يمكن لنظام BESS أن يكون متوافقًا مع الشبكة — ومع ذلك يسبب رنينًا توافقيًا

يمكن لنظام تخزين طاقة البطاريات تلبية حدود التوافقيات عند نقطة الاقتران المشتركة الخاصة به، ومع ذلك قد يُدخل ترددًا رنينيًا إلى الشبكة الكهربائية.

هذا ليس تناقضًا. يؤكد توافق الشبكة أن تشوه الجهد والتيار يبقى ضمن الحدود المحددة في ظل الظروف التي تم تقييمها. يصف الرنين التوافقي كيف يستجيب النظام الكهربائي الكامل عند ترددات مختلفة.

قد توجد نقطة رنين دون أن تتسبب فورًا في فشل التوافق. ومع ذلك، إذا قام عاكس نظام BESS أو محول آخر أو تشوه خلفي موجود بإثارة ذلك التردد، فقد يتسبب تيار توافقي صغير نسبيًا في تضخيم كبير للجهد.

تزداد أهمية هذا التمييز مع تزايد اتصال أنظمة تخزين طاقة البطاريات على نطاق المرافق بشبكات الجهد المتوسط والعالي.

ما هو الرنين التوافقي في نظام BESS؟

يحدث الرنين التوافقي في نظام BESS عندما تتفاعل العناصر الحثية والسعوية لنظام تخزين طاقة البطاريات المتصل بالشبكة عند تردد معين.

يحتوي نظام BESS على نطاق المرافق على ما هو أكثر بكثير من البطاريات. وعادةً ما يتضمن اتصال التيار المتردد الخاص به:

• أنظمة تحويل القدرة

• مرشحات خرج العاكس

• محولات رفع الجهد

• كابلات تجميع الجهد المتوسط

• محولات الاتصال الرئيسية بالشبكة

• المحولات المساعدة

• معدات القدرة غير الفعالة

• معدات الحماية والتبديل

تساهم المحولات والشبكة الخارجية في الحث. بينما تساهم الكابلات ومرشحات العاكس وبنوك المكثفات في السعة.

عند تردد معين، يمكن للمفاعلات الحثية والسعوية أن تتفاعل لإنشاء رنين متوازٍ أو رنين متسلسل.

الرنين التوافقي المتوازي

ينشئ الرنين المتوازي ممانعة عالية للشبكة عند تردد معين.

عندما يتدفق تيار توافقي عند هذا التردد أو بالقرب منه، يمكن للممانعة العالية أن تنتج جهدًا توافقيًا كبيرًا بشكل غير متناسب. وهذا أحد أسباب أن تيارًا توافقيًا صغيرًا قد يؤدي إلى تشوه غير متوقع للجهد عند نقطة الاقتران المشتركة.

الرنين التوافقي المتسلسل

ينشئ الرنين المتسلسل مسارًا منخفض الممانعة عند تردد معين.

يمكن أن يسمح ذلك بمرور تيار توافقي مفرط عبر المحولات أو الكابلات أو المكثفات أو المرشحات التوافقية. وقد يؤدي التيار الناتج إلى زيادة تسخين المعدات والإجهاد الكهربائي حتى عندما يبدو الجهد التوافقي عند PCC مقبولًا.

لذلك يجب تقييم مشكلة الرنين التوافقي في نظام BESS باستخدام قياسات الجهد والتيار معًا.

توافق الشبكة لا يعني الخلو من الرنين

تحدد أكواد الشبكة ومعايير التوافقيات عادةً حدود تشوه الجهد والتيار عند نقطة الاقتران المشتركة.

يثبت التوافق أن النتائج المقاسة أو المحسوبة تستوفي تلك الحدود. ومع ذلك، تكون النتيجة صالحة فقط لظروف التشغيل وتكوين الشبكة والافتراضات المضمنة في التقييم.

يختلف الرنين لأنه خاصية لممانعة النظام الكامل.

يمكن أن تبقى نقطة رنين في الشبكة حتى عندما يكون التشوه التوافقي أقل من الحد المعني. ولا تصبح مرئية إلا عند وجود طاقة توافقية كافية بالقرب من تردد الرنين.

لذلك قد يجتاز نظام BESS تقييمه التوافقي الأولي ولكنه يواجه مشكلة لاحقًا بعد:

• تغير مستوى قصر الدائرة في الشبكة

• إخراج محول من الخدمة

• فصل كابل أو دائرة علوية

• تشغيل بنك مكثفات

• اتصال محطة طاقة متجددة أخرى بالقرب منه

• زيادة التشوه التوافقي الخلفي

• تغيير نظام BESS لوضع التشغيل

• تغير عدد العواكس قيد التشغيل

لا ينبغي اعتبار توافق الشبكة دليلًا على أن التركيب لن يواجه الرنين التوافقي مطلقًا.

