دليل كامل لأعطال الجهد الزائد في محطات الطاقة الشمسية: الأسباب، المخاطر، والحلول المنظمة

I. ما هو خطأ فائض الجهد الشبكي؟

يشير فائض الجهد الشبكي إلى ظاهرة في الأنظمة الكهربائية أو الدوائر حيث يتجاوز الجهد النطاق الطبيعي للعمل.

عادةً، تحت تردد الطاقة، إذا ارتفع قيمة الجذر التربيعي المتوسط (RMS) للجهد المتردد بنسبة أكثر من 10% فوق القيمة المحددة واستمر لمدة تزيد عن دقيقة واحدة، يمكن اعتباره خطأ فائض جهد الشبكة.

على سبيل المثال، في نظام الشبكة ثلاثي الأطوار الشائع في الصين بجهد 380 فولت، إذا تجاوز الجهد 418 فولت واستمر لفترة معينة، فقد يؤدي ذلك إلى حدوث خطأ فائض جهد الشبكة.

في محطات الطاقة الشمسية (PV)، تكون المحولات المتصلة بالشبكة مسؤولة عن رصد الجهد الشبكي بشكل فوري.

عادة ما تكون المحولات مزودة بأجهزة استشعار عالية الدقة لجمع إشارات الجهد الشبكي الفعلية. تقوم هذه الأجهزة بنقل الإشارات المسجلة لنظام تحكم المحول، والذي يقوم بتحليل ومعالجة هذه الإشارات لتحديد ما إذا كان الجهد الشبكي ضمن النطاق المحدد.

بمجرد اكتشاف أن الجهد الشبكي يتجاوز النطاق الآمن المحدد، سيتم تفعيل المحول على الفور لآليات الحماية وإيقاف التشغيل وفصله عن الشبكة لمنع فائض الجهد من تلف المعدات والتأكد من سلامة المعدات والمشغلين.

بالإضافة إلى ذلك، في بعض محطات الطاقة الشمسية الكبيرة، يتم تركيب أجهزة مراقبة جودة الطاقة المخصصة لمراقبة شاملة وفورية لمختلف معلمات الشبكة، مما يتيح الكشف والتعامل الفوري مع مشاكل جودة الطاقة مثل فائض الجهد.

II. أسباب أخطاء فائض الجهد

(1) عوامل الخط: تأثير مقاومة الكابل

يلعب الكابلات بين المحول ونقطة الاتصال بالشبكة دورًا رئيسيًا في نقل الطاقة.

إذا كان الكابل رقيقًا جدًا، فإن مقاومته تزداد. وفقًا لقانون أوم (U = I×R)، مع تيار ثابت، تؤدي المقاومة الأعلى إلى انخفاض جهد أكبر، مما يرفع الجهد المتردد على جانب المحول.

كما أن الكابلات الطويلة جدًا تزيد أيضًا من المقاومة، مما يتسبب في مشاكل مماثلة في ارتفاع الجهد. على سبيل المثال، في محطات الطاقة الشمسية في المناطق النائية حيث تكون نقطة الاتصال بالشبكة بعيدة، استخدام كابلات ذات مواصفات غير مناسبة يمكن أن يؤدي بسهولة إلى أخطاء فائض الجهد بسبب زيادة مقاومة الكابل.

إذا كانت الكابلات متشابكة، فإن دوامها تزداد. في الدوائر المتناوبة، تعيق الدوام تدفق التيار، مما يزعج توزيع الجهد وقد يؤدي إلى فائض الجهد.

أخطاء التوصيل

خلال التركيب الأولي لمحطة الطاقة الشمسية، قد يؤدي توصيل كابلات التيار المتناوب بشكل خاطئ (مثل توصيل الطرف المحايد بالطرف الحي) إلى جهد غير طبيعي. هذا قد يؤدي إلى اكتشاف المحول لجهد لا يتطابق مع الجهد الحقيقي للشبكة، مما يثير آلية حماية فائض الجهد.

بعد فترة من تشغيل المحول، يمكن أن يؤدي توصيلات الكابلات الجانبية للشبكة الفضفاضة أو السيئة إلى زيادة مقاومة الاتصال. وفقًا لقانون جول (Q = I²Rt، حيث Q هو الحرارة، I هو التيار، R هو المقاومة، و t هو الوقت)، تولد مقاومة الاتصال الأعلى حرارة أكبر، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة المحلية. هذا يضر بالأداء الكهربائي للخط، مما يسبب زيادة مؤقتة في جهد المحول ويثير خطأ فائض الجهد.

