السبب الرئيسي للتشوه التوافقي في منشآت الطاقة الكهروضوئية يأتي من الإلكترونيات القدرة غير الخطية التي نراها في كل مكان هذه الأيام، وخصوصًا المحولات الكهروضوئية (PV inverters) والأجهزة التبديلية المختلفة. وجدت دراسة حديثة حول دمج الشبكة عام 2024 أمرًا مثيرًا للاهتمام بشأن هذه المشكلة. اكتشف الباحثون أن حوالي ثلثي التيارات التوافقية المقاسة في مزارع الطاقة الشمسية تأتي فعليًا من ما يُعرف بالمحولات المصدر الجهدية (voltage source inverters) عند قيامها بتحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب. ما يحدث هنا بسيط نسبيًا لكنه معقد تقنيًا في الوقت نفسه. تُنتج هذه المحولات توافقيات تبديل عالية التردد تتراوح بين 2 و40 كيلوهرتز بسبب طريقة تنظيم النبضات (PWM باختصار)، إضافةً إلى بعض أساليب التداخل. كما توجد عوامل مساهمة أخرى تستحق الذكر أيضًا. ففي بعض الأحيان، قد تشبع المحولات تحت ظروف معينة، وعندما تعمل محولات متعددة معًا في الحدائق الشمسية الكبيرة، يمكن أن تتفاعل بطرق تؤدي إلى إنتاج توافقيات إضافية.
عندما تُترك الظواهر التوافقية دون رقابة، فإنها تقلل من كفاءة النظام بنسبة تتراوح بين 3 إلى 7 بالمئة وفقًا لبحث أجرته مؤسسة بونيمون في العام الماضي. ويحدث هذا لأن الموصلات تخسر طاقة أكثر، والمحولات تسخن أكثر من المعتاد. وإذا تجاوز تشويش الجهد نسبة 5% من إجمالي التشويه التوافقي (THD)، فإن الأمور تبدأ بالتدهور بسرعة. فتتوقف أجهزة الحماية عن العمل بشكل صحيح، وتفشل المكثفات بشكل مفاجئ وغير متوقع. كما يزداد الوضع سوءًا بالنسبة للعاكسات (inverters). فالتي تعمل في بيئات مليئة بالتوافقيات تشهد تدهورًا في عزلها أسرع بنسبة 15 إلى 20%، ما يعني إصلاحات أكثر تكرارًا وتكاليف أعلى. وتحدث بعض الحالات السيئة جدًا عندما يحدث تردد رنيني بين الحث الكهربائي للشبكة وما تنتجه عاكسات الألواح الكهروضوئية. وهذا التأثير يجعل بعض التوافقيات تزداد قوة لدرجة أن المعدات قد تتعرض لأضرار لا يمكن إصلاحها في بعض الأحيان.
وضعت منظمات المعايير حول العالم قواعد صارمة إلى حد ما بشأن مستويات تشوه الجهد التوافقي الكلي (THD) التي يجب أن تظل أقل من 5٪، كما يجب ألا تتجاوز التوافقيات الحالية 8٪ عند نقاط اتصال الأنظمة بالشبكة الكهربائية. بالنسبة للمنشآت الكهروضوئية التي تزيد عن 75 كيلوواط، هناك متطلب آخر من معيار IEC 61000-3-6 ينص على إجراء اختبارات محددة لقياس هذه الانبعاثات التوافقية. وعادةً ما يعني الامتثال لجميع هذه اللوائح تنفيذ تقنيات مختلفة للتخفيف. وتشمل بعض الأساليب الشائعة تصميم عاكسات كهربائية بأساليب أفضل وتثبيت معدات تصفية نشطة للقدرة. ويصر معظم الجهات التنظيمية اليوم على المراقبة المستمرة للتوافقيات داخل مزارع الطاقة الشمسية، مما يساعد على تجنب الغرامات الباهظة عندما تنشأ مشكلات في استقرار الشبكة بسبب المحتوى التوافقي الزائد.
