ما هي مزايا محولات ذات ملفات منقسمة في محطات الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة؟

الطاقة الشمسية، كمصدر نظيف ومتجدد للطاقة، هي أحد مصادر الطاقة الجديدة المدعومة في الصين. لديها احتياطيات نظرية وفيرة (17,000 مليار طن من الفحم القياسي سنوياً) وقوة تطوير هائلة. كانت توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية تعمل أساساً خارج الشبكة في المناطق النائية، ولكنها الآن تتطور بسرعة نحو التكامل مع المباني والمشاريع الكبيرة المتصلة بالشبكة في الصحراء.

يتناول هذا البحث المحولات ذات اللفائف المنفصلة في محطات توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية المتصلة بالشبكة من خلال التحليل النظري وحالات الهندسة.

1 خصائص الدائرة الرئيسية لمحطات توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية المتصلة بالشبكة

تتعلق الدائرة الرئيسية لمحطات توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية بشكل وثيق بتوزيع المعكوسات: تتناسب المعكوسات الموزعة مع المشاريع المتكاملة مع المباني، بينما يفضل استخدام المعكوسات المركزية في محطات الطاقة الشمسية الصحراوية (لتحقيق كفاءة إنتاج الطاقة المثلى تحت الإضاءة الموحدة عبر تتبع نقطة القوة القصوى المركزي - MPPT).

ومع ذلك، فإن زيادة عدد الأشرطة أو سعة المعكوسات ليس دائماً مفيداً - يجب النظر في المسافة الكابلية وهبوط الجهد ونسبة التكلفة إلى الأداء. وبالتالي، يتم تحديد أطوال الكابلات من الأشرطة إلى صناديق الجمع إلى المعكوسات وأماكن كتل الخلايا الضوئية بنسب العائد على الاستثمار. من أجل التحسين الاقتصادي، تتراوح سعة المعكوسات المركزية عادةً بين 500 كيلوواط إلى 630 كيلوواط.

تقوم محطات توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية المتصلة بالشبكة بشكل أساسي باعتماد ثلاثة أنظمة رئيسية للدائرة الرئيسية (كما هو موضح في الشكل 1). نظام الوحدة الواحدة (مع المحولات المرتفعة الجهد) بسيط ولكنه يتطلب عددًا كبيرًا من المحولات. نظام الوحدات الكبيرة (المدمجة مع المحولات المرتفعة الجهد) هو التصميم الرئيسي، حيث يحقق التوازن بين التكلفة والكفاءة بشكل فعال.

يتناول هذا البحث مزايا استخدام المحولات ذات اللفائف المنفصلة للتوصيل بوحدة موسعة. مقارنة بالمحولات ذات اللفائف المزدوجة العادية، تتكون كل مرحلة من محول ذو لفائف منفصلة مزدوجة من لفيفة واحدة عالية الجهد ولفيفتين منخفضتي الجهد. تمتلك اللفائف المنخفضة الجهد نفس الجهد والسعة ولكن لها فقط تشابك مغناطيسي ضعيف بينهما، كما هو موضح في الشكل 2.

عادة ما يكون لهذا المحول ثلاث طرق عمل: العمل المستمر، العمل نصف المستمر، والعمل المنفصل. عندما يتم توازية عدة فروع من اللفائف المنفصلة ليشكلوا لفيفة منخفضة جهد كاملة تعمل ضد اللفيفة عالية الجهد، يُطلق عليه العمل المستمر، ويسمى المقاومة القصيرة للمحول المقاومة المستمرة X_{1 - 2.} عندما يعمل فرع واحد من اللفائف المنخفضة الجهد المنفصلة ضد اللفيفة عالية الجهد، يُطلق عليه العمل نصف المستمر، وتسمى المقاومة القصيرة المقاومة نصف المستمرة X_{1 - 2'}. عندما يعمل فرع واحد من اللفائف المنفصلة ضد فرع آخر، يُطلق عليه العمل المنفصل، وتسمى المقاومة القصيرة المقاومة المنفصلة X_{2 - 2'}.