(2) عوامل هيكل الشبكة وحمل الشبكة: صراع بين قدرة الشبكة على استيعاب الحمل

في بعض المناطق، خاصة المناطق الريفية النائية أو المناطق التي تحتوي على بنية تحتية للشبكة غير متطورة، تكون قدرة الشبكة على استيعاب الحمل محدودة. عندما يكون السعة المثبتة لمحطات الطاقة الشمسية في نفس منطقة التوزيع كبيرة جدًا، يتم ضخ كمية كبيرة من الطاقة الشمسية المولدة في الشبكة. إذا لم تستطع الشبكة امتصاص هذه الطاقة بشكل فعال وفي الوقت المناسب، سيزداد جهد الشبكة.

مشاكل المرشحات

تلعب المرشحات دورًا حاسمًا في تحويل الجهد وتوزيع الطاقة في الشبكة:

إذا كانت المرشحة بعيدة عن نقطة الاتصال بالشبكة، عادة ما يتم رفع الجهد الخارج منها لتعويض خسارة الجهد الخطي وضمان الجهد الطبيعي في المناطق البعيدة عن المرشح. ومع ذلك، قد يؤدي هذا إلى زيادة الجهد عند نقطة الاتصال بالشبكة القريبة من المرشح.

إعدادات التوصيل غير المنطقية للمرشح أو الأعطال التشغيلية (مثل التواصل السيء للتوصيلات) يمكن أن تؤثر على نسبة اللفات للمرشح، مما يؤدي إلى ارتفاع غير طبيعي في الجهد الخارج وتسبب خطأ فائض الجهد الشبكي.

(3) العوامل المتعلقة بالمحول: الإعدادات الأولية والأعطال التشغيلية

يتركز المحولات بمدى حماية جهد افتراضي. في التطبيقات العملية، إذا لم يكن هذا النطاق المحدد متوافقًا مع الظروف المحلية للشبكة الفعلية، فقد يحدث خطأ في الحكم. على سبيل المثال، إذا تذبذب جهد الشبكة ضمن نطاق طبيعي ولكن عتبة حماية الجهد للمحول محددة بمستوى منخفض جدًا، سيقوم المحول بالإبلاغ بشكل متكرر عن أخطاء فائض الجهد.

خلال التشغيل طويل الأمد، قد يواجه المحولات أعطالًا في الأجهزة (مثل دوائر العينة التالفة، وألواح التحكم المعيبة). هذه الأعطال تؤدي إلى اكتشاف غير دقيق لجهد الشبكة بواسطة المحول، مما يؤدي إلى تنشيط خاطئ لآلية حماية فائض الجهد وإيقاف المحول.

مشكلات الاتصال المتعدد للمحولات

في محطات الطاقة الشمسية الكبيرة، غالبًا ما يتم توصيل العديد من المحولات بالشبكة في وقت واحد. إذا تم تجميع عدة محولات أحادية الطور على طور واحد، سيكون التيار على هذا الطور مرتفعًا جدًا، مما يؤدي إلى عدم توازن جهد الشبكة وارتفاع جهد هذا الطور.

III. مخاطر أخطاء فائض الجهد على محطات الطاقة الشمسية والشبكة

(1) تلف معدات محطات الطاقة الشمسية: زيادة مخاطر أعطال المحول

عندما يكون جهد الشبكة أعلى من الجهد الطبيعي، تحمل المكونات الإلكترونية داخل المحول جهدًا يتجاوز قيمتها المحددة، مما يسرع عملية الشيخوخة أو حتى يتسبب في تلف مباشر.

على سبيل المثال، تواجه أجهزة التبديل القوية في المحولات (مثل IGBTs، الترانزستورات ثنائية القطبية المعزولة) زيادة في الضغط الجهد أثناء التشغيل والإطفاء تحت ظروف فائض الجهد، مما يجعلها عرضة للانهيار ويجعل المحول غير قابل للتشغيل.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتسبب فائض الجهد في أعطال في دائرة تحكم المحول، مما يضعف قدرته على التحكم بدقة في الجهد والتيار الخارجيين ويقلل من أداء المحول ومصداقيته.