تتعامل مرشحات القدرة النشطة أو APFs مع تشوهات التوافقيات المزعجة في الأنظمة الشمسية من خلال اكتشاف التيارات الضارة وإلغائها في الوقت الفعلي. وتعمل هذه المرشحات بالاعتماد على أجهزة استشعار التيار وتكنولوجيا المعالجة الرقمية (DSP) لتحليل تيارات الحِمل، مما يمكنها من تحديد أصغر مشكلة توافقية، مثل التشوهات من الدرجة الثالثة. وأظهرت بعض الاختبارات الميدانية فعلاً أن مرشحات القدرة النشطة يمكنها تقليل التشويه التوافقي الكلي بنسبة تصل إلى 88% في محطات الطاقة الشمسية ذات السعة 500 كيلوواط، مقارنةً بالمرشحات السلبية التقليدية. ويُعد هذا الأداء عاملًا مؤثرًا بقوة في استقرار النظام وكفاءته.
يحدث مراقبة التيار الكهربائي باستمرار من خلال مستشعرات تأثير هول التي تستشعر إشارات الاز гармонية بدقة جيدة جدًا، حيث تبلغ نسبة الخطأ حوالي نصف بالمئة. بعد ذلك، يتم إجراء عمليات حسابية معقدة بواسطة خوارزميات متقدمة للإشارات الرقمية (DSP) لإنشاء تيارات مضادة تكون بالضبط في طور معاكس لأي مكونات توافقية تم اكتشافها. انظر إلى ما توصل إليه الباحثون في دراستهم لعام 2023 حول تقنيات التعويض الفوري، فقد أظهروا أنه عندما تعمل مرشحات القدرة النشطة عند معدلات تبديل تصل إلى 20 كيلوهرتز، يمكنها إلغاء ما يقارب كل المكونات التوافقية المزعجة من الرتبة الخامسة والسابعة في غضون جزأين من الألف من الثانية فقط. إنها نتيجة مذهلة حقًا لأي شخص يتعامل يوميًا مع مشكلات جودة الطاقة.
تُفصِل منهجية التحكم هذه مكونات القدرة الفعالة (p) والقدرة غير الفعالة (q) اللحظية باستخدام تحويلات كلارك. ومن خلال التزامن مع جهد الشبكة عبر حلقات قفل الطور (PLLs)، تحافظ طريقة p-q على معامل القدرة أعلى من 0.98 حتى أثناء تقلبات الإشعاع بنسبة 30%. تُظهِر الأبحاث أن هذا النهج يقلل من الطلب على القدرة غير الفعالة بنسبة 72% مقارنةً بمنظمات PI التقليدية.
يقوم هذا النظام باستقبال إشارات التعويض تلك وتحويلها إلى أوامر تبديل فعلية من خلال ما يُعرف بتعديل عزم الفضاء (Space Vector PWM). في الوقت الحاضر، يتم بناء معظم مرشحات القدرة النشطة حول محولات عكسية تعتمد على IGBT وتُحقق كفاءة تزيد عن 97 بالمئة بفضل تقنيات ذكية نسبيًا لتعويض زمن التوقف الميت، والتي تقلل من خسائر التبديل المزعجة. ومن خلال دراسة أوراق بحثية مختلفة حول محولات العاكس لمصدر الجهد باستخدام تعديل العرض النبضي (PWM)، نجد أن هذه التصاميم قادرة على إلغاء التوافقيات عبر نطاقات تردّدية تتجاوز بكثير حدود 2 كيلوهرتز. وهناك أمر مهم أيضًا وهو أن هذه الأنظمة تحافظ على التشويه التوافقي الكلي أقل من 4%، مما يجعلها مطابقةً لكافة المتطلبات المنصوص عليها في المعيار IEEE 519 الأخير الصادر عام 2022.