كيف يغير نظام BESS ممانعة الشبكة

قد يمثل التقييم التوافقي التقليدي العاكس كمصدر للتيار التوافقي. وعلى الرغم من فائدته، فإن هذا النموذج لا يصف التفاعل الكامل للعاكس مع الشبكة.

يمتلك عاكس نظام تخزين الطاقة بالبطاريات الحديث ممانعة خرج تعتمد على التردد. ويتأثر سلوكه بما يلي:

• نطاق عرض النطاق الترددي للتحكم في التيار

• إعدادات الحلقة المقفلة بالطور

• تأخيرات التحكم الرقمي

• التخميد الفعّال

• التغذية الأمامية للجهد

• تردد التبديل

• تصميم مرشح الخرج

• القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة

• التحكم المتتبع للشبكة أو المشكل للشبكة

عند بعض الترددات، قد يظهر العاكس كعنصر حثي. وعند ترددات أخرى، قد يظهر كعنصر سعوي. كما قد تتغير ممانعته الفعالة مع نقطة تشغيله ونمط التحكم.

يمكن التعبير عن العلاقة الأساسية بين الجهد التوافقي والتيار التوافقي كما يلي:

الجهد التوافقي = الممانعة التوافقية × التيار التوافقي

إذا كانت ممانعة الشبكة منخفضة، فقد ينتج عن تيار توافقي معين تشوه محدود في الجهد.

إذا ازدادت الممانعة بشكل حاد بالقرب من نقطة رنين توازٍ، فإن التيار التوافقي نفسه يمكن أن ينتج جهداً توافقياً أعلى بكثير.

لذلك يتحدد التشوه الناتج بأكثر من مجرد التيار التوافقي الذي ينتجه نظام تخزين الطاقة بالبطاريات. فهو يعتمد أيضاً على الممانعة التي يتدفق عبرها ذلك التيار.

لماذا تُعد كابلات الجهد المتوسط مهمة

غالباً ما تحتوي محطات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات ذات الجهد المتوسط على شبكات كابلات واسعة تربط محطات عواكس متعددة بلوحة مفاتيح مشتركة.

تضيف هذه الكابلات سعة إلى النظام. وعند دمجها مع حث المحول والشبكة، يمكن أن تؤدي سعة الكابل إلى إنشاء نقطة رنين توازٍ.

كلما تم تركيب المزيد من الكابلات، تزداد السعة الكلية. وقد يؤدي ذلك إلى إزاحة الرنين نحو تردد أقل وتقريبه من المكونات التوافقية التي تنتجها العواكس أو الموجودة مسبقاً في الشبكة.

يعتمد التردد الرنيني النهائي على عوامل تشمل:

• طول الكابل

• تركيب الكابل

• عدد الدوائر المتوازية

• ممانعة تسرب المحول

• مستوى قصر الدائرة في الشبكة

• عدد العواكس المتصلة

• المرشحات وبنوك المكثفات الموجودة مسبقاً

لذلك يجب تمثيل سعة الكابل بدقة في كل دراسة توافقية لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات. إن التعامل مع نظام التجميع كممانعة بسيطة عند التردد الأساسي قد يخفي سلوكاً توافقياً مهماً.

يمكن أن تتفاعل العواكس المتعددة المطابقة للمتطلبات معاً

قد يحتوي نظام تخزين الطاقة بالبطاريات على نطاق المرافق على عشرات أو مئات من وحدات العاكس التي تعمل بالتوازي.

قد يطابق كل عاكس متطلبات التوافقيات الخاصة بمعداته عند اختباره مقابل ممانعة مرجعية محددة. ومع ذلك، فإن توصيل العديد من العواكس بشبكة تجميع مشتركة يغير الممانعة المكافئة للمحطة.

يمكن أن يتضمن التيار التوافقي المرصود من عاكس واحد ما يلي:

• التيار الناتج عن ذلك العاكس

• التيار الناتج من عواكس أخرى متوازية

• التيار الناتج عن تشوه جهد الشبكة الخلفي

• التيار الدوراني بين وحدات العاكس

يمكن لكل عاكس ومرشح الخرج الخاص به أيضاً إدخال قمة رنينية. ومع توصيل المزيد من الوحدات، تصبح استجابة الممانعة المجمعة أكثر تعقيداً.

وهذا يعني أن عشرين عاكساً متوافقاً بشكل فردي لا تكون دائماً مكافئة كهربائياً لعاكس واحد مضروب في عشرين.

يجب دراسة نظام BESS الكامل باعتباره نظامًا مترابطًا.

مثال حقيقي لنظام BESS بقدرة 50 ميغاواط

فحصت دراسة حديثة نظام BESS بقدرة 50 ميغاواط متصلًا بشبكة بجهد 33 كيلو فولت. احتوى المصنع على 19 عاكسًا ومحولات الرفع المرتبطة بها.

