دراسة حالة تطبيقية لتعويض القدرة التفاعلية في مجال توليد الطاقة الكهروضوئية

أولاً: خلفية المشروع

مع أهداف الصين "المزدوجة للكربون"، يتمتع قطاع توليد الطاقة الكهروضوئية بفرص نمو جديدة وآفاق واعدة. وقد أصدر مجلس الدولة إشعارًا بشأن خطة العمل للحد من ذروة انبعاثات الكربون بحلول عام 2030، والذي يقترح بوضوح أن تتجاوز القدرة الإجمالية المركبة لطاقة الرياح والطاقة الشمسية 1.2 مليار كيلوواط بحلول عام 2030. ومع ازدياد اعتماد مشاريع توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة على نطاق واسع في البيئات الصناعية والتجارية، والمجمعات الصناعية، والمجمعات السكنية، أصبحت الفوائد البيئية لتوليد الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة أكثر وضوحًا.

مع ذلك، برزت مشكلة انخفاض معامل القدرة الناجمة عن دمج الطاقة في الشبكة كتحدٍ شائع يواجه العديد من المستخدمين. فعوامل مثل الإنتاج الطبيعي لأنظمة الطاقة الشمسية قد تُخفض معامل القدرة في الدوائر الكهربائية، كما أن ضعف مطابقة القدرة التفاعلية على الشبكة قد يُؤدي أيضاً إلى انخفاضه.

يؤدي عدم الالتزام بقواعد شركات الكهرباء فيما يتعلق بالتقييمات إلى فرض غرامات إضافية على معامل القدرة. وترفع هذه الغرامات تكاليف التشغيل على المستهلكين وتضر بالجدوى الاقتصادية لمشاريع الطاقة الشمسية. وفي الحالات الخطيرة، قد تُعرّض هذه المشكلات استقرار وكفاءة تشغيل شبكات الكهرباء للخطر.

ثانياً: وضع الصناعة

وفقًا لـ"إجراءات تعديل معامل القدرة لرسوم الكهرباء"، يجب على مستخدمي الكهرباء في القطاع الصناعي الحفاظ على متوسط معامل قدرة شهري لا يقل عن 0.9 لتجنب غرامات الكهرباء. وتستخدم معظم المصانع حاليًا تقنية تبديل المكثفات التقليدية لتعويض القدرة التفاعلية.

عندما لا تُركّب أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في الموقع، تسحب الشبكة كمية كبيرة من الطاقة الفعّالة. ولأن تعويض المكثفات له حدود، فإن تعويض الطاقة غير الفعّالة لا يكون كاملاً. ومع ذلك، فإن هذه الكمية ضئيلة مقارنةً باستهلاك الشبكة للطاقة الفعّالة. وبالتالي، يمكن للنظام ضمان معامل قدرة أعلى من 0.9.

ومع ذلك، بعد تركيب أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في الموقع، غالباً ما يكون إنتاج الطاقة الشمسية مرتفعاً. وهذا يمكن أن يقلل بشكل حاد من الطاقة الفعالة التي تستخدمها الأحمال المتصلة بالشبكة.

في هذا السيناريو، يصبح تعويض المكثف أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق التوازن بين الطاقة التفاعلية المتبقية وطلب الشبكة.

في الوقت نفسه، تقوم المحولات وخطوط النقل بتوليد طاقة تفاعلية إضافية، مما يزيد من فائض الطاقة التفاعلية على جانب الجهد العالي.

يؤدي ذلك إلى انخفاض حاد في معامل القدرة في الموقع، وقد يتسبب في غرامات باهظة على الكهرباء. ويمكن أن تؤدي هذه الغرامات إلى خسائر فادحة للمستهلكين النهائيين ومصنعي الألواح الشمسية الكهروضوئية.

ثالثًا: حل "الاستخلاص العالي والتعويض المنخفض"

في الوقت الحالي، تقوم شركات الطاقة عادةً بقياس استهلاك الكهرباء على جانب الجهد العالي. وعند حساب القدرة التفاعلية، فإنها تشمل القدرة التفاعلية من الأحمال ذات الجهد المنخفض والمحولات وخطوط النقل.

لا تستطيع تدابير التخفيف التقليدية للجهد المنخفض سوى تعويض القدرة التفاعلية الناتجة عن الأحمال، ولا تعالج بشكل فعال القدرة التفاعلية المتولدة من المحولات وخطوط النقل.

بالنسبة لمواقع توليد الطاقة الكهروضوئية، لا يمكننا تجاهل الطاقة التفاعلية التي تولدها المحولات وخطوط النقل.