| المعلمات | مرشح تقليدي | فلتر الطاقة النشطة |
|---|---|---|
| زمن الاستجابة | 50–100 مللي ثانية | أقل من 2 مللي ثانية |
| معالجة رتبة التوافقيات | ثابتة (الخامسة، السابعة) | من الثانية إلى الخمسين |
| تخفيض التشويه الكلي (THD) | 40–60% | 85–95% |
| قابلية التكيف | لا شيء | تتبع الحمل الديناميكي |
يتطلب دمج مرشحات القدرة الفعالة (APFs) بشكل صحيح في محطات الطاقة الكهروضوئية إعدادًا دقيقًا واستراتيجيات تحكم تحافظ على الامتثال لمعايير الشبكة مع الحفاظ على جودة جيدة للطاقة. تعتمد معظم المنشآت الحديثة تكوينات مرشحات القدرة الفعالة المتوازية (Shunt APF) لأنها تتصل على التوازي، مما يمكنها من إلغاء التوافقيات فور حدوثها دون التأثير على إنتاج الطاقة الشمسية نفسه. وفقًا لأبحاث نُشرت في عام 2023 عبر IntechOpen، فإن حوالي 89 بالمئة من مزارع الطاقة الشمسية الكبيرة الجديدة تدمج حاليًا هذه المرشحات المتوازية العاملة بالتزامن مع أنظمة الحلقة المغلقة للطور (PLL). تتمكن هذه الأنظمة من محاذاة جهد الشبكة بدقة عالية، عادةً ضمن نصف درجة في كلا الاتجاهين. ويشكل هذا المستوى من الدقة فرقًا كبيرًا في الأداء العام لهذه المنشآت الشمسية.
تعمل مرشحات الطاقة النشطة (APFs) الشنتية عن طريق حقن تيارات مضادة للتوافقيات في الشبكة من خلال عاكسات مصدر الجهد. وتشمل المزايا الرئيسية ما يلي:
تحسّن وحدات التحكم التكيفية قمع التوافقيات في ظروف الإضاءة المتقلبة من خلال ضبط تلقائي لمعاملات الكسب. أظهرت الاختبارات الميدانية في عام 2024 أن الأنظمة التكيفية خفضت التشويه التوافقي الكلي (THD) من 8.2% إلى 3.1% تحت الظل الجزئي، وتتفوق على نماذج الكسب الثابت بنسبة 42% في الاستجابة العابرة.
توجد ثلاث طرق اندماج رئيسية تسود محطات الطاقة الكهروضوئية الحديثة:
| الطريقة | تخفيض التشويه الكلي (THD) | تكلفة التنفيذ |
|---|---|---|
| مرشح طاقة نشط مركزي | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| مرشح طاقة نشط على مستوى السلسلة | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| عاكس هجين APF-PV | 89-95% | التصميم المتكامل |
كشف تحليل أجري في عام 2024 على ScienceDirect أن الأنظمة الهجينة عززت إنتاج الطاقة بنسبة 6.8٪ مقارنةً بحلول APF المستقلة في المصفوفات الشمسية بقدرة 500 كيلوواط.
تستخدم أنظمة التوليد الضوئي الهجينة-مرشحات القدرة الفعالة الآن عاكسات خاصة تقوم بتحويل الطاقة وتقليل الضوضاء الكهربائية في آنٍ واحد. في الواقع، تدمج التصاميم الحديثة وظيفة تصفية القدرة داخل وحدة العاكس الرئيسية للطاقة الكهروضوئية مباشرةً. وفقًا لأبحاث وونغ وزملائه عام 2021، فإن هذا يقلل من عدد المكونات المطلوبة بنسبة تصل إلى 37٪ مقارنةً بالأنظمة التي تعتمد على مكونات منفصلة. تعمل هذه الأنظمة بفضل تقنيات تبديل ذكية تمكنها من تتبع نقطة القدرة القصوى للطاقة الشمسية وفي الوقت نفسه إلغاء التوافقيات غير المرغوب فيها. كما تشترك في استخدام مكونات رئيسية مثل مكثفات الرابط التيار المستمر (DC-link) ووحدات IGBT الموجودة في معظم الإلكترونيات الحديثة. تشير الاختبارات الميدانية إلى أن هذه الأنظمة تحافظ على التشويه التوافقي الكلي أقل من 3٪، وهو أداء جيد جدًا بالنظر إلى أنها تستطيع أيضًا تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءة تبلغ حوالي 98.2٪. إنها نتيجة مذهلة لجهاز يساعد في تنقية شبكات الكهرباء ويُحسّن الاستفادة من مصادر الطاقة المتجددة.
