الحلول المتكاملة لمحولات محطات الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة: الاختيار والتصميم والتشغيل والصيانة الذكي

الحلول المتكاملة لمحولات محطات الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة: الاختيار والتصميم والصيانة الذكية​

​1 الوظائف الأساسية وتطور التكنولوجيا في محولات الطاقة الشمسية​
في أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة، تعمل المحولات كمركز حيوي لتحويل الطاقة، حيث يؤثر أداؤها بشكل مباشر على كفاءة المحطة واستقرار الشبكة. باستخدام مبدأ الاستقراء الكهرومغناطيسي، تقوم محولات الطاقة الشمسية بزيادة الجهد المنخفض للتيار المتردد من العاكس (عادة 380V-800V) إلى مستويات جهد متوسطة/عالية متوافقة مع الشبكة (10kV-35kV)، مما يسمح بنقل فعال على مسافات طويلة وتكامل آمن مع الشبكة. هذا التحويل في الجهد ضروري: تنتج الألواح الشمسية طاقة ذات جهد منخفض بعد العكس. بدون تحويل الزيادة، يمكن أن تتجاوز خسائر نقل الخطوط 20٪، مما يضر بشكل كبير بالجدوى الاقتصادية للمشروع.

​1.1 العزل الكهربائي وحماية السلامة​
تحتوي محولات الطاقة الشمسية الحديثة على آليات حماية متعددة الطبقات للسلامة الشاملة:

• ​العزل الكهربائي: يمنع المكونات المتبقية من التيار المستمر من العاكس لتجنب الانحياز المباشر في محولات الشبكة.
• ​حماية القصر الكهربائي: يتم تصميم المقاومة لتقييد تيار الخطأ إلى 5-8 أضعاف التيار المعين، مما يقلل من تلف المعدات.
• ​سلامة الحريق: بالنسبة للمحولات المغمورة بالزيت، تقلل زيوت العزل ذات نقطة الإشعال العالية (مثل زيت الأستر الطبيعي، >350°C) من مخاطر الحريق بنسبة تزيد عن 70٪ مقارنة بالزيوت المعدنية (~160°C)، وهي مثالية للمحطات البعيدة ذات الموارد المحدودة للإطفاء.

​1.2 تحسين جودة الطاقة​
تعمل محولات الطاقة الشمسية مباشرة على تحسين توافق الشبكة:

• ​قمع التوافقيات: المرشحات الديناميكية والم bobinages المتخصصة (مثل التصميم الثنائي التقسيم) تحد من التوافقيات عالية التردد (THD عادة <3٪).
• ​تخفيف التذبذبات الجهدية: يقوم On-Load Tap Changers (OLTC) بتعديل الجهد ديناميكيًا بمقدار ±10٪ للنقل على مسافات طويلة أو زيادة الحمل.
  بيانات العالم الحقيقي: قللت محطة سعودية بقدرة 200MW من تشوه الجهد في الشبكة من 4.2٪ إلى 1.8٪ بعد التحسين، مما قلل من وقت التوقف السنوي بنسبة 45٪.

​1.3 اتجاهات التكنولوجيا والابتكارات​
تتطور محولات الطاقة الشمسية من خلال ثلاثة ابتكارات رئيسية:

• ​محولات الحالة الصلبة (SST)​: تستبدل النواة الحديدية بإلكترونيات الطاقة، مما يحقق عزل عالي التردد (>5kHz) وتعويض الطاقة اللافعالة. تقلص الحجم بنسبة 50٪ مع استجابة بالملي ثانية.
• ​مقاومة التداخل عريضة النطاق: الدروع المغناطيسية والمقاومات الكابتورات تقلص الضوضاء الكهرومغناطيسية (1kHz-10MHz)، مما يعزز الاستقرار في الشبكات الضعيفة.
• ​التعويض الديناميكي التكيفي: تتبع الرصد الفعلي ويعدل عدد دوران اللفات بناءً على تغيرات مرحلة التيار، مما يعوض عن انخفاض الجهد (وقت الاستجابة <20ms).

​2 المعلمات الرئيسية للاختيار والاستراتيجيات الأمثلة​
يتطلب اختيار المحول حسابًا علميًا وتكيفًا مع السيناريو. تحدد المعلمات الأساسية كفاءة النظام وإعادة استثماره.