وجدت القياسات التي أُجريت أثناء التشغيل التجريبي والتشغيل وجود عدم امتثال للتوافقيات عبر ظروف متعددة للشحن والتفريغ. امتدت الترددات المتأثرة من المرتبة التوافقية الرابعة عشرة تقريبًا إلى المرتبة الخامسة والستين.

تم تحديد منطقتي رنين رئيسيتين.

حدث الرنين الأول بين المرتبتين التوافقيتين الرابعة عشرة والعشرين تقريبًا، وكان مرتبطًا بالممانعة الذاتية لعاكسات BESS.

حدث الرنين الثاني بين المرتبتين التوافقيتين الخمسين والسبعين تقريبًا، وكان مرتبطًا بشكل أساسي بسعة كابلات التجميع بجهد 33 كيلو فولت.

أظهر التحقيق أن المشكلة لا يمكن تفسيرها بانبعاثات التوافقيات من العاكسات فقط. فقد غيّر نظام BESS ممانعة الشبكة وضخّم مكونات توافقية معينة.

تم تطوير نموذج نظام مُتحقق منه باستخدام قياسات من أوضاع الخمول والشحن والتفريغ. وصُمم لاحقًا مرشح توافقي من نوع C بقدرة 5 ميغافار وتم توصيله بلوحة مفاتيح BESS بجهد 33 كيلو فولت.

خفّف المرشح مناطق الرنين وجعل التركيب ضمن حدود التوافقيات المعمول بها.

توضح الحالة سبب ضرورة أن تقيّم دراسة التوافقيات الخاصة بـ BESS كلاً من مصادر التوافقيات وممانعة الشبكة المعتمدة على التردد.

لماذا قد لا تحدث الحالة الأسوأ عند القدرة الكاملة

غالبًا ما يُفترض أن أقصى قدرة للشحن أو التفريغ ستنتج أعلى تشوه توافقي.

هذا ليس صحيحًا دائمًا.

يمكن أن يتغير الطيف التوافقي لعاكس BESS مع قدرة الخرج والقدرة غير الفعالة ووضع التحكم الخاص به. وقد يتغير أيضًا عدد وحدات العاكس العاملة عند الحمل الجزئي.

عند انخفاض خرج BESS:

• قد تعمل وحدات عاكس أقل

• قد ينخفض إلغاء التوافقيات بين الوحدات

• قد يزداد تشوه التيار كنسبة مئوية من التيار الأساسي

• قد تتغير أوضاع التحكم

• قد تتغير ممانعة المصنع

• قد يصبح تشوه جهد الخلفية أكثر تأثيرًا

لذلك يمكن أن يحدث رنين التوافقيات الأكثر شدة في BESS أثناء الشحن الجزئي أو التفريغ الجزئي أو دعم القدرة غير الفعالة أو التشغيل في وضع الاستعداد.

قد تفوّت دراسة التوافقيات التي تعتمد فقط على القدرة الفعالة الاسمية حالة التشغيل الفعلية الأسوأ.

كيف تحرّك ظروف الشبكة تردد الرنين

ممانعة الشبكة ليست ثابتة.

تتغير مع انتقال نظام النقل أو التوزيع بين تكوينات التشغيل المختلفة. فقد يكون لشبكة قوية تحتوي على عدة محولات ودوائر قيد الخدمة ملف ممانعة توافقية مختلف عن شبكة ضعيفة أثناء انقطاع مخطط له.

يمكن أن تؤدي التغيرات في محاثة الشبكة إلى تحريك تردد الرنين ليصبح أقرب إلى مصدر توافقي مهم أو أبعد عنه.

تشمل ظروف الشبكة المهمة:

• الحد الأدنى والأقصى لمستويات قصر الدائرة

• تكوينات التشغيل العادية والانقطاعات

• توفر المحولات

• تبديل أقسام القضبان

• مواضع نقاط ضبط المحولات

• حالة التوليد القريب

• تبديل المكثفات والمفاعلات

• تعزيزات الشبكة المستقبلية

لا يمكن دائمًا لمستوى قصر دائرة واحد ونسبة X/R واحدة تمثيل السلوك التوافقي الكامل للشبكة الخارجية.

ينبغي أن تستخدم دراسة ربط BESS بالشبكة القوية غلاف ممانعة أو حالات متعددة للشبكة تعتمد على التردد.

ما الذي يجب أن تتضمنه دراسة التوافقيات الخاصة بـ BESS؟

يجب أن تفحص دراسة توافقية كاملة لنظام BESS التفاعل بين العواكس وشبكة التجميع والشبكة الخارجية.

