كيف يؤثر محول طاقة الرياح على جودة الطاقة للنظام المتصل به؟

هذا سؤال أسمعه من مطوري مزارع الرياح ومهندسي المرافق أكثر من أي شخص آخر. ومن المنطقي أن يركز الجميع على التوربينات والعاكسات، لكن المحول يقع مباشرة عند الواجهة بين التوليد والشبكة. إنه ليس لاعبًا سلبيًا. إنها تشكل ما تراه الشبكة.

دعونا نتحدث عن ما يعنيه ذلك فعليًا بالنسبة لجودة الطاقة.

فهم محولات الرياح-ما يفعلونه في الواقع

أولاً، قم بإجراء فحص سريع للواقع حول ما هي هذه المحولات وما هي ليست كذلك. يقوم محول الرياح برفع الجهد من خرج التوربين - عادة 690 فولت أو بضعة كيلو فولت - إلى جهد نظام التجميع، غالبًا 34.5 كيلو فولت أو أعلى. هذه هي وظيفتها الأساسية. ولكن من خلال القيام بذلك، فإنه يتفاعل مع جودة الطاقة بطرق مهمة.

المحول لا يولد مشاكل في جودة الطاقة. ولكنها يمكن أن تجعلها أسوأ أو تساعد في التخفيف منها، اعتمادًا على كيفية تصميمها وتطبيقها.

المساهمات الإيجابية-ما يفعله المحول الجيد

تحويل الجهد وواجهة النظام

هذه هي الوظيفة الأساسية، ومن الجدير بالذكر بوضوح: أن المحول يمكّن محطة الرياح من الاتصال بالشبكة على الإطلاق. وبدون ذلك، فإن عدم تطابق الجهد سيجعل التكامل مستحيلا. يقوم المحول المحدد بشكل صحيح بمطابقة خرج التوربين مع نظام التجميع ونظام التجميع إلى نقطة التوصيل البيني.

لكن "تنظيم الجهد" بالمعنى النشط - المحول لا ينظم أي شيء من تلقاء نفسه. يتحول وفقا لنسبة دوراته. يأتي التنظيم الحقيقي من مبدلات الصنبور، وأنظمة التحكم في الجهد، وقدرة الطاقة التفاعلية من العاكسات. ويتمثل دور المحول في توفير الواجهة الصحيحة لكي تعمل تلك الأنظمة.

العزلة الكلفانية - كسر المسارات الإشكالية

هذه واحدة من مساهمات المحولات الأكثر قيمة. توفر اللفات عزلًا كلفانيًا بين جانب التوربين وجانب الشبكة. وهذا يعني أن إزاحات التيار المستمر من العاكس - وهناك دائمًا بعض الإزاحات - لا يتم حقنها في الشبكة. تجد جهود الوضع المشترك مسار عودة من خلال المحول المؤرض المحايد بدلاً من الانتشار عبر الشبكة.

يحظر العزل أيضًا المسارات الحالية ذات التسلسل الصفري. في محول دلتا واي، يحبس ملف دلتا التيارات ذات التسلسل الصفري من جانب الشبكة، مما يمنعها من الدوران عبر معدات التوربين. هذه فائدة حقيقية لجودة الطاقة.

المعاوقة-السيف ذو الحدين

كل محول لديه ممانعة، وهي المعارضة المتأصلة لتدفق التيار. هذه المعاوقة تحد من تيار الخلل، وهو أمر جيد. ولكنه يخلق أيضًا انخفاضًا في الجهد تحت الحمل. عندما تقوم محطة الرياح بتصدير الطاقة، تؤدي هذه المعاوقة إلى ارتفاع الجهد عند نقطة التوصيل البيني. عندما يستورد المصنع الطاقة التفاعلية، فإنه يسبب انخفاض الجهد.

