كيف يقوم مرشح القدرة النشط بقمع التوافقيات في محطات الطاقة الكهروضوئية؟

مصادر التوافقيات في الأنظمة الكهروضوئية

تُعد أنظمة الطاقة الشمسية مولدةً للتوافقيات بشكل رئيسي بسبب الإلكترونيات القدرة غير الخطية الموجودة في العاكسات ومحوّلات التيار المستمر-التيار المستمر. هذه المكونات تؤثر على شكل التيارات الكهربائية عند تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. كما تسهم المحولات التي تعمل بالقرب من حد تشبعها المغناطيسي في هذه المشكلة، إضافةً إلى أحمال الأطوار الثلاثة غير المتوازنة عبر النظام. ووفقاً لأبحاث حديثة صادرة في أوائل عام 2024 حول مصادر هذه الترددات غير المرغوب فيها في منشآت الطاقة الخضراء، فإن معظم الدراسات تشير إلى أن واجهات الإلكترونيات القدرة مسؤولة عن نحو 72 بالمئة من جميع مشكلات التوافقيات التي تُلاحظ في منشآت الطاقة الكهروضوئية الحديثة اليوم.

كيف يولّد تبديل العاكس تيارات توافقية

عندما تقوم العواكس بالتبديل باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM)، فإنها تميل إلى إنشاء التيارات التوافقية المزعجة تلك. تعمل معظم العواكس ضمن نطاق يتراوح بين حوالي 2 إلى 20 كيلوهرتز في عمليات التبديل الخاصة بها. ما يحدث هنا بسيط جدًا في الحقيقة - نحصل على جميع أنواع اهتزازات التيار عالية التردد بالإضافة إلى تجمعات التوافقيات المميزة التي تتكون حول مضاعفات التردد الأساسي للتبديل الذي نستخدمه. خذ على سبيل المثال ما يحدث عندما يقوم شخص بتشغيل عاكس بتردد 4 كيلوهرتز جنبًا إلى جنب مع شبكة كهرباء قياسية تبلغ 50 هرتز. فجأة، تظهر توافقيات بارزة عند نقاط مثل 4 كيلوهرتز زائد أو ناقص أي مضاعف قادم لـ 50 هرتز. إذا لم يقم أحد بتثبيت مرشحات مناسبة للتعامل مع هذا الفوضى، فإن التيارات غير المرغوب فيها تستمر في التدفق عائدَةً مباشرة إلى النظام الكهربائي الرئيسي. والنتيجة؟ جودة أسوأ للجهد بشكل عام واستهلاك غير ضروري لكل ما هو متصل بهذه الشبكة نفسها.

تأثير ارتفاع نسبة اختراق الطاقة الكهروضوئية على مستويات التوافقيات في الشبكة

مع تجاوز اختراق الطاقة الكهروضوئية 30٪ في شبكات التوزيع، تزداد تشوهات التوافقيات التراكمية بسبب:

• التفاعل بين الطوريات : يؤدي التبديل المتزامن للمحولات إلى تضخيم ترددات توافقية معينة
• ممانعة الشبكة : تؤدي الممانعة الأعلى عند الترددات التوافقية إلى زيادة التشوه في الجهد
• مخاطر الرنين : يمكن أن يؤدي التفاعل بين سعة المحول ومحاثة الشبكة إلى ظهور قمم رنينية

سجلت الدراسات الميدانية قفزات عابرة في معامل التوافقيات الكلي (THD) تتجاوز 30٪ أثناء التغيرات السريعة في الإشعاع الشمسي — وهي أعلى بكثير من الحد الأقصى البالغ 5٪ لتشوه الجهد وفقًا للمعيار IEEE 519-2022. تؤدي هذه الظروف إلى زيادة خسائر المحولات بنسبة 15–20٪ ورفع درجات حرارة الموصلات بمقدار 8–12°م، مما يسرّع من تدهور العزل ويقلّص عمر المعدات.

كيفية تخفيف مرشحات القدرة الفعالة للتوافقيات في الزمن الحقيقي

محدودية المرشحات السلبية في البيئات الديناميكية للطاقة الكهروضوئية

لا تصلح مرشحات التوافقيات السلبية للأنظمة الكهروضوئية الحديثة بسبب خصائصها الثابتة في الضبط. فهي لا يمكنها التكيف مع طيف التوافقيات المتغير الناتج عن الإشعاع المتغير أو ديناميكيات الحمل. وتشمل أبرز العيوب ما يلي:

• عدم القدرة على الاستجابة للتغيرات التوافقية الناتجة عن الغيوم
• خطر حدوث رنين مع المحولات المتصلة بالشبكة، وهو ما لوحظ في 63% من تركيبات الألواح الشمسية
• تكاليف صيانة سنوية أعلى بنسبة 74% مقارنةً بالحلول النشطة (EPRI 2022)

تؤدي هذه القيود إلى تقليل الموثوقية والكفاءة في البيئات التي تتغير فيها أنماط التوافقيات خلال اليوم.