تقصير عمر الوحدات الشمسية

يمكن أن يتم تغذية جهد الشبكة العالي جدًا إلى جانب الوحدات الشمسية عبر المحول، مما يزيد من الجهد العملي للوحدات. التشغيل الطويل الأمد للوحدات الشمسية تحت جهد عالي يمكن أن يغير أداء المواد شبه الموصلية الداخلية لها، مما يؤدي إلى مشاكل مثل النقاط الساخنة والشقوق الدقيقة.

(2) تأثير على استقرار الشبكة: تدهور جودة الطاقة

يفسد فائض جهد الشبكة جودة الطاقة ويسبب تلوث التوافقي. عندما يتجاوز الجهد النطاق الطبيعي، تولد الأحمال غير الخطية في النظام الكهربائي تيارات توافقي إضافية، مما يزعج جهد الشبكة بشكل أكبر، مما يخلق دورة مفرغة. يزيد التوافقي من إنتاج الحرارة في المعدات الكهربائية ويقلل من العمر التشغيلي وقد يتدخل في التشغيل الطبيعي لأنظمة الاتصالات، مما يضعف الاستقرار العام للنظام الكهربائي.

(3) خسارة توليد الطاقة وتقليل الفوائد الاقتصادية: إيقاف المحول وتشغيله بقدرة أقل

عندما يكتشف المحول فائض جهد الشبكة، فإنه يوقف التشغيل للحماية أو يعمل بقدرة أقل لضمان سلامة المعدات. يؤدي إيقاف المحول إلى توقف محطة الطاقة الشمسية تمامًا عن توليد الكهرباء، مما يؤدي إلى خسارة مباشرة في توليد الطاقة.

زيادة تكاليف التشغيل والصيانة طويلة الأمد

يتطلب تلف معدات محطات الطاقة الشمسية (مثل المحولات والوحدات الشمسية) بسبب أخطاء فائض الجهد إصلاحًا واستبدالًا فوريًا. هذا ليس فقط يزيد من تكاليف الإصلاح قصيرة الأمد ولكنه أيضًا يتطلب استبدال المعدات بشكل أكثر تواترًا في المستقبل بسبب تقصير العمر التشغيلي، مما يزيد من تكاليف التشغيل والصيانة طويلة الأمد.

IV. حلول فعالة لأخطاء فائض الجهد

(1) التخطيط والتصميم الأمثل قبل البناء: استطلاع شامل للشبكة وتقييم

في مرحلة ما قبل البناء لمحطة الطاقة الشمسية، يجب إجراء استطلاع شامل وتفصيلي للشبكة المحلية. يجب فهم المعلمات الرئيسية مثل هيكل الشبكة والقدرة وظروف الحمل ومدى تقلب الجهد بشكل كامل. يجب استخدام برامج تحليل الطاقة المهنية لمحاكاة وتحليل التأثير المحتمل لمحطة الطاقة الشمسية على الشبكة بعد الاتصال بها.

على سبيل المثال، يمكن أن تستخدم أدوات مثل PSCAD (برنامج تصميم الأنظمة الكهربائية) أو ETAP (برنامج تحليل الترانزيانت الكهربائية) لمحاكاة تغييرات جهد الشبكة تحت سعات مختلفة من الطاقة الشمسية وأماكن الاتصال وطرق الاتصال. هذا يساعد في تحديد خطة بناء محطة الطاقة الشمسية الأكثر منطقية، ويضمن جهد صحي عند نقطة الاتصال بالشبكة، ويقلل من خطر أخطاء فائض الجهد من المصدر.

التخطيط المنطقي للقدرة المثبتة للطاقة الشمسية

بناءً على قدرة الشبكة على استيعاب الحمل وسعة المرشح، يجب التخطيط للقدرة المثبتة لمحطة الطاقة الشمسية بشكل منطقي. تجنب تركيز المعدات الشمسية بشكل كبير في نفس منطقة التوزيع لمنع ارتفاع الجهد الناجم عن الطاقة الشمسية الزائدة التي لا تستطيع الشبكة امتصاصها.

تحسين طرق توصيل المحولات

للمحطات الشمسية التي تحتوي على عدة محولات، يجب تحسين طريقة توصيل المحولات. تجنب تجميع عدة محولات أحادية الطور على طور واحد؛ بدلاً من ذلك، وزعها بالتساوي عبر الأطوار الثلاثة للشبكة لتحقيق الاتصال متعدد النقاط. هذا يحقق توازن التيار الثلاثي ويقلل من عدم توازن الجهد وارتفاعه الناجم عن التيار الأحادي الطور الزائد.