لذلك، قمنا بتطوير حل تطبيق منتج يتميز بـ "أخذ عينات عالي وتعويض منخفض". يتضمن هذا الحل أخذ عينات عند مدخل الجهد العالي، ثم التعويض عند جانب الجهد المنخفض. وهذا يحقق تعويض القدرة التفاعلية على جانبي الجهد العالي والمنخفض.

بالمقارنة مع أجهزة تعويض القدرة التفاعلية التقليدية ذات الجهد العالي، فإن حل "الحصاد العالي والتعويض المنخفض" يقلل التكاليف بشكل كبير. كما أنه يتميز بسهولة التركيب والصيانة.

1. اختيار المعدات الأساسية: دقة تعويض عالية وسرعة استجابة عالية

في أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية، ونظراً لاستهلاكها المنخفض للطاقة الفعالة، تُعدّ دقة التعويض العالية للغاية ضرورية لإدارة الطاقة غير الفعالة. وتعجز أجهزة تعويض المكثفات التقليدية عن تلبية هذه المتطلبات بسبب نمط التعويض التدريجي وقيود زمن الاستجابة.

ال مولد متغيرات SVG الثابتة يعتمد هذا النظام على مبادئ عاكس مصدر الجهد. ويستخدم ترانزستورات IGBT للتحكم في مقدار وطور جهد التيار المتردد للعاكس. وينتج عن ذلك تيارات تعويض تفاعلية معكوسة تلغي بعضها بعضًا مع تيارات الشبكة التفاعلية، مما يحقق تعويضًا فعالًا للطاقة التفاعلية.

بفضل تبديل IGBTs بترددات تصل إلى عشرات الكيلوهرتز، يمكن لأنظمة SVG تعويض الأحمال التفاعلية بسرعة في 5 مللي ثانية أو أقل.

إنهم يحافظون على دقة عالية تصل إلى 99% أو أكثر.

2. خطة النشر: أخذ عينات بضغط عالٍ مع تعويض بضغط منخفض 1

عند العمل على تعويض القدرة التفاعلية في مواقع الطاقة الشمسية الكهروضوئية، يجب إجراء التعويض على جانب الجهد المنخفض. كما يُعدّ حساب القدرة التفاعلية المُولّدة بواسطة المحولات وكابلات الجهد العالي أمرًا بالغ الأهمية. وتُعتبر إدارة القدرة التفاعلية المتبقية على جانب الجهد العالي أمرًا حيويًا، مما يستلزم أخذ قياسات عشوائية من هذا الجانب. يستخدم المهندسون طريقتين أساسيتين لأخذ العينات: أخذ عينات التيار المباشر من جانب الجهد العالي، وأخذ عينات باستخدام عداد متعدد الوظائف. أخذ عينات التيار المباشر من جانب الجهد العالي: يتم أخذ عينة من تيار جانب الجهد العالي مباشرةً، ثم ضبط زاوية طور الجهد والتيار باستخدام نموذج المحول، وحساب القدرة التفاعلية على جانب الجهد العالي، ثم تطبيق تعويض القدرة التفاعلية على جانب الجهد المنخفض. يوضح المخطط التوضيحي أدناه:

أخذ عينات من العداد متعدد الوظائف: قم بتركيب عداد متعدد الوظائف على جانب الجهد العالي. يقوم العداد بأخذ عينات من إشارات الجهد والتيار الثانويين، ثم يحسب القدرة التفاعلية.

يرسل النظام القدرة التفاعلية المحسوبة عبر منفذ RS485 إلى مولد القدرة التفاعلية الثابتة SVG للتعويض. يوضح المخطط التوضيحي أدناه:

3. اختيار التركيب: تكوين مرن مع تكامل بين الأنظمة الجديدة والقديمة

يمكن لنموذج "الحصاد العالي والتعويض المنخفض" أن يعمل مع أنظمة التعويض الحالية في الموقع. ويتم تحديد سعته بشكل أساسي باستخدام الطاقة التفاعلية المتبقية على جانب الجهد العالي.

يوفر الجهاز خيارات تركيب مرنة تشمل التركيب على الحائط، والتركيب داخل الخزانة، والتركيب في حاويات خارجية، مما يجعله يتكيف مع ظروف ميدانية متنوعة.

أثناء التثبيت، تأكد من أن تيار التعويض من نظام "الحصاد العالي والتعويض المنخفض" لا يؤثر على أخذ العينات.

تأكد من عدم تداخل ذلك مع عملية أخذ العينات بواسطة أجهزة التعويض الموجودة. فهذا يساعد في الحفاظ على تشغيلها الطبيعي.

يُمكّن هذا النهج وحدة "الحصاد العالي والتعويض المنخفض" من توفير تعويض الطاقة التفاعلية المتبقية، مما يحقق تعويضًا عالي الدقة للطاقة التفاعلية بتكاليف مخفضة.