مبدأ عمل المرشح النشط للقدرة: حقن تيار توافقي في الوقت الفعلي

تستخدم المرشحات النشطة للقدرة (APFs) محولات تعتمد على ترانزستورات الأيونات الثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBT) ومعالجات الإشارات الرقمية (DSP) للكشف عن التوافقيات وتحييدها خلال جزء من ألف جزء من الثانية. كما هو موضح في المبادئ التقنية IEEE 519-2022 ، تشمل العملية ما يلي:

1. أخذ عينات من تيار الشبكة بتردد يتراوح بين 20–100 كيلو هرتز لالتقاط المحتوى التوافقي
2. حساب التيارات التوافقية المعاكسة الطور في الزمن الحقيقي
3. حقن تيارات تعويضية عبر التبديل عالي التردد (10–20 كيلو هرتز)

يتيح هذا الاستجابة الديناميكية لمرشحات القدرة النشطة (APFs) الحفاظ على معامل تشويه التوافقي الكلي (THD) أقل من 5%، حتى في حالات الاختراق العالي للطاقة الشمسية (>80%) وملفات التوليد المتغيرة بسرعة.

الوضع الأمثل لتركيب مرشح القدرة النشط عند نقطة الاتصال المشتركة (PCC)

إن تركيب مرشحات القدرة النشطة (APFs) عند نقطة الاتصال المشتركة (PCC) يُحسّن فعالية تقليل التشويه التوافقي من خلال معالجة التشوهات الناتجة عن المحولات إضافة إلى اضطرابات الشبكة العلوية. ويؤدي هذا الموقع الاستراتيجي إلى:

• تقليل بنسبة 8–12% أكثر في معامل التوافقي (THD) مقارنةً بالتوزيعات الجانبية للحمل
• تصحيح متزامن لتذبذب الجهد وعدم توازن الطور
• انخفاض بنسبة 32% في سعة المرشح المطلوبة من خلال التعويض المركزي

من خلال تقليل التوافقيات عند نقطة الواجهة، تحمي مرشحات القدرة النشطة (APFs) المثبتة عند نقطة الاتصال المشتركة (PCC) المعدات الواقعة في الأسفل وتكفل الامتثال عبر النظام بأكمله.

استراتيجيات تحكم متقدمة لمرشحات القدرة النشطة المتوازية في أنظمة الطاقة الشمسية

نظرية القدرة التفاعلية اللحظية (p-q) في تحكم مرشحات القدرة النشطة المتوازية

تشكل نظرية PQ الأساس الذي تعمل به مرشحات القدرة النشطة المتوازية (SAPFs) سحرها عند اكتشاف المكونات التوافقية والتفاعلية المزعجة في الأحمال الكهربائية. ما يحدث هنا أمرٌ مثير للاهتمام: يتم تحويل التيارات ثلاثية الطور إلى مكونات متعامدة تُسمى p (القدرة الفعالة) وq (القدرة التفاعلية)، ومُحاذاة مع ما يحدث على جانب الشبكة. هذه الطريقة دقيقة تقريبًا في 9 من أصل 10 مرات عند فصل المكونات التوافقية عن المزيج. وبمجرد تحديد إشارات المرجع هذه، فإنها تخبر عاكس التيار الخاص بمرشح القدرة النشطة المتوازية بما يجب إلغاؤه بالضبط، ولا سيما التوافقيات العنيدة من الرتبة الخامسة والسابعة التي تظهر بكثرة في الشبكات المدعومة بألواح شمسية وفقًا لبعض الأبحاث المنشورة في مجلة Nature Energy العام الماضي.