وهذا ليس جيدًا أو سيئًا بطبيعته. إنها خاصية يجب مراعاتها في دراسات النظام. قد يؤدي المحول ذو المعاوقة المنخفضة جدًا إلى تمرير تيار خطأ زائد. قد تؤدي المعاوقة العالية جدًا إلى جعل التحكم في الجهد أمرًا صعبًا. يتطلب الحصول على الأمر بشكل صحيح مطابقة المحول للتطبيق المحدد.

التحديات - حيث تتعقد الأمور

التوافقيات-مساهمة العاكس

تستخدم توربينات الرياح الحديثة محولات الطاقة الإلكترونية. تولد هذه المحولات تيارات توافقية بترددات تعد من مضاعفات التردد الأساسي. يعتمد الطيف الدقيق على طوبولوجيا المحول واستراتيجية التبديل.

المحول لا يخلق هذه التوافقيات، لكنه يتفاعل معها بطرق مهمة. على سبيل المثال، يوفر ملف دلتا مسارًا للتوافقيات الثلاثية (الثالث والتاسع والخامس عشر) للتداول، وهو ما يمكن أن يكون مفيدًا لأنه يبقيهم خارج الشبكة. لكن تلك التيارات المنتشرة لا تزال تسبب خسائر وسخونة في المحول.

والأهم من ذلك، أن محاثة المحول تتحد مع سعة النظام - بما في ذلك سعة الكابل وأي مكثفات تصحيح معامل القدرة - لخلق ظروف الرنين. إذا اصطف التردد التوافقي مع تردد الرنين، يحدث التضخيم. يمكن أن تصبح الفولتية والتيارات عند هذا التوافقي أكبر بكثير مما يوحي به المصدر.

يبدأ التخفيف بفهم هذه التفاعلات أثناء التصميم. يجب اختيار ممانعة المحول، وتكوين الملف، وأي ترشيح متكامل مع أخذ الطيف التوافقي المتوقع في الاعتبار. في بعض الحالات، تكون المرشحات التوافقية الخارجية ضرورية. وفي حالات أخرى، يمكن لممانعة المحول المختارة جيدًا أن تحول ترددات الرنين بعيدًا عن التوافقيات المثيرة للمشاكل.

Inrush Current-حدث التنشيط

في كل مرة تقوم فيها بتنشيط محول، فإنه يسحب تيار تدفق ممغنط يمكن أن يصل إلى 8 إلى 12 مرة تيار الحمل الكامل لبضع دورات. بالنسبة لمحول كبير لمحطة الرياح، يعد هذا حدثًا مهمًا. فهو يتسبب في انخفاض الجهد الذي يمكن أن يؤثر على الأجهزة الأخرى المتصلة بنفس الناقل.

تعتمد الشدة على النقطة الموجودة على موجة الجهد عند إغلاق القاطع، والتدفق المتبقي في القلب، وتصميم المحول. تتمتع المحولات الحديثة ذات النواة الفولاذية المحسنة بإمكانية تدفق أعلى لأن الخواص المغناطيسية الأفضل تعني فجوة هوائية أقل في القلب.

يعد التبديل المتحكم فيه - إغلاق الكسارة عند النقطة المثالية على الموجة - أحد وسائل التخفيف. والآخر هو ببساطة قبول حدوث التدفق والتأكد من أن تنسيق الحماية يسمح بذلك دون رحلات مزعجة. نحن نقدم بيانات تدفق مفصلة مع كل محول حتى تتمكن دراسات النظام من حسابها.

وميض-مساهمة الريح

الرياح متغيرة. يؤدي هذا التباين إلى تقلب طاقة خرج التوربين، مما يسبب تقلبات الجهد عند نقطة الاتصال. إذا كانت تلك التقلبات عند ترددات معينة، فإنها تسبب وميضًا - وهو التغير الملموس في شدة الإضاءة.

لا يسبب المحول وميضًا، لكن ممانعته تحدد مقدار تقلب الطاقة المعطى الذي يترجم إلى تقلب الجهد. المعاوقة المنخفضة تعني تغييرات أصغر في الجهد لنفس اختلاف الطاقة. وهذا أحد أسباب تحديد المحولات ذات المعاوقة المنخفضة أحيانًا لتطبيقات الرياح.