2 مزايا المحولات ذات اللفائف المنفصلة

من أجل تسهيل المناقشة، يتم الاستشهاد بمعايير المنتجات الناضجة للمقارنة الكمية مع المحولات ذات اللفائف المزدوجة العادية. خذ على سبيل المثال محول ذو لفائف منفصلة بسعة 2500 كيلوفولت أمبير: 37 ± 2×2.5% / 0.36 كيلوفولت / 0.36 كيلوفولت، 50 هرتز، نسبة المفاعلات القصيرة 6.5%، نسبة المفاعلات الكاملة المستمرة 6.5%، نسبة المفاعلات نصف المستمرة 11.7%，分隔绕组变压器的分裂系数小于3.6%。计算得出： 全贯通电抗：\(X_{1 - 2} = X_1 + X_2 // X_2\) 半贯通电抗：\(X_{1 - 2'} = X_1 + X_2\) 每单位值： 高压侧分支电抗： \[ \text{[此处插入图片]} \] 低压侧分支电抗： \[ \text{[此处插入图片]} \] ### 2.1 减少短路电流 在图2中的\(d_1\)处发生短路时，短路电流有三个分量：来自系统的（高压侧，具有非衰减周期分量）、非故障支路\(I''_{p1}\)和故障支路\(I''_{p2}\)。对于故障支路的低压断路器，其开断容量考虑系统和非故障支路电流之和。使用分隔绕组变压器时： 系统提供的短路电流： \[ \text{[此处插入图片]} \] 逆变型分布式电源短路电流为额定电流的2-4倍（持续时间1.2-5毫秒，0.06-0.25周期），非故障支路电流约为4千安。对于普通双绕组变压器（为了可比性，假设\(u_k\% = 6.5\)，与分隔绕组变压器的全贯通电抗百分比\(u_{k1 - 2}\%\)相同）： 每单位电抗是： \[ \text{[此处插入图片]} \] 系统提供的短路电流是： \[ \text{[此处插入图片]} \] 还有来自非故障支路的额外贡献。显然，使用分隔绕组变压器进行扩展单元接线显著减少了对低压侧分支断路器开断容量的要求。 \[ \text{[此处插入图片]} \] 假设并联模块的参数完全相同，并且逆变器的MPPT控制参数相同。那么，\(C_1 = C_2 = C\)，\(L_1 = L_2 = L\)，每个逆变器的电感电流为： \[ \text{[此处插入图片]} \] 可以看出，每个逆变器的电感电流由两部分组成：第一部分是负载电流，两个逆变器相同；第二部分是环流，与逆变器输出电压的幅值、相位和频率差异有关。 目前，光伏电站中逆变器的主要控制逻辑是最大功率点跟踪（MPPT）。太阳能电池组件具有内部和外部电阻。当MPPT控制使这些电阻在某一时刻相等时，光伏组件在最大功率点运行。以图3为例，逆变器1输出的有功功率\(P_1\)和无功功率\(Q_1\)为： \[ \text{[此处插入图片]} \] ### 2.3 维持非故障支路电压 以图2和图3为例，光伏电站通常采用集中式逆变器-变压器布局，逆变器和变压器之间的电缆阻抗可以忽略不计。对于普通双绕组变压器，非故障支路的电压会降至零电位。在这种情况下，通常使用继电保护来延迟非故障支路断路器的操作，以减少故障切除范围。然而，这种方法可能无法满足光伏电站的保护要求。如果故障支路的切除时间超过逆变器的低电压穿越能力，非故障支路将被迫脱离电网，增加故障范围扩大的风险。 使用分隔绕组变压器时，由于存在分裂电抗，系统提供的短路电流相当于分隔绕组变压器的半贯通模式操作。非故障支路逆变器提供的短路电流相当于分隔绕组变压器的分裂操作模式。在短路瞬间，非故障支路逆变器的输出电压\(U''_2\)为\(I''_{s} \times X'_{2} + I''_{p2} \times (X''_{2} + X'''_{2})\)。由于高压侧是一个无限系统，根据之前的讨论，\(I''_{s}\)远大于\(I''_{p2}\)。因此，第一部分\(I''_{s} \times X'_{2}\)不会衰减并且大于第二部分\(I''_{p2} \times (X''_{2} + X'''_{2})\)。 计算表明，\(U''_2 > I''_{s} \times X'_{2} = 185 \, \text{V}\)。非故障支路逆变器的输出电压至少可以保持在约\(0.5U_n\)。根据光伏电站的低电压穿越要求，切除时间大于1秒（50个周期）。因此，使用分隔绕组变压器的扩展单元接线可以可靠地满足在故障支路断路器切除时间内非故障支路不脱离电网的要求。 ### 3 结论 分隔绕组变压器在工程中广泛应用，特别适用于并网光伏电站。如上所述，其主要优点在于减少短路电流、限制运行环流和维持非故障支路电压。本文基于工程设计实例，理论分析了其在光伏电站中的应用优势，为并网光伏电站项目的接线形式和设备选择提供了一定的指导意义。** **以下是翻译结果：**

