محولات القدرة الكهربائية الخاصة بالطاقة الشمسية

أهمية التعرف على محولات القدرة الكهربائية الخاصة بالطاقة الشمسية:

شهدت العقود القليلة الماضية تطوراً سريعاً للغاية في مجال الطاقة المتجددة، وخاصة الطاقة الكهروضوئية الموزعة (DPV) وطاقة الرياح، وكما تشير التقديرات إلى أن ما لا يقل عن 40 في المائة من توليد الكهرباء بحلول عام 2040 سيكون من مصادر الطاقة المتجددة، وهذا من شأنه أن يعطي انخفاضاً ملحوظاً في المستوى الحالي لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 10 مليارات طن سنوياً.

كما ترتقي صناعة المحولات إلى مستوى هذا التحدي، وقد طورت محولات خاصة لتوليد (DPV) وتوليد الرياح، كما أن المحولات هي مكونات حاسمة في إنتاج وتوزيع الطاقة الشمسية، وتاريخياً؛ فإن المحولات لديها طاقة “تصعيد” أو “متدرجة” من مصادر غير متجددة.

كما أن هناك أنواع مختلفة من المحولات الشمسية بما في ذلك التوزيع والمحطة الفرعية والمثبتة على الوسادة والتأريض، كذلك جميع المحولات الشمسية لها احتياجات متخصصة تؤثر على التكاليف، وعلى سبيل المثال؛ فقد تواجه تطبيقات الطاقة الشمسية تحميلاً ثابتاً أثناء تشغيل العاكس، وخاصةً عندما تغرب الشمس، بحيث تكون هناك عملية تفاعل رطبة وتحميل أكثر ثباتاً على المحول.

أيضاً، لم يتم تحديد تجاوز الخطأ للأنظمة الكهروضوئية، كذلك قد يكون هذا لأنه من الأسهل تشغيل وإيقاف أنظمة الطاقة الشمسية بسرعة، أو لأن المتطلبات التنظيمية لم تواكب التكنولوجيا الحديثة، كما أن هذا قد يتغير في المستقبل القريب.

تأثير التوافقيات على محولات القدرة الخاصة بالطاقة الشمسية:

بالنسبة للتوافقيات؛ فإن المحتوى التوافقي النموذجي لعاكس الطاقة الشمسية أقل من 1 في المائة، وهو ما لا يؤثر تقريباً على النظام، كما يرجع المظهر الجانبي السفلي التوافقي إلى عدم وجود مولدات وأدوات تحكم في التبديل والحماية مثل تلك الموجودة في توربينات الرياح.

أيضاً تتطلب المحولات الشمسية مهمة تصعيدية، ومع ذلك؛ فإن “العاكس الشمسي” يقوم بتحويل مدخلات التيار المباشر من الألواح الكهروضوئية إلى جهد التيار المتناوب للمحول في انتقال بسيط وسلس مع عدم وجود جهد زائد من الدائرة غير المحملة.

ونظراً لأن المحولات الشمسية تعمل بجهد ثابت مع التحكم في الجهد المقنن بواسطة المحولات؛ فإن تقلبات الجهد والحمل تكون أقل بكثير مما هي عليه في توربينات الرياح. تعمل الأنظمة الكهروضوئية أيضاً بالقرب من أحمالها المقدرة.

كما أن أنظمة الطاقة الشمسية لها أيضاً مشكلات تصميم خاصة، وذلك نظراً لأن أكبر حجم عاكس للطاقة الشمسية يبلغ حوالي 500 كيلوفولت أمبير (kVA)، بحيث يقوم المصممون ببناء محولات شمسية 1000 كيلو فولت أمبير عن طريق وضع ملفين متصلين بالعاكس في صندوق واحد.

بحيث يجب أن يكون للمحول ملفات منفصلة لقبول مدخلات منفصلة تماماً، كما وتنبع مشكلات التصميم أيضاً من تشغيل الكابلات لمسافات طويلة للتحويل من التيار المستمر إلى التيار المتردد، كما أن القيود المفروضة على حجم العاكس تحد أيضاً من حجم الأنظمة الكهروضوئية.

وتعتبر زيادة الحجم عن طريق إضافة المزيد من محولات الطاقة الشمسية في صندوق محول واحد أمر صعب للغاية، وذلك مع حجم الصندوق المطلوب وتشغيل الكابلات لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد، بحيث تصبح الأمور معقدة.

كما أن مفتاح المحولات الشمسية هو طريق فهم المتغيرات في كل نظام، بحيث تحتاج المحولات إلى التخصيص للعمل مع كل نظام معين، كذلك كانت تقنية العاكس بطيئة في التقدم، ويبقى أن نرى ما إذا كان هذا العيب المقارن سيكون عيباً فادحاً في تقدم تكنولوجيا الطاقة الشمسية إلى نفس مستوى مزارع الرياح.