تُظهر محاكاة الأجهزة في حلقة (HIL) للأنظمة الهجينة بقدرة 500 كيلو واط أن أوقات استجابة التوافقيات أسرع بنسبة 89٪ مقارنة بالمرشحات السلبية التقليدية. كشفت دراسة طاقة متجددة لعام 2024 أن المتحكمات التكيفية في أنظمة الكهروضوئية-المرشحات النشطة تقلل من تقلبات الجهد بنسبة 62٪ في ظروف الظل الجزئي. وتُظهر عمليات النشر الميداني قمعًا مستدامًا لمعدل التوافقيات (THD) بأقل من 5٪ على مدى أكثر من 1,200 ساعة تشغيل، حتى مع وجود أحمال غير خطية بنسبة 30٪.
تمكنت مزرعة شمسية تجارية من القضاء على ارتفاع درجة حرارة المحولات الناتج عن التوافقيات من خلال دمج نظام الكهروضوئية-المرشح النشط. وقد تم تنفيذ النظام الهجين باستخدام ثمانية عاكسات كهربائية ثنائية الوظيفة بقدرة 60 كيلو فولت أمبير لكل منها، مرتبة بشكل متوازي، وحققت النتائج التالية:
أكدت مراقبة ما بعد التركيب الامتثال لمعايير IEEE 519-2022 في ظل سيناريوهات تغطية غيوم متغيرة بنسبة 25%.
تساعد مرشحات القدرة النشطة في الحفاظ على الأمور ضمن حدود لوائح جهد المرافق من خلال إبقاء التشويه التوافقي الكلي (THD) أقل من عتبة 5٪ الحرجة المحددة في معايير IEEE 519-2022. وفقًا لدراسات حديثة صادرة في عام 2023 شملت اثني عشر مشروعًا كبيرًا للطاقة الكهروضوئية، فإن هذه المرشحات ترفع عادةً معامل القدرة بين 0.15 و0.25 بينما تقلل مشكلات عدم توازن الجهد بنحو الثلثين. ما يجعلها ذات قيمة خاصة هو قدرتها على التعامل مع الانخفاضات المفاجئة في الجهد عندما تعبر السحب فوق صفائف الألواح الشمسية، وهي ظاهرة قد تؤثر بشكل كبير على استقرار الشبكة. تشترط معظم المواصفات الحديثة للشبكة ألا يتجاوز التغير في مستويات الجهد 10٪، وتلتزم المرشحات النشطة باستمرار بهذا الشرط عبر مختلف ظروف التشغيل.