يتم حساب المفاعلات الكاملة المستمرة كالتالي: \(X_{1 - 2} = X_1 + X_2 // X_2\)

يتم حساب المفاعلات نصف المستمرة كالتالي: \(X_{1 - 2'} = X_1 + X_2\)

القيم لكل وحدة:

المفاعلات الجانبية للجهد العالي:

المفاعلات الجانبية للجهد المنخفض:

2.1 تقليل التيار القصير

خلال حدوث قصر دارة في \(d_1\) في الشكل 2، يحتوي التيار القصير على ثلاثة مكونات: من النظام (الجهد العالي، مع مكونات دورية غير متدهورة)، فرع غير معيب \(I''_{p1}\)، وفرع معيب \(I''_{p2}\). بالنسبة للمفتاح القاطع للجهد المنخفض على الفرع المعيب، يعتبر قدرة القطع مجموع التيار من النظام وفرع غير المعيب. باستخدام محول ذو لفائف منفصلة:

التيار القصير المقدم من النظام:

التيار القصير لمصدر الطاقة الموزع من النوع المعكوس هو 2-4 مرات التيار المقنن (لمدة 1.2-5 ميلي ثانية، 0.06-0.25 دورة)، والتيار في فرع غير المعيب حوالي 4 كيلو أمبير. بالنسبة للمحول ذو اللفائف المزدوجة العادية (للقابلية للمقارنة، افترض \(u_k\% = 6.5\)، نفس نسبة المفاعلات الكاملة المستمرة للمحول ذو اللفائف المنفصلة \(u_{k1 - 2}\%\)):

المفاعلات لكل وحدة هي:

التيار القصير المقدم من النظام هو:

مع مساهمات إضافية من الأفرع غير المعيبة. بوضوح، استخدام المحولات ذات اللفائف المنفصلة للتوصيل بوحدة موسعة يقلل بشكل كبير من متطلبات قدرة القطع للمفاتيح القاطعة الجانبية للجهد المنخفض.

افترض أن معايير الوحدات المتوازية متطابقة تمامًا وأن معايير التحكم في MPPT للملحقات متطابقة. ثم \(C_1 = C_2 = C\)، \(L_1 = L_2 = L\)، والتيار في الملف لكل ملحق هو:

يمكن رؤية أن التيار في الملف لكل ملحق يتكون من جزأين: الأول هو تيار الحمل، وهو متطابق لكلا الملحقين؛ الثاني هو التيار الدائري، والذي يتعلق بفرق السعة والطور والتواتر بين الجهد الخارج من الملحقات.