​2.1 تطابق القدرة والتصميم الاحتياطي​
القدرة (kVA) = القدرة المثبتة للطاقة الشمسية (kW) × عامل الاحتياطي، حيث يتضمن العامل:

• الاحتياطي الأساسي: 1.1× (للتيارات التوافقية/الحمولة الزائدة المؤقتة).
• التوسع المستقبلي: +0.1-0.15×.
• البيئة: +0.05× في المناطق ذات الحرارة العالية.
  دراسة حالة: تم اختيار محول جاف بقدرة 1250kVA لمشروع سطحي بقدرة 800kW باستخدام: 800 × (1.1 + 0.15) = 1000kVA. هذا التعديل يتعامل مع 1.3× من الحمل الزائد المؤقت عند الظهر ويدعم توسعًا بـ 200kW في السنة الثانية.

​2.2 التكيف الجهد وتكوين الطوبولوجيا​
يؤكد التحقق الثلاثي للجهد على الاستقرار:

1. الأساسي: الجانب ذو الجهد المنخفض (LV) يتطابق مع إخراج العاكس (±5٪ تحمل):
• نظام 380V → عاكس 400V
• نظام 660V → عاكس 630-690V
2. الثانوي: الجانب ذو الجهد العالي (HV) يتوافق مع معايير الشبكة:
• الصين: 10kV/35kV
• أوروبا/أمريكا الشمالية: 33kV
3. الفاز: اختيار مجموعة الاتصال:
• شبكة الجهد المنخفض: Ynd11 (تعويض فاز 30°)
• شبكة الجهد العالي: Dy11 (قمع التوافق الثالث)
  حالة الفشل: تخطى محطة فيتنامية بقدرة 20MW التحقق من الجهد (محول 380V/33kV + عاكس 400V)، مما تسبب في تقدم عمر العزل في غضون 8 أشهر وخسارة إيرادات بلغت 230 ألف دولار.

​2.3 السيطرة على الخسائر وأفضل استخدام لكفاءة​
تشكل المحولات 15-20٪ من خسائر المحطة. تشمل الاستراتيجيات:

• تقليل خسائر النواة: النواة من سبائك غير البلورية (مثل SG-B14) تقلل من خسارة عدم الحمل بنسبة 60٪، مما يوفر 42,000 كيلوواط ساعة سنويًا لمحول 1.25 MVA.
• التحكم في خسائر النحاس: لفائف النحاس (+3٪ موصلية) والتبريد السائل يقللان من خسارة الحمل بنسبة 12٪.
• وضع النوم الذكي: وضع الاستعداد الليلي التلقائي (قوة <0.5 كيلوواط).
  تحليل ROI: رغم أن النواة غير البلورية تكلف 30٪ أكثر، فإن نظام 1MW يحقق تكلفة خسائر سنوية أقل بنسبة 37٪، مع فترة استرداد أقل من 4 سنوات.

​3 التكيف البيئي وحماية السلامة​
تتطلب بيئات الانتشار المختلفة حلولًا قوية عبر المواد والهيكل والحماية.

​3.1 استراتيجيات بيئية خاصة​

• ارتفاع عالٍ (>2000m): عزل محسن (تحمل التردد الكهربائي +30٪) + مبردات مغلقة. قللت محطة في تبت على ارتفاع 3000 متر من ارتفاع درجة حرارة اللفائف بمقدار 15K.
• المناطق الساحلية ذات الرطوبة العالية والملح: الفولاذ المقاوم للصدأ 316L + طلاء ثلاثي (البوليمر الزنك، الطبقة الوسطى البولي يوريثين، الطبقة العليا الفلوروكربون) → تصنيف IP65. الختم الهيرمتيكي (<5٪ رطوبة) منع التآكل في بيئة رذاذ الملح 8mg/m³ لمدة 5 سنوات.
• الصحراء الرملية: مرشحات الهواء المتاهة (كفاءة 99.5٪) + مراوح ذات تنظيف ذاتي تمتد الصيانة إلى 6 أشهر. التحويل التلقائي إلى الدورة الداخلية أثناء العواصف الرملية.

​3.2 حماية الهيكل والابتكارات في التبريد​

• تصميم سطحي مدمج: قنوات هوائية عمودية (+25٪ مساحة تبريد) مع مراوح صامتة (<65dB).
• وحدات مثبتة على لوحة متكاملة: الجمع بين المحول والوحدة الرئيسية الحلقة والقياس (<8m² مساحة قاعدة)، مما يقلل من وقت التركيب بنسبة 70٪.
• التبريد بتغيير المرحلة: المواد القائمة على البارافين (نقطة ذوبان 70°C) في النقاط الساخنة تزيد من قدرة الحمل الزائد المستدام بنسبة 15٪.