تؤدي التغيرات في الإشعاع الشمسي إلى توليد توافقيات غير مرغوب فيها ضمن النطاق الترددي من 1 إلى 2 كيلوهرتز، وهي مشكلة لا تكون العواكس القياسية مجهزةً بشكل كافٍ للتعامل معها بكفاءة. وللتغلب على هذه المشكلة، تستخدم المرشحات النشطة تقنية تعديل عرض النبضة بالتشغيل الزمني الفعلي، مع أزمنة استجابة تقل عن 50 مايكروثانية، مما يسمح بإزالة هذه التشوهات التوافقية بنجاح. وقد أظهرت الاختبارات الميدانية نتائج ممتازة، حيث تم تسجيل انخفاض بنسبة تتراوح بين 85 و90 بالمئة تحديدًا بالنسبة للتوافقيات ما بين 150 و250 هرتز. وتُعد هذه التحسينات أمرًا بالغ الأهمية لأنها تمنع محولات الطاقة من التسخين الزائد، وفي الوقت نفسه تقلل من خسائر الخطوط بنسبة تتراوح بين 12 و18 بالمئة في المنشآت الكهروضوئية التي تتجاوز قدرتها ميغاواطًا واحدًا. وتأتي فائدة إضافية عندما تعمل هذه المرشحات بالتوازي مع حلول تخزين الطاقة، حيث تساهم بشكل كبير في تقليل مشاكل تذبذب الجهد أثناء التغيرات المفاجئة في توليد الطاقة الشمسية، وتحقق معدلات قمع تتراوح بين 60 و75 بالمئة وفقًا للقياسات الصناعية.
تبلغ تكلفة مرشحات القدرة الفعالة حوالي 30 إلى 40 بالمئة أكثر مبدئيًا مقارنة بالبدائل السلبية، لكنها تعوّض ذلك من خلال وفورات أكبر على المدى الطويل. عادةً ما تعمل هذه الأنظمة بكفاءة تتراوح بين 92 و97 بالمئة، مما يقلل من نفقات الصيانة السنوية بنحو 18 إلى 22 دولارًا لكل كيلوواط على مدى خمس سنوات. ما يجعلها أكثر جاذبية هو تركيبها الوحداتي. يمكن للمنشآت تركيب هذه المرشحات تدريجيًا والحفاظ على تشغيل سلس، حيث إن الازدواجية المدمجة تحافظ على تشويه توافقي أقل من نصف بالمئة عندما يحتاج أي مرشح فردي إلى صيانة. هناك شرط واحد فقط – يتطلب تشغيل هذه الأنظمة بشكل صحيح استثمارًا إضافيًا يتراوح بين 4.50 و6.80 دولارًا لكل كيلوواط يتم إضافته إلى تكاليف التركيب. بالنسبة للعمليات الأصغر بسعة أقل من 50 ميجاواط، يعني ذلك إجراء حسابات دقيقة جدًا قبل اتخاذ قرار بشأن ما إذا كانت الفوائد طويلة المدى تفوق التكلفة الأولية أم لا.
المصادر الرئيسية للتوافقيات في محطات الطاقة الكهروضوئية هي المحولات المصدرية للجهد، والتي تسهم بثلثي تيارات التوافقيات، والتفاعلات بين المحولات المتعددة أو المحولات المشبعة.
يمكن أن تؤدي تشوهات التوافقيات إلى تقليل كفاءة النظام بنسبة تتراوح بين 3 و7٪، وتتسبب في عطل أجهزة الحماية وأعطال المكثفات، وزيادة تلف عزل المحول بنسبة تتراوح بين 15 و20٪.
يجب أن يظل التشوه الكلي للتوافقيات في الجهد (THD) أقل من 5٪، ولا ينبغي أن تتجاوز التوافقيات في التيار 8٪ وفقًا لعدة معايير، بما في ذلك المعيار IEC 61000-3-6 للمنشآت الأكبر من 75 كيلوواط.
تستخدم مرشحات القدرة النشطة أجهزة استشعار التيار وتكنولوجيا المعالج الرقمي للإشارات (DSP) للكشف عن التيارات التوافقية وإلغائها في الوقت الفعلي، مما يقلل بشكل كبير من تشويه التوافقيات الكلي في النظام.
رغم أن مرشحات القدرة النشطة تحسن الامتثال لقواعد الشبكة وجودة الطاقة، إلا أن تكاليفها الأولية أعلى مقارنة بالبدائل السلبية. ومع ذلك، فإنها توفر وفورات أفضل على المدى الطويل من خلال كفاءة أعلى وصيانة أقل.
EN
أخبار ساخنة