تحليل الحماية لمغذيات التوزيع الكبيرة للأنظمة الكهروضوئية

أهمية تحليل الحماية لمغذيات التوزيع الكبيرة للأنظمة الكهروضوئية

عادة ما يتم تصميم “مغذي التوزيع التقليدي” كنظام شعاعي بمصدر واحد يغذي نظام المصب، كما يتم تثبيت “أجهزة الحماية” بما في ذلك قواطع الدائرة الكهربائية وأجهزة إعادة الإغلاق والصمامات في النظام تحت تنسيق الحماية المناسب، بحيث توجد “قواطع الدائرة” وأجهزة إعادة الإغلاق على نظام الخط الرئيسي، بينما يتم وضع الصمامات على جوانب فرعية وجوانب تحميل.

كما يتكون مغذي التوزيع النموذجي من آلاف الخطوط العلوية والخطوط الثانوية، وذلك مع مئات الصمامات المثبتة في النظام، لذلك يلزم وجود نموذج نظام دقيق لفحص ما إذا كان النظام، وذلك خلال جميع الأنواع والمواقع المحتملة للأعطال، بحيث يخضع لتنسيق الحماية المناسب بما في ذلك تنسيق المرح او لصمامات وتنسيق المرحل(recloser) والتنسيق (recloser-fuse) والتنسيق بين الصمامات والصمامات في كل من المرحلة الأولية والجوانب الثانوية.

وكل ذلك مع تطبيق “الخرائط الآلية” وإدارة المرافق و”نظام المعلومات الجغرافية” (AM / FM / GIS) المستخدمة على نطاق واسع من قبل المرافق في السنوات الأخيرة، كما يمكن إنشاء نموذج تغذية التوزيع بطريقة مفصلة بناءً على نظام المعلومات الجغرافية البيانات بالإضافة إلى قياسات (AMI) (البنية التحتية للقياس المتقدم) و (DAS) (نظام الحصول على البيانات).

وفي هذا الطرح تم تقديم نهج تحليل الحماية المستند إلى نموذج التغذية الدقيق، والذي تم التحقق منه من خلال مطابقة نتائج محاكاة النموذج بشكل وثيق مع القياسات الميدانية، وذلك من أجل التحقق الشامل وتصميم نظام حماية مناسب في ظل جميع أنواع متطلبات تنسيق الحماية.

لذلك تتزايد مستويات الاختراق للموارد الموزعة والمتجددة وخاصة الطاقة الكهروضوئية في أنظمة توزيع الطاقة بمعدل سريع من القيم المهملة حالياً إلى مستويات كبيرة بما يكفي لضمان إعادة فحص شامل لتصميم وتشغيل وحماية أنظمة توزيع القدرة الكهربائية.

كما تشكل البنية التحتية للتوزيع الحالية المصممة أساساً لتدفق الطاقة أحادي الاتجاه مع التوليد المتحكم فيه جيداً، تحديات أمام تكامل الطاقة الكهروضوئية على نطاق واسع من حيث الحماية، بحيث يتضمن تحليل تأثير الطاقة الكهروضوئية على أنظمة الحماية ثلاثة موضوعات رئيسية:

• تأثير (PV) على تنسيق الحماية.

• تأثير تكوينات محولات الربط البيني.

• حلول لمشاكل تنسيق الحماية.

تأثير توصيلات المحول الكهربائي على واجهة PV

هناك أربعة توصيلات شائعة الاستخدام لمحول واجهة التوليد الموزع (DG)، بما في ذلك دلتا عالية الجانب أو شبكة غير موصلة وشبكة (wye) ذات جانب مرتفع أو دلتا منخفضة الجانب ووصلات (wye / wye)، بحيث سينشئ المحول الأرضي الثانوي مسارات أرضية بين المحول وعاكس الطاقة الكهروضوئية، مما يسمح بتدفق تيار الدائرة القصيرة عبر الصمام الثنائي الموازي المضاد خلال نصف دورة جهد الشبكة السلبية.

لذلك، يتم النظر فقط في الوصلات ذات الجانب العالي من الدلتا أو الوصلات غير الأرضية والشبكة ذات الأرضية المرتفعة أو دلتا الجانب المنخفض، كما أن لكل نوع من أنواع الاتصال له مزايا وعيوب، لذلك لا توفر وصلات الدلتا ذات الجانب العالي أو الوصلات غير المؤرضة أي مصدر لتيار متسلسل صفري للتأثير على حساسية المرحل الأرضي أو إعادة الإغلاق.

كذلك لا يتم رؤية أي تيار أرضي بواسطة أجهزة الحماية على جانب الشبكة أثناء العيوب الجانبية ذات الجهد المنخفض للعاكس، ومع ذلك قد تحدث مشاكل الجهد الزائد للعاكس أثناء أعطال جانب الشبكة مع هذه التوصيلات، بحيث لا توجد مشاكل في الجهد الزائد أثناء عيوب جانب الشبكة الكهربائية مع محايد مؤرض ذو مقاومة منخفضة في جانب الجهد العالي.