في الوقت الحالي، تعتبر منطقية التحكم الرئيسية للملحقات في محطات الطاقة الشمسية تتبع نقطة القوة القصوى (MPPT). تمتلك وحدات الخلايا الشمسية مقاومة داخلية وخارجية. عندما يجعل التحكم في MPPT هذه المقاومات متساوية في وقت معين، تعمل وحدة الخلايا الشمسية عند نقطة القوة القصوى. كمثال على الشكل 3، تكون الطاقة النشطة \(P_1\) والطاقة غير النشطة \(Q_1\) الخارجة من الملحق 1 هي:

2.3 الحفاظ على الجهد للأفرع غير المعيبة

بأخذ الشكلين 2 و3 كمثال، تستخدم محطات الطاقة الشمسية عادةً تخطيطًا مركزيًا للملحقات والمحولات، ويمكن تجاهل المقاومة الكابلية بين الملحق والمحول. باستخدام محول ذو لفائف مزدوجة عادي، ينخفض الجهد لأفرع غير المعيبة إلى الصفر. في هذه الحالة، يتم عادةً استخدام حماية الانقطاع لتأخير تشغيل المفتاح القاطع للأفرع غير المعيبة لتقليل نطاق إزالة العطل. ومع ذلك، قد لا تلبي هذه الطريقة متطلبات الحماية لمحطات الطاقة الشمسية. إذا تجاوز وقت إزالة فرع العطل قدرة العبور من الجهد المنخفض للملحق، سيتم إجبار فرع غير المعيب على الانفصال عن الشبكة، مما يزيد من خطر توسيع نطاق العطل.

باستخدام محول ذو لفائف منفصلة، بسبب وجود مقاومة الانقسام، يكون التيار القصير المقدم من النظام مكافئًا للعمل في وضع نصف المستمر للمحول ذو اللفائف المنفصلة. التيار القصير المقدم من ملحق غير المعيب في الفرع يكون مكافئًا لوضع الانقسام للمحول ذو اللفائف المنفصلة. في لحظة القصر، يكون الجهد الخارجي \(U''_2\) لملحق غير المعيب \(I''_{s} \times X'_{2} + I''_{p2} \times (X''_{2} + X'''_{2})\). بما أن الجانب العالي الجهد هو نظام غير محدود، وفقًا للمناقشة السابقة، \(I''_{s}\) أكبر بكثير من \(I''_{p2}\). لذلك، الجزء الأول \(I''_{s} \times X'_{2}\) لا ينخفض ويكون أكبر من الجزء الثاني \(I''_{p2} \times (X''_{2} + X'''_{2})\).

تشير الحسابات إلى أن \(U''_2 > I''_{s} \times X'_{2} = 185 \, \text{V}\). يمكن الحفاظ على الجهد الخارجي لملحق غير المعيب على الأقل عند حوالي \(0.5U_n\). وفقًا لمتطلبات العبور من الجهد المنخفض لمحطة الطاقة الشمسية، يكون وقت الإزالة أكبر من 1 ثانية (50 دورة). وبالتالي، يمكن أن تلبي التوصيلات الوحدات الموسعة باستخدام محولات ذات لفائف منفصلة بشكل موثوق المتطلبات التي لا تنفصل الأفرع غير المعيبة عن الشبكة خلال وقت إزالة المفتاح القاطع لفرع العطل.

3 الخلاصة

تستخدم المحولات ذات اللفائف المنفصلة بشكل واسع في الهندسة، وهي خاصة مناسبة لمحطات توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية المتصلة بالشبكة. كما تم مناقشته أعلاه، تكمن مزاياها الرئيسية في تقليل التيار القصير، وتحديد التيار الدائري أثناء التشغيل، والحفاظ على الجهد للأفرع غير المعيبة. بناءً على أمثلة تصميم هندسي، يقوم هذا البحث بتحليل نظري لمزايا تطبيقها في محطات توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية، مما يوفر دلالات توجيهية معينة لاختيار أشكال التوصيل والمعدات في مشاريع محطات توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية المتصلة بالشبكة.