(2) اختيار المعدات وتثبيتها ومواصفات التشغيل: استخدام الكابلات عالية الجودة والتوصيل المنطقي

في بناء محطات الطاقة الشمسية، يجب استخدام كابلات عالية الجودة تتوافق مع المعايير الوطنية. يجب اختيار مواصفات الكابلات ومساحة المقطع العرضي بناءً على القوة الناقلة الفعلية والمسافة.

للاتصال بالشبكة على مسافات طويلة، يتطلب الأمر مقطعًا عرضيًا أكبر لكابلات لتقليل مقاومة الخط وهبوط الجهد.

في الوقت نفسه، يجب أن يكون التوصيل منطقيًا لتجنب الكابلات الطويلة والمتشابكة أو الملتوي بشكل غير ضروري. أثناء التوصيل، يمكن استخدام أحواض الكابلات أو الأنابيب لحماية وتنظيم الكابلات، مما يضمن التشغيل الآمن للخطوط.

على سبيل المثال، في محطات الطاقة الشمسية الكبيرة، يمكن اعتماد وضعية مد الكابلات تحت الأرض، ويمكن تخطيط مسارات الكابلات بشكل منطقي لتقليل طول الكابلات والتقاطعات، مما يحسن كفاءة نقل الطاقة ويقلل من احتمالية أخطاء فائض الجهد.

اختيار وتثبيت المحولات بدقة

عند اختيار المحولات، يجب الأخذ في الاعتبار الظروف المحلية للشبكة. يجب اختيار المحولات ذات نطاق جهد واسع وميزات حماية فائض الجهد الموثوقة وكفاءة تحويل الطاقة العالية.

خلال التثبيت، تأكد من توصيل المحول بالتيار المتناوب بشكل صحيح لتجنب الجهد الغير طبيعي الناجم عن تبادل الأسلاك الحي والمحايد.

تكوين وصيانة المرشحات بشكل منطقي

يجب اختيار المرشحات ذات أداء تنظيم الجهد الجيد لتمكنها من التعديل الفوري عند تذبذب جهد الشبكة. في الوقت نفسه، يجب تعزيز الصيانة اليومية والرقابة على المرشحات. يجب فحص معلمات المرشحات مثل التوصيلات والتقويسات ومستوى الزيت بشكل منتظم للتأكد من التشغيل الطبيعي للمرشح.

للمرشحات البعيدة عن نقطة الاتصال بالشبكة، يمكن استخدام توصيلات التغيير تحت الحمل لتحقيق التعديل الفوري لجهد الخرج من خلال التحكم عن بعد، مما يضمن أن يظل الجهد عند نقطة الاتصال بالشبكة ضمن النطاق الطبيعي.

(3) الرصد التشغيلي والاستراتيجيات التنظيمية الذكية: إنشاء نظام رصد فوري

يجب إنشاء نظام رصد فوري شامل لمحطة الطاقة الشمسية لمراقبة معلمات الشبكة مثل الجهد والتيار والقوة والتواتر بشكل فوري. تقوم الأجهزة المستشعرة المثبتة عند نقطة الاتصال بالشبكة ونهاية خرج المحول والوحدات الشمسية بإرسال البيانات المسجلة إلى مركز الرصد بشكل فوري. يتم استخدام منصات تحليل البيانات الكبيرة والحوسبة السحابية لتحليل ومعالجة بيانات الرصد، مما يمكّن من الكشف الفوري عن الشذوذ مثل فائض الجهد.

على سبيل المثال، من خلال تحديد عتبة إنذار مبكرة لفائض الجهد، يقوم النظام بإرسال تنبيه آلي عند اقتراب جهد الشبكة المراقب أو تجاوز العتبة، مما يذكر فريق التشغيل والصيانة باتخاذ تدابير في الوقت المناسب لمنع الأعطال.

الصيانة الدورية وحل الأعطال

يجب وضع خطة صيانة دورية صارمة لمحطة الطاقة الشمسية لإجراء فحوصات دورية وصيانة وترميم للمعدات.

يجب فحص حالة تشغيل المعدات مثل المحولات والوحدات الشمسية والكابلات والمرشحات بشكل منتظم لتحديد وإصلاح مخاطر الأعطال المحتملة في الوقت المناسب. أثناء الصيانة، يجب اختبار وتسجيل معلمات المعدات ومقارنة البيانات التاريخية لتحليل اتجاهات تشغيل المعدات وتوقع الأعطال المحتملة مسبقًا.