تعزيز الاستقرار من خلال تنظيم جهد رابط التيار المستمر

يُعد الحفاظ على جهد مستقر في رابط التيار المستمر أمراً بالغ الأهمية للحصول على أداء متسق من مرشحات القدرة الفعالة المتوازية (SAPFs). وعادةً ما يستخدم النظام ما يُعرف باسم وحدة تحكم تناسبية تكاملية (Proportional-Integral Controller) للحفاظ على التوازن. وتقوم هذه الوحدة بإدارة جهد المكثف في دارة التيار المستمر من خلال تعديل كمية القدرة الفعلية التي تتدفق بين المعدات وشبكة الكهرباء. وتُظهر الاختبارات أن هذا الأسلوب يقلل من تموج الجهد بنسبة تقارب 60 بالمئة مقارنةً بالنظم التي لا تتضمن تنظيم الجهد. فما المغزى العملي من ذلك؟ إنها تساعد على الحفاظ على التعويض التوافقي السليم حتى في حال حدوث مشكلات مثل التظليل الجزئي أو التغيرات المفاجئة في شدة ضوء الشمس. وتحدث هذه الأنواع من المشكلات بشكل متكرر في المزارع الشمسية الكبيرة، مما يجعل التحكم الجيد بجهد التيار المستمر أمراً ضرورياً لتشغيل سلس ومستقر.

الاتجاهات الناشئة: التحكم التكيفي والتحكم القائم على الذكاء الاصطناعي في مرشحات القدرة الفعالة المتوازية

تدمج أحدث طرازات SAPF الآن الشبكات العصبية الاصطناعية مع تقنيات التحكم التنبؤي النموذجية للتنبؤ بسلوك التوافقيات بناءً على مخرجات الألواح الشمسية السابقة ومعلومات الشبكة. ما يميز هذه الأنظمة الذكية هو قدرتها على الاستجابة بأسرع بنسبة 30 بالمئة من الطرق التقليدية، مع تغيير ترددات التبديل تلقائيًا ضمن نطاق يتراوح بين 10 إلى 20 كيلوهرتز لتحقيق ضبط أفضل للأداء. وقد أظهرت الاختبارات الواقعية أنه عندما يتم إشراك الذكاء الاصطناعي في تشغيل SAPF، تظل التشويه الكلي للتوافقيات (THD) أقل باستمرار من 3٪، وهو ما يفوق في الواقع المعايير الصارمة التي حددها المعيار IEEE 519-2022 عبر مختلف السيناريوهات التشغيلية المختلفة وفقًا لأبحاث حديثة في أنظمة التحكم نشرها معهد IEEE.

تقنيات تقليل التوافقيات التكميلية لتحسين أداء APF

حلول التصفية المسبقة: عاكسات متعددة النبضات ومرشحات LCL

تُقلل العاكسات متعددة النبضات من توليد التوافقيات عند المصدر مباشرة من خلال استخدام لفات محولات ذات إزاحة زاوية. يمكنها التخلص من التوافقيات المزعجة الخامسة والسابعة تقريبًا بنسبة تتراوح بين 40 إلى 60 بالمئة مقارنةً بالتصاميم التقليدية ذات الستة نبضات. أضف إلى ذلك في يومنا هذا مرشحًا من النوع LCL وشاهد ما يحدث بعد ذلك. تعمل هذه المرشحات بشكل رائع على كبح الضوضاء العالية التردد الناتجة عن التبديل فوق علامة 2 كيلوهرتز. معًا، فإنها تخفف كثيرًا من العبء الواقع على أي مرشحات نشطة للقدرة (APFs) تأتي بعدها في النظام. بالنسبة للمهنيين العاملين في تركيبات الطاقة الشمسية، تجعل هذه الاستراتيجية المتدرجة في التصفية من الأسهل بكثير الامتثال لمعايير IEEE 519 لعام 2022 الصارمة. تؤكد بعض الدراسات الصادرة عن IntechOpen هذه الفائدة، حيث تُظهر تحسنًا يتراوح تقريبًا بين 15٪ وصولاً إلى 30٪ في معدلات الامتثال.

الأساليب الهجينة: الجمع بين محولات الزقزاق (Zig-Zag) والمرشحات النشطة للقدرة

يؤدي محول الزيج زاج عملًا جيدًا نسبيًا في التصدي لتلك التوافقيات المزعجة من التسلسل الصفري المعروفة باسم التوافقيات الثلاثية (مثل الدرجة الثالثة، والتاسعة، والخامسة عشرة). هذه العناصر المسببة للمشاكل هي ما يؤدي إلى ازدحام الموصلات المحايدة في أنظمة الطاقة الكهروضوئية ثلاثية الأطوار. وعند دمج هذه المحولات مع مرشحات القدرة النشطة، فإننا نشهد انخفاضًا بنسبة تقارب 90٪ أو أكثر في التوافقيات ذات الترددات المنخفضة دون 1 كيلوهرتز وفقًا لاختبارات متعددة للربط بالشبكة. ما يجعل هذا التجميع مثيرًا للاهتمام هو أنه يسمح فعليًا للمهندسين بتخفيض حجم مرشحاتهم النشطة بنسبة نصف تقريبًا، وأحيانًا أكثر من ذلك. والمرشحات الأصغر حجمًا تعني توفيرًا كبيرًا في تكاليف المعدات الأولية، بالإضافة إلى انخفاض النفقات المستمرة للصيانة.