​4 الصيانة الذكية وإدارة دورة الحياة​
تتحول صيانة محولات الطاقة الشمسية من "الفشل والإصلاح" إلى "التنبؤ والوقاية" باستخدام إنترنت الأشياء والبيانات الكبيرة.

​4.1 المراقبة الذكية والتشخيص​
مراقبة ثلاثية الطبقات:

1. المعلمات الأساسية: درجة حرارة اللفائف (±0.5°C الألياف الضوئية)، تحليل الغازات المتصاعدة (H₂, CH₄, C₂H₂)، طيف الاهتزاز (عينة 10kHz).
2. الحوسبة الحافة: التحليل المحلي يثير الحماية في <100ms.
3. منصة السحابة: يتطابق مع أكواد الأعطال (87٪ تغطية)، يتنبأ بالعمر الافتراضي (<5٪ خطأ)، يولد أوامر العمل تلقائيًا.
   حالة النجاح: قام نظام سطحي بقدرة 1MW بتجنب قصر الدائرة بين اللفائف قبل 72 ساعة، مما يمنع خسارة معدات بقيمة 18,000 دولار وانقطاع بقيمة 5,200 دولار/يوم.

​4.2 الصيانة الوقائية​
بروتوكولات الصيانة القائمة على البيانات:

• المغمور بالزيت:
• نصف سنوي: تحمل الزيت (>40kV)، اختبار الرطوبة (<20ppm).
• نصف سنوي: التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء (تنبيه إذا ΔT >15K).
• الجاف:
• ربع سنوي: إزالة الغبار (مقاومة تدفق الهواء <15Pa).
• سنوي: مقاومة العزل (>500MΩ).
  تمديد العمر الافتراضي: تحليل الغازات المتصاعدة (DGA) مع التعلم العميق (LSTM) يتنبأ بالعمر الافتراضي بدقة 92٪. استبدال التحويلات التلقائي (بعد 60,000 عملية) يمنع الفشل.

​4.3 التصميم المعياري والاستجابة السريعة​
تقدم الشركات الرائدة حلولًا معيارية لتعزيز الكفاءة:

• تحديد موقع العطل بواسطة وحدات المقاومة المدمجة (<10 دقائق).
• مخازن قطع الغيار الإقليمية (90٪ تسليم في 24 ساعة).
• تصميم قابل للتركيب (<4 ساعات استبدال مقابل 3 أيام تقليدية).
• دعم عن بعد مدعوم بواقعية ممتدة.
  اقتصاد: تقلل الأنظمة المعيارية من تكاليف الإصلاح بنسبة 45٪ ومن خسارة التوليد بنسبة 38٪، وهي مثالية للطاقة الشمسية الموزعة.

​5 توصيات الحلول المتكاملة​

​5.1 حلول محطات الطاقة الكبيرة​

• النواة: المغمور بالزيت (زيت الأستر الطبيعي).
• القدرة: 10-100 MVA.
• الميزات:
• اللفائف ثنائية التقسيم (عزل التداخل من العاكس).
• التدوير القسري للزيت (+40٪ تبريد).
• OLTC المتكامل (نطاق ±15٪).
• حالة: حققت محولات 31500kVA في محطة صحراوية بقدرة 500MW توافرًا سنويًا بنسبة 99.3٪.

​5.2 حلول التوزيع السطحي​

• النواة: الجاف غير البلوري.
• القدرة: 500-2500 kVA.
• الميزات:
• مساحة مدمجة (<2.5 m²/MVA).
• تصنيف IP65.
• صوت منخفض (<65dB).
• تحسينات:
• تحقق من حمل السقف (<800kg/m²).
• مساحة التهوية (≥1.5m أمام/خلف).
• الجهد المتبقي لمكافحة الصواعق ≤2.5kV.
  حالة صناعية: قام مشروع مصنع ساحلي بقدرة 5MW بإنقاص المساحة بنسبة 30٪ وتقليل تكاليف التشغيل والصيانة إلى 1,200 دولار سنويًا.

​5.3 تطبيقات سيناريوهات خاصة​

• الزراعة الشمسية:
• التركيب المرتفع (>3m ارتفاع).
• طلاء مضاد للعفن (لدرجة رطوبة >95٪).
• أجهزة طرد الطيور فوق الصوتية + JACKETS العزل.
• الطاقة الشمسية العائمة:
• منصات عائمة (≥2× قدرة الوزن).
• أغطية متعددة الختم (م悍接和环氧填充）。
• 漏电监测（1mA 灵敏度）。
• 北极地区：
• 低温加热带（启动温度 -40°C）。
• 合成油（倾点 <-45°C）。
• 微正压柜（防冰）。