ولكن هناك مقايضة. تعني المعاوقة المنخفضة تيارًا أعلى للخطأ وربما يكون تنسيق الحماية أكثر صعوبة. يعمل الاختيار الصحيح على موازنة أداء الوميض مع متطلبات النظام الأخرى.

ما يهم فعلا في اختيار المحولات

عندما يسألني أحدهم عن كيفية اختيار محول لمشروع طاقة الرياح، أقول له أن ينظر إلى ما هو أبعد من التقييمات الأساسية.

مقاومة. يؤثر هذا على تنظيم الجهد ومستويات الخطأ ومساهمة الوميض. يجب أن يكون مناسبًا للتطبيق المحدد.

تكوين لف. تعتبر دلتا واي شائعة، لكن الاختيار يؤثر على السلوك التوافقي والتأريض. يحدد اتصال الملف الثانوي (جانب الشبكة) كيفية تفاعل المصنع مع نظام التأريض.

التصميم الأساسي. تعد نوى الخسارة المنخفضة فعالة، ولكنها يمكن أن تؤثر على خصائص التدفق. المقايضات مهمة.

مُكَمِّلات. جلبة CTs للقياس والحماية. مانعات الصواعق مدمجة في المحول أو يتم توفيرها بشكل منفصل. مراقبة الأحكام إذا كان المصنع يحتاج إليها.

اختبار. ليست مجرد اختبارات روتينية، بل اختبارات خاصة إذا كان التطبيق يتطلبها - ارتفاع درجة الحرارة، ومستوى الصوت، وتحمل الدائرة القصيرة.

ما نراه في الميدان

لقد شاهدت هذه الصناعة تتطور على مدى سنوات من توريد المحولات لمشاريع طاقة الرياح. كانت الأيام الأولى أكثر بساطة، حيث يمكنك استخدام محول توزيع قياسي، ووضعه في حاوية مثبتة على الوسادة، ثم إنهاء العمل به. هذا لا يعمل بعد الآن.

تعمل محطات الرياح الحديثة على دفع المحولات بقوة أكبر. تيارات أعلى، ومحتوى أكثر توافقيًا، ومتطلبات كود الشبكة أكثر صرامة. المحولات التي تكافح هي تلك التي تم تصميمها دون أخذ تلك الحقائق في الاعتبار.

تم تصميم تلك التي تؤدي أداءً جيدًا مع تكوينات متعرجة تتعامل مع التوافقيات والممانعات المختارة لنظام التجميع المحدد وهامش كافٍ للبقاء على قيد الحياة العابر الذي يحدث حتمًا.

الخط السفلي

محول الرياح ليس مجرد جهاز لزيادة الجهد. إنها الواجهة بين مصدر الطاقة الإلكترونية المتغير والشبكة. فهو يشكل الجهد، ويصفي التوافقيات، ويحد من تيار الخلل، ويؤثر على كيفية تفاعل المصنع مع الشبكة.

قم بذلك بشكل صحيح، وهو يفعل كل هذه الأشياء دون أن يلاحظها أحد. إذا أخطأت في ذلك، يصبح هذا هو السبب وراء عدم تمكن المصنع من الوفاء بالتزامات كود الشبكة الخاصة به أو تعرضه لانقطاعات متكررة.

إذا كنت تعمل في مشروع طاقة الرياح وترغب في التحدث عن اختيارات المحولات - اختيار المعاوقة، وتكوينات الملفات، ومتطلبات الاختبار - فأنا سعيد بإجراء هذه المحادثة. التفاصيل مهمة أكثر مما تظهره الكتالوجات.

مراجع

• IEC 60076-6، محولات الطاقة – الجزء 6: المفاعلات.
• IEEE Std C57.159، دليل IEEE لتطبيق المحولات في مزارع الرياح.
• كتيب CIGRE الفني 770، تفاعل المحولات مع محولات الطاقة الإلكترونية.