافر النقطة المحايدة والتوافق مع دوائر التجميع وحماية جانب الشبكة. ويمكن لملف دلتا أن يمنع انتقال التسلسل الصفري بين الجانبين، بينما يمكن لملف نجمي مؤرض أن يوفر مسار عودة لعطل التأريض. وقد تكون أي من الميزتين مفيدة أو إشكالية بحسب كيفية تأريض نظام التجميع ونظام المرفق ومحولات العاكسات.

تشمل الأسئلة التي تحتاج إلى إجابات حاسمة قبل التصنيع ما إذا كان نظام التجميع ذي الجهد المتوسط مؤرضاً بالمقاومة أو تأريضاً مباشراً أو غير مؤرض؛ وما إذا كان محول تأريض مطلوباً؛ وما تيار العطل الأرضي وزمن الفصل المطبق؛ وأي جانب من المحول يجب أن يكتشف أو يزود تيار التسلسل الصفري. ويمكن للافتراضات غير الصحيحة أن تفرض إعادة تصميم إعدادات الحماية أو معدات التأريض أو تنسيق عزل الكابلات بعد طلب المعدات بالفعل.

تنتمي كذلك سماحات المعاوقة ومتطلبات التشغيل على التوازي إلى هذه المراجعة. فإذا كان المقصود أن يتشارك محولان الحمل، فيجب أن تكون نسبهما ومجموعات المتجهات وقيم المعاوقة ومواضع النقرات وإزاحة الطور متوافقة. ويمكن للمحولات المتوازية المختارة بصورة مستقلة أن تُدوّر تياراً حتى عندما يبدو حمل المحطة متوازناً.

يؤثر المناخ والموقع واستراتيجية الحريق في التصميم المفضل

ينبغي التعامل مع درجة الحرارة المحيطة والارتفاع والغبار المحمول بالرياح والتلوث الملحي وخطر الفيضانات والظروف الزلزالية وقيود النقل كمدخلات للتصميم الكهربائي، لا كملاحظات للموقع. فدرجة الحرارة المحيطة المرتفعة تقلل الهامش الحراري. ويؤثر الارتفاع العالي في التبريد وأداء العزل الخارجي. وتفرض البيئات الساحلية أو الصحراوية متطلبات مختلفة على المشعات والعوازل والحاويات والجوانات وخزائن التوصيلات والحماية من التآكل. ولا ينبغي افتراض ملاءمة محول مصمم لمحطة فرعية داخلية محمية لموقع شمسي ساحلي رطب أو مشروع رياح مكشوف.

يجب النظر في نوع الزيت ومتطلبات الاحتواء ضمن استراتيجية الحريق والبيئة للمشروع. فللزيت المعدني وسوائل الإستر الطبيعي وخيارات الإستر الصناعي خصائص مختلفة من حيث الحريق والقابلية للتحلل البيولوجي والتعامل مع الرطوبة ودرجة الحرارة والصيانة. وينبغي أن يأخذ الاختيار في الحسبان قواعد الحريق المحلية ومتطلبات شركات التأمين ومسافات الفصل وتصميم حوض الاحتواء والتصريف والقدرة العملية على فحص التسربات والاستجابة لها. ولا يجعل اختيار السائل وحده تركيب المحول آمناً من الحريق؛ إذ تظل الخلوصات والجدران والكشف والإخماد والاحتواء أجزاء من الحل الشامل.

بالنسبة لتوزيع المحطة ذي الجهد المنخفض وواجبات خدمات المحطة، قد تكون وحدة مثلمحول توزيع قدرة مغمور بالزيت 20kV/0.4kV مناسبة لشبكة المرافق المساعدة في منشأة للطاقة المتجددة عندما يجب أن يغذي مصدر 20 kV أحمال 400 V أو 415 V. ويوضح نطاقها المحدد البالغ 50–5000 kVA سبب وجوب تقييمها كأصل توزيع أو مساعد بدلاً من افتراض أنها تحل محل محول التصدير الرئيسي عالي الجهد. وعندما يكون تقليل مخاطر الحريق أو الاعتبارات البيئية مهماً، قد يستحق خيار زيت نباتي FR3 التقييم إلى جانب تصميم احتواء الموقع الكامل.

ينبغي تقييم الفواقد وفق منحنى الحمل الفعلي للمشروع

يكون سعر شراء المحول ظاهراً في مرحلة المناقصة؛ أما فواقد اللاحمل وفواقد الحمل فتستمر طوال التشغيل. وتحدث فواقد اللاحمل كلما كان المحول تحت التغذية، بما في ذلك فترات انخفاض إنتاج الطاقة المتجددة. وترتفع فواقد الحمل تقريباً مع مربع التيار، مما يجعلها حساسة لفترات الخرج المرتفع وتشغيل القدرة غير الفعالة وتوزيع البطاريات.

تستخدم المقارنة القابلة للدفاع عنها طريقة رسملة الفواقد المتوافقة مع ملف التشغيل السنوي المتوقع وقيمة الطاقة والظروف المحيطة وعمر المشروع. وينبغي أن تقارن الفواقد المضمونة عند موضع النقرة ومرجع درجة الحرارة ذوي الصلة، بدلاً من اختيار أقل رقم فواقد معروض دون التحقق من أساس الاختبار. وعندما تكون عدة تصنيفات للمحولات قابلة للتطبيق، قد يختلف الخيار الاقتصادي الأمثل عن خيار أقل تكلفة أولية، لا سيما إذا ظل المحول تحت التغذية باستمرار بينما يكون لمحطة الطاقة المتجددة عامل قدرة متغير.