دمج برمجيات الإنفرتر الذكي للقمع الاستباقي للتوافقيات

بدأ الجيل الأحدث من المحولات الشبكيّة باستخدام خوارزميات تنبؤية لقمع التوافقيات، مع تعديل استراتيجيات التعديل لديها في أقل من خمسة ميلي ثانية. وتتواصل هذه الأجهزة الذكية مع مرشحات القدرة الفعالة من خلال معايير IEC 61850، مما يمكنها من إصلاح مشكلات شكل الموجة عند مصدرها بدلًا من السماح للمشاكل بالتراكم في اتجاه المصب. تُظهر الاختبارات الواقعية حدوث شيء مثير للاهتمام عندما تعمل الأنظمة بهذه الطريقة التشاركية. حيث تنخفض التشوهات التوافقية الإجمالية إلى أقل من 3٪ حتى عند تغير مستويات أشعة الشمس بشكل مفاجئ، وهي نتيجة مثيرة للإعجاب بالنظر إلى مدى حساسية محطات الطاقة الشمسية. بالإضافة إلى ذلك، هناك فائدة أخرى جديرة بالذكر: إن مرشح القدرة الفعالة يعمل ويُطفأ بنسبة أقل بنسبة 40٪ مقارنةً بالسابق. وهذا يعني عمرًا أطول للأجهزة وفعالية أعلى للنظام الكهربائي ككل.

تقييم أداء القيمة الاقتصادية لمرشحات القدرة الفعالة في محطات الخلايا الكهروضوئية

قياس الفعالية: دراسات حالة الامتثال لمعيار IEEE 519-2022 والحد من التوافقيات (THD)

تتطلب التركيبات الكهروضوئية مرشحات نشطة للقدرة من أجل الامتثال لمعايير IEEE 519-2022 التي تحدد حدًا أقصى بنسبة 5٪ لتشويه الجهد التوافقي الكلي عند نقاط الربط. وعند تشغيلها فعليًا، فإن هذه المرشحات النشطة للقدرة (APFs) تقلل عادةً مستويات التشويه التوافقي الكلي من حوالي 12 في المئة إلى ما بين 2 أو 3 في المئة في معظم الأنظمة الشمسية التجارية. وهذا يساعد على منع ارتفاع درجة حرارة المعدات بشكل مفرط ويوقف تلك التشوهات الموجية الضارة التي قد تتسبب في تلف الأنظمة مع مرور الوقت. وعند النظر إلى ما حدث في عام 2023 عندما قام باحثون بفحص سبعة مزارع شمسية كبيرة، لاحظوا أمرًا مثيرًا: بعد تركيب المرشحات النشطة للقدرة، ارتفع الامتثال لقواعد الشبكة بشكل كبير من مجرد أكثر بقليل من النصف (حوالي 58٪) إلى امتثال شبه كامل بنسبة 96٪. ويُشير خبراء جودة الطاقة بانتظام إلى فائدة إضافية أيضًا. فهذه المرشحات لا تزال تعمل بشكل جيد نسبيًا حتى عندما لا يعمل النظام بالسعة القصوى، وأحيانًا تنخفض السعة إلى 30٪ فقط، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للطاقة الشمسية حيث يتغير إنتاج الطاقة بشكل طبيعي طوال اليوم.