ومع ذلك؛ فإن حساسية المرحل الأرضي أو إعادة الإغلاق تتأثر كثيراً، وخاصةً أثناء الأعطال الأرضية على جانب الشبكة، لذلك سوف يتدفق تيار خطأ التسلسل الصفري باتجاه المحطة الفرعية بالإضافة إلى المحايد المؤرض لمحول التوصيل البيني الكهروضوئي، كما ويقلل تيار العطل الذي يراه المرحل الأرضي و إعادة الإغلاق.

ومع زيادة التصنيفات الكهروضوئية، تنخفض مقاومة محول التوصيل البيني، كما وتكون مشاكل حساسية المرحل أو إعادة الغلق أكثر خطورة، خاصةً أثناء أخطاء الطور على جانب الشبكة، بحيث تتأثر حساسية مرحل الطور وإعادة الإغلاق أيضاً بجميع أنواع التوصيلات بسبب تأثير (PV)، لكن التأثيرات ليست كبيرة كما كانت أثناء أخطاء الأرض.

أيضاً قد تتسبب الحساسية المنخفضة للمرحل المعاد تنسيقه في سوء تنسيق فتيل المرحل والصمام المنعكس في ظل مخطط توفير الصمامات، حيث ناقشت مراجعات الدراسات المشاكل المحتملة لمحولات الواجهة، ومع ذلك لا يوجد تحقيق شامل للتأثيرات الكهروضوئية أثناء كل من الأعطال الأرضية وأعطال الطور مع جميع وصلات محولات الواجهة الكهروضوئية المحتملة في وحدة تغذية واقعية.

لذلك يلخص الجدول التالي (1) التأثيرات الكهروضوئية على الأرض ومرحلة وإعادة الغلق تحت وصلات محول مختلفة على التوالي وذلك مع النموذج التفصيلي للنظام الحقيقي والمولدات الكهروضوئية والأحمال التي تم إنشاؤها في هذا العمل، حيث تمت دراسة جميع الحالات المدرجة في الجدول بدقة متناهية.

نمذجة التغذية والتحقق من صحتها

يتوافق نظام التوزيع المصمم على شكل نموذج مع وحدة تغذية كبيرة في “ولاية أريزونا” حيث يتم تنفيذ ودراسة اختراق عالي للطاقة الكهروضوئية باستخدام (DAS) المكثف، وهو عبارة عن مغذي شعاعي يبلغ طوله (12.47) كيلو فولت، أي حوالي (10) أميال ويبلغ حمولته القصوى حوالي (5) ميغاوات، كما أن لديها ما يقرب من ألف محول يخدم ما يقرب من ثلاثة آلاف عميل، معظمهم سكني وتجاري.

كذلك؛ فإن هناك أكثر من ستة آلاف مقطع من الخطوط والكابلات العلوية في الجوانب الأولية وحوالي ثلاثة آلاف مقطع من الكابلات في الجوانب الثانويةـ أي ما يقارب مائتي أنظمة كهروضوئية سكنية موزعة على الأسطح تتراوح من (2) كيلوواط إلى (4) كيلوواط بإجمالي حوالي (400) كيلوواط، كما ويتم إضافة نظام الكهروضوئية الكبير الذي يمثل أكثر من (1) ميغاواط إلى وحدة التغذية هذه وتم تصميمها لدراسة التأثير.

أيضاً يتم الحصول على معلومات مفصلة حول وحدة التغذية، مثل المواقع والأنواع والتصنيفات الخاصة بالخطوط والمعدات المختلفة من قاعدة بيانات (GIS) الشاملة التي تحتفظ بها الأداة المساعدة، وذلك نظراً لتعقيد تكوين وحدة التغذية، بحيث تم تطوير طرق آلية لبناء نموذج وحدة التغذية بالتفصيل في (OpenDSS).

كذلك يتم تحديد المعدات التي تحتوي على تعريفات لجميع المعدات المستخدمة في نموذج التغذية أولاً، بحيث تشمل الحاجة الى المعدات ما يسمى مكتبات الخطوط والمحولات وبنوك المكثفات والمولدات الكهروضوئية ومصادر التغذية المكافئة في المحطة الفرعية، بحيث يتم إنشاء جميع مكتبات المعدات بناءً على البيانات الفعلية المقدمة من الأداة المساعدة أو الشركة المصنعة.

ثم يتم بناء نموذج الشبكة مع مجموعة من برامج (MATLAB)، وذلك بالبدء من نهاية سطر واحد عشوائي، بحيث يتم توسيع هيكل الشجرة وإنشاءه الذي يحتوي على مجموعة من العقد (الحافلات) والأقسام (الفروع) ومؤشرات من العقدة إلى العقدة لكل قسم، كما ترتبط الأقسام التي تمثل الخطوط المعروفة من بيانات (GIS) بأنواع الخطوط والكابلات المقابلة المحددة في مكتبات المعدات.