تحتاج ادعاءات الكفاءة أيضاً إلى سياق. فقد يكون المحول عالي الكفاءة بالقرب من نقطة التحميل التصميمية، بينما تحكم أداءه السنوي للطاقة المدة التي يبقى فيها تحت التغذية بحمل منخفض جداً. وبالنسبة لموقع شمسي بلا تخزين، قد تكون فواقد اللاحمل ذات وزن غير متناسب؛ أما بالنسبة لمشروع تخزين ذي توزيع كثيف، فقد تصبح فواقد الحمل والدورات الحرارية أكثر تأثيراً.

ينبغي أن تحول وثائق المشتريات الدراسات إلى متطلبات قابلة للتحقق

لا تنشأ كثير من مشكلات محولات الطاقة المتجددة في التصنيع، بل في مواصفات صاحب العمل غير المكتملة. وينبغي أن تتضمن حزمة المناقصة النسخ النهائية أو الخاضعة للرقابة من افتراضات دراسة الشبكة والمخطط الكهربائي الأحادي الخط ومستويات الأعطال ونطاق الجهد وملف الحمل ومعلومات التوافقيات وترتيب التأريض وظروف الموقع وتسلسل المعايير وجدول الواجهات.

ينبغي تحديد المعايير وفق الولاية القضائية الحاكمة للمشروع ومتطلبات المرفق. وتعد IEC 60076 وسلسلة IEEE C57 من عائلات معايير المحولات المستخدمة على نطاق واسع، لكن الامتثال لإحدى العائلتين لا يفي تلقائياً بجميع البنود الفنية الخاصة بالمرفق. ويجب حسم متطلبات مستويات العزل وارتفاع الحرارة وتحمل النبضات والزلازل والضوضاء والكفاءة والعوازل والأجهزة والاختبارات الروتينية أو اختبارات النوع على مستوى العقد.

ينبغي تخطيط اختبار القبول في المصنع حول المخاطر التي لا يمكن تصحيحها بسهولة بعد الشحن. فالاختبارات الكهربائية الروتينية ضرورية، لكن المشروع قد يتطلب أيضاً التحقق من المعاوقة وفحوصات النسبة ومجموعة المتجهات واختبارات الجهد المطبق والمستحث وقياس الفواقد واختبار التفريغ الجزئي حيثما يكون محدداً وفحوصات وظيفية لمغيرات OLTC وأنظمة التبريد والإنذارات ولوحات التحكم. وينبغي أن تحدد وثائق الاختبار الوحدة الدقيقة والأرقام التسلسلية والقيم المقاسة ومعايير القبول وأي انحرافات متفق عليها.

تستحق تفاصيل الشحن والتركيب الانضباط نفسه. فقد تؤثر كتلة النقل وأبعاده وحالة شحن الزيت وإزالة العوازل وضغط النيتروجين وقطع الغيار ونقاط الرفع وأحمال الأساسات وتجميع المشعات ومعالجة الزيت ومسؤوليات الاختبارات الميدانية في المسار الحرج. ولا يعادل تاريخ تسليم المحول اكتمال الأعمال الميكانيكية أو الجاهزية للتغذية.

اختر المرونة عمداً بدلاً من افتراض أن محولاً أكبر يحل المشكلة

بالنسبة لمحطة تصدير فرعية بمحول واحد، يمكن أن يؤدي العطل إلى إخراج المحطة بأكملها من الخدمة. وهذا يجعل استراتيجية التوافر قراراً تجارياً وفنياً. وقد تشمل الخيارات حزمة عوازل احتياطية وترتيبات محول احتياطي مركب أو متنقل وتصميماً معيارياً وأحكام إصلاح سريعة ومراقبة الحالة ووصولاً تعاقدياً إلى دعم الخدمة الميدانية. ويعتمد المستوى المناسب على التعرض للانقطاع والمهلة الزمنية للاستبدال والوصول إلى الموقع وشروط التأمين وهيكل إيرادات المشروع.

يمكن أن تكون المراقبة عبر الإنترنت مفيدة عندما تدعم استجابة صيانة محددة. إذ يمكن لدرجة حرارة الزيت وتقديرات النقطة الساخنة للملف وبيانات الغاز المذاب والرطوبة وحالة العوازل وعدد عمليات OLTC وحالة التبريد أن تحدد المشكلات الناشئة، لكن الأجهزة من دون ملكية للإنذارات وعتبات وإجراءات استجابة تضيف قيمة تشغيلية قليلة. وينبغي دمج مراقبة الحالة في SCADA للمحطة وخطة الصيانة منذ البداية.

لذلك فإن أقوى قرار اختيار هو القرار القابل للتتبع: يتبع التصنيف نطاق واجب الشبكة؛ وتتبع المعاوقة والنقرات دراسات نظام القدرة؛ وتتبع توصيلات الملفات متطلبات التأريض والحماية؛ ويتبع التصميم الحراري وتصميم السائل ظروف الموقع ودورات التشغيل؛ وتعكس الاختبارات واللوجستيات وقطع الغيار مخاطر انقطاع المشروع. وهذا التوافق أكثر قيمة من اختيار محول استناداً إلى الجهد الاسمي وMVA وحدهما.