الأداء الميداني على المدى الطويل: مرشح الطاقة النشط في منشأة شمسية بألمانيا

أظهرت محطة للطاقة الكهروضوئية تعمل بقدرة 34 ميغاواط في ألمانيا أداءً متميزًا من نظام مرشح الطاقة النشط خلال فترة بلغت ما يقارب الأربعة أعوام ونصف. ظل التشويه التوافقي الكلي منخفضًا باستمرار دون 3.8%، حتى عندما تباين إنتاج المحطة بشكل كبير بين 22% و98% من طاقتها القصوى. ما يجعل هذا الإنجاز جديرًا بالذكر هو أن النظام الذكي للتحكم قلّص استبدال بنوك المكثفات بنسبة نحو ثلاثة أرباع مقارنة بالأساليب السلبية التقليدية. ومن حيث إحصائيات التشغيل المستمر، حافظ المرشح النشط للطاقة على تشغيله بنسبة 98.6%، وهي نسبة تفوق ما تحققه معظم المرشحات السلبية في ظروف مناخية مماثلة (عادة بين 91% و94%). كما أفادت فرق الصيانة بأنها احتاجت إلى التدخل بنسبة أقل بحوالي 40% مقارنة بالأساليب القديمة المعتمدة على المحاثات، مما شكّل وفورات كبيرة في التكاليف على المدى الزمني.

تحليل التكلفة والفائدة: موازنة الاستثمار الأولي مقابل وفورات عقوبات الشبكة

تُعد وحدات المرشحات النشطة (APFs) بالتأكيد أكثر تكلفة في البداية، وعادة ما تكون أسعارها أعلى بنسبة تتراوح بين 25 إلى 35 بالمئة مقارنةً بالمرشحات السلبية التقليدية. ولكن إليك المفارقة: إنها توفر على المصانع ما بين ثمانية عشر ألف وأربعين خمسة وعشرين ألف دولار سنويًا من غرامات الشبكة الناتجة عن مشكلات التوافقيات. فخذ على سبيل المثال منشأة نموذجية بقدرة 20 ميغاواط، حيث يغطي المبلغ الموفر التكلفة الإضافية في أقل من أربع سنوات تقريبًا. ويقوم العديد من الشركات الآن بدمج وحدات APFs مع مرشحاتها الحالية من نوع LCL أيضًا. ويقلل هذا الأسلوب الهجين من تكاليف التخفيف بنحو 19 سنتًا لكل واط ذروة مقارنةً بالاعتماد الكامل على الأنظمة السلبية. بالإضافة إلى ذلك، بدأ المشرعون في التعامل مع وحدات APFs كأصول رأسمالية فعلية يمكن استهلاكها على مدى من سبع إلى اثني عشر عامًا. مما يجعلها جذابة من الناحية المالية مقارنةً بالحلول التقليدية التي تستغرق خمسة عشر عامًا كاملة لاستهلاكها. وبالتالي فإن الحسابات تصبح أكثر فائدة بالنسبة لمعظم العمليات التي تنظر إلى الادخار الطويل الأمد.

الأسئلة الشائعة

ما الذي يسبب التوافقيات في أنظمة الخلايا الكهروضوئية؟

تُنتج التوافقيات في الأنظمة الكهروضوئية بشكل أساسي من خلال الإلكترونيات القدرة غير الخطية الموجودة في المحولات والمحولات القابلة للتحكم بجهد مستمر. وتشمل المصادر الإضافية المحولات القريبة من حدود اشباعها المغناطيسي والأحمال غير المتوازنة في الدارات ثلاثية الطور.

كيف تولد المحولات التوافقيات الكهربائية؟

تُنتج المحولات التي تستخدم تعديل عرض النبضة (PWM) تيارات توافقية عند التبديل، مما يخلق موجات تذبذب عالية التردد وتجمعات توافقية حول مضاعفات تردد التبديل الأساسي.

ما تأثير الانتشار العالي للطاقة الكهروضوئية على التوافقيات في الشبكة؟

مع زيادة الانتشار الكهروضوئي، تزداد تشوهات التوافقيات بسبب تفاعلات الطور، وممانعة الشبكة، ومخاطر الرنين، مما يؤدي إلى زيادة خسائر المحولات وارتفاع درجات حرارة الموصلات.

كيف تساعد مرشحات القدرة النشطة في تقليل التوافقيات؟

تقوم مرشحات القدرة النشطة (APFs) بالكشف عن التوافقيات وتحييدها باستخدام محولات تعتمد على ترانزستورات IGBT ومعالجات رقمية إشارات (DSPs)، وتقلل التشوه التوافقي الكلي إلى أقل من 5%، حتى مع ارتفاع نسبة استغلال الطاقة الشمسية.

ما هي ميزة تركيب مرشحات التوافقيات النشطة عند نقطة الاتصال المشتركة؟

يؤدي تركيب مرشحات التوافقيات النشطة عند نقطة الاتصال المشتركة إلى معالجة التشويش الناتج عن العاكسات واضطرابات الشبكة، مما ينتج عنه تقليل أكبر في معامل التوافقيات الكلي (THD) وتصحيح متزامن لتقلب الجهد.