محولات توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة DPV:

يتم الحصول على الطاقة الكهربائية عن طريق تحويل الأشعة الشمسية إلى تيار مستمر (مباشر)، وذلك باستخدام الخلايا الكهروضوئية (PV)، كما يتم تحويل “التيار المستمر المتولد” إلى تيار متردد بواسطة “محولات خاصة بالطاقة الشمسية” ويتم توصيل التيار المتردد بشبكة الطاقة بواسطة محول تصاعدي.

كما أن المعيار الدولي المطبق على محولات توليد (DPV) هو (IEEE C57.159 2016)، وذلك حسب “دليل IEEE على المحولات للتطبيق في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية الموزع (DPV)”، وفي الوقت الحالي، توجد قيود على تصنيف الطاقة ومستوى الجهد لنظام العاكس، وبالتالي يتم توصيل واحد أو أكثر من المحولات بعدد متساوٍ من المحولات الثانوية من المحولات التصاعدية.

وعلى الرغم من أن التكوين الأكثر شيوعاً هو 2 إلى 3 ثانويات، كذلك في يتم تصنيع المحولات ذات 6 ثانويات أيضاً، بحيث يقوم مصنعو العاكس الآن بتطوير محولات ذات تصنيفات أعلى للطاقة والجهد وهذا من شأنه أن يزيد من تصنيفات المحولات (MVA) في المستقبل ويقلل من عدد اللفات الثانوية المطلوبة.

ميزات التصميم الخاصة بمحولات DPV:

• الحمل والجهد غير المتماثلين: حيث يمكن أن يكون جهد العاكس وحمل التيار إلى الأطوار الثلاثة للمحول غير متوازنين، كذلك إذا تم تغذية المحول بأكثر من عاكس؛ فهناك احتمال أن يصبح أحد المحولات غير نشط، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تحميل غير متوازن للملف، كما يمكن أن يؤدي عدم توازن الجهد والتيار إلى حدوث تدفق مفرط للتسرب وفقدان عشوائي وارتفاع درجة حرارة اللف والخزان.

• اللفات: اللفات ذات الجهد المنخفض المكدسة عمودياً بشكل فضفاض مع عدد متساوٍ من اللفات (HV) المنقسمة هي التصميم المفضل لتقليل تأثير عدم الاتزان، كما سيتم تحديد خصائص المعاوقة بناءً على نظام العاكس وعدد المحولات المتصلة بالمحول.

• تواجد تيار مباشر في اللف: هناك احتمال أن يأتي تيار مباشر إلى “الملف المغذي للعاكس” والذي يمكن أن يزيد من تيار المغناطيس الأساسي وذروة تيار الاندفاع.

• أشكال الموجة من خرج العاكس: قد لا تكون متزامنة الأشكال الموجية لعاكسين أو أكثر متصلين بمحول واحد، لذلك هذا يمكن أن يسبب تغير في شكل الموجة والتوافقيات وكذلك اضطرابات في التدفق.

• شكل موجي نبضي سريع الارتفاع على ملف LV: ينتج العاكس خرجاً نبضياً إلى الأرض ويمكن أن تصل النبضة إلى مستوى ارتفاع (dv / dt) يبلغ 500 فولت / ميكروثانية، كما يجب تصميم عزل لف الجهد المنخفض لتحمل الجهد المتصاعد السريع لحياة تصميم المحولات.

أيضاً يتم توفير درع إلكتروستاتيكي بين لفائف الجهد المنخفض والجهد العالي لعزل ملف الجهد العالي من تأثير الجهد الصاعد السريع على الجهد المنخفض، حيث يعمل الدرع كمرشح إضافي (dv / dt) ويقوم بتصفية تدرج الجهد لمخرج العاكس النبضي.

كما أنه يقلل من انتقال العبور من ملف الجهد العالي إلى ملف الجهد المنخفض، بحيث يمكن استخدام النحاس أو الألومنيوم كدرع، كما ستنتج الدروع النحاسية فقداً أقل لتيار الدوامة عند مقارنتها بدرع الألمنيوم، ويمكن إجراء اختبار تقليدي وهو المعجل للنموذج الأولي لعزل لفائف (LV) للتحقق من تأثير الارتفاعات السريعة العابرة على عمر العزل.

• خسائر المحول وكفاءته: تم تصميم محول (DPV) مع عدم وجود خسارة حمل منخفضة نسبياً، وذلك لأن المحول يستمد طاقة مثيرة من النظام ليلاً، كما تم تحسين الكفاءة في دورة تحميل محددة للحصول على الاقتصاد الكلي للتشغيل، خاصةً إذا تم تصميم نظام الطاقة بمنشأة تخزين طاقة مثل نظام البطارية؛ فسيعمل المحول تحت الحمل باستمرار ويمكن إصلاح مستوى الكفاءة على هذا الأساس.