رابعاً: نتائج التطبيق

شركة شنغهاي لتكنولوجيا الطاقة الجديدة المحدودة هي شركة رائدة في مجال خدمات الطاقة، تتمتع بخبرة واسعة. تتخصص الشركة في تحديثات ترشيد استهلاك الطاقة، وهندسة الطاقة، وتوليد الطاقة النظيفة. كما تدعم تكامل مصادر الطاقة المتعددة وتطوير الشبكات الصغيرة. بعد أن قامت الشركة بتركيب أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في أحد مصانعها بمدينة شيآن، انخفض معامل القدرة في الموقع بشكل حاد، مما أدى إلى غرامات على فواتير الكهرباء، بلغت ذروتها بأكثر من 10,000 يوان شهريًا.

لمعالجة مشكلات غرامات الكهرباء، استخدم الموقع حلاً قائماً على "الحصاد الوفير والتعويض المنخفض". وقد قام بتركيب جهاز تعويض القدرة التفاعلية SVG بقدرة 200 كيلو فولت أمبير يعوّض الجهاز القدرة التفاعلية على جانب الجهد العالي. بعد التدخل، تحسّن معامل القدرة بشكل ملحوظ، ولم يتكبّد الموقع أي غرامات إضافية على فواتير الكهرباء.

1. يتم تقليل القدرة التفاعلية بشكل كبير

تُظهر بيانات قياس الجهد العالي أن القدرة التفاعلية ظلت قريبة من 20 كيلو فار ليلاً قبل المعالجة. وارتفعت إلى أكثر من 60 كيلو فار خلال النهار على أنظمة الجهد العالي في الموقع.

بعد المعالجة، انخفضت القدرة التفاعلية بشكل ملحوظ، وظلت مستقرة عند حوالي 0 كيلو فار لمعظم فترات التشغيل.

القدرة التفاعلية على جانب الجهد العالي قبل التنظيم

القدرة التفاعلية على جانب الجهد العالي بعد التنظيم

2. تحسن ملحوظ في معامل القدرة

بعد تطبيق إجراءات الإصلاح، تحسّن معامل القدرة في الموقع، حيث ارتفع من 0.77 إلى 0.94 في فاتورة الكهرباء الخاصة بالمستخدم. لم يقتصر الأمر على تجنّب المستخدم للغرامات، بل حصل أيضًا على حافز في فاتورة الكهرباء.

خامساً: ملخص الحالة وقيمة الترويج

يُعدّ نظام القدرة التفاعلية عالي الاستخلاص ومنخفض التعويض الحل الأمثل حاليًا، إذ يعالج مشكلات انخفاض معامل القدرة التي تظهر بعد ربط أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بالشبكة. ويعتمد هذا النظام على مطابقة دقيقة وتنظيم فعال، مصمم خصيصًا لخصائص تشغيل أنظمة الشبكة بعد التكامل، ويستخدم استراتيجيات مُخصصة لجمع البيانات والتعويض. ومن خلال رصد نقص القدرة التفاعلية وتغيرات الأحمال بدقة، يُتيح هذا النظام تعديلًا ديناميكيًا وموجهًا للقدرة التفاعلية، مما يُعوض الفاقد بسرعة ويُحسّن كفاءة معامل القدرة بشكل مطرد، ويضمن الامتثال المستمر لقواعد معامل القدرة، ويُساعد على تجنب غرامات عدم الامتثال، ويُخفض تكاليف التشغيل للمستخدمين.

يُحقق هذا الحل أقصى قدر من الربحية لمشاريع توليد الطاقة الكهروضوئية. ويتميز بتوافقه وتكامله الاستثنائيين مع أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية، مما يُتيح دمجه بسلاسة وتشغيله بشكل متزامن دون الحاجة إلى تغييرات جوهرية في المعدات الكهروضوئية الحالية. كما يُوفر العديد من المزايا، بما في ذلك سهولة التركيب، والأداء المستقر، والصيانة البسيطة، والتحكم في تكاليف الاستثمار، وتوفير كبير في الطاقة.

من جهة، يُحسّن هذا النهج جودة الطاقة في الشبكة الكهربائية عن طريق تقليل فقد الطاقة التفاعلية في الخطوط وتعزيز كفاءة النقل، مما يضمن استقرار إمداد الطاقة الكهروضوئية. ومن جهة أخرى، يُساعد المستخدمين على تقليل المخاطر المالية وزيادة أرباح مشاريع الطاقة الكهروضوئية. فهو يُوازن بين الفوائد الاقتصادية للمستخدمين واستقرار الشبكة. ويحقق هذا النهج وضعًا مربحًا للجميع فيما يتعلق بتوليد الطاقة النظيفة واستهلاك الطاقة المتوافق مع المعايير.