عمليات مسح المعاوقة المعتمدة على التردد

يجب إجراء عمليات مسح المعاوقة عبر نطاق التردد المطلوب وفقًا لقواعد الشبكة المعمول بها.

يجب أن تحدد عمليات المسح ما يلي:

• قمم الرنين المتوازي

• قيعان الرنين المتسلسل

• حركة الرنين بين حالات التشغيل

• الترددات القريبة من الانبعاثات المهمة للعواكس

• الترددات القريبة من التوافقيات الخلفية للشبكة

• التفاعلات مع المرشحات الحالية وبنوك المكثفات

ظروف تشغيل متعددة لنظام BESS

يجب أن تشمل الدراسة ما يلي:

• الشحن بالطاقة الكاملة

• الشحن بالطاقة الجزئية

• التفريغ بالطاقة الكاملة

• التفريغ بالطاقة الجزئية

• التشغيل في وضع الاستعداد

• دعم القدرة غير الفعالة عند قدرة فعالة صفرية

• أعداد مختلفة من العواكس العاملة

• انخفاض توافر المحطة

بيانات دقيقة للمكونات

يجب تمثيل معاوقة المحول وسعة الكابلات ومعاملات المرشحات ومعدات القدرة غير الفعالة بدقة.

يمكن للأخطاء الصغيرة في السعة أو الحث أن تغير تردد الرنين المحسوب وتبدل أداء المرشح المتوقع.

نماذج العواكس المعتمدة على التردد

عند توفرها، يجب على مصنعي العواكس توفير بيانات انبعاث التوافقيات ونماذج المعاوقة المعتمدة على التردد.

إذا تعذر مشاركة نماذج التحكم التفصيلية، فقد توفر مكافئات Norton أو Thévenin على شكل صندوق أسود معلومات طرفية كافية لتقييم التفاعل التوافقي.

قياسات التوافقيات الخلفية

يجب قياس تشوه جهد الخلفية قبل تنشيط نظام BESS كلما أمكن ذلك.

تساعد هذه القياسات في التمييز بين:

• التوافقيات الناتجة عن نظام BESS

• تشوه الشبكة الحالي

• التوافقيات التي تضخمها معاوقة نظام BESS

• التفاعلات بين التشوه الخلفي والمنشأة الجديدة

التحقق في الموقع

يجب مقارنة القياسات بعد التشغيل بنموذج المحاكاة.

إذا لم تتطابق قمم المعاوقة المقاسة والمحسوبة، فيجب تصحيح النموذج قبل تصميم معدات تخفيف التوافقيات.

كيفية تخفيف رنين التوافقيات في نظام BESS

تعتمد طريقة التخفيف الصحيحة على نطاق التردد ومعاوقة الشبكة وسلوك العاكس والقدرة غير الفعالة المطلوبة.

تشمل الحلول الممكنة:

• المرشحات التوافقية السلبية

• مرشحات توافقية من النوع C

• مرشحات تمرير عالٍ مخمدة

• مرشحات توافقية نشطة

• مرشحات هجينة سلبية ونشطة

• مفاعلات إضافية للمحول أو الخط

• التخميد النشط في تحكمات العاكس

• الممانعة أو القبولية الافتراضية

• تغييرات في ترتيبات المحولات أو الكابلات

• التشغيل المنسق لوحدات العاكس

مرشحات توافقية سلبية

توفر المرشحات التوافقية السلبية مسارًا منخفض الممانعة للتيارات التوافقية المحددة ويمكنها إضافة تخميد إلى ملف ممانعة الشبكة.

تُستخدم عادةً عند الجهد المتوسط لأنها يمكن أن تكون اقتصادية وفعالة ومناسبة لقدرات طاقة كبيرة.

ومع ذلك، فإن كل مرشح سلبي يغير أيضًا ممانعة الشبكة. يمكن لمرشح سيئ التصميم أن ينقل نقطة رنين موجودة أو ينشئ نقطة جديدة.

مرشحات توافقية من النوع C

يمكن لمرشحات النوع C توفير تخميد للتوافقيات مع تقليل خسائر التردد الأساسي في مقاومة التخميد.

تكون غالبًا مناسبة عندما يكون كل من التخميد واسع النطاق وتعويض القدرة غير الفعالة مطلوبين.

يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار:

• تردد الضبط

• عامل الجودة

• تصنيف القدرة غير الفعالة

• جهد وتيار المكثف

• خطية المفاعل

• مهمة طاقة المقاومة

• تفاوتات التصنيع

• تقادم المكونات

• حالات طوارئ الشبكة

• التغييرات المستقبلية في النظام

مرشحات توافقية نشطة

تقيس المرشحات النشطة التيار أو الجهد التوافقي وتحقن إشارة تعويضية.

يمكنها التكيف مع ظروف التشغيل المتغيرة، ولكن يجب تقييم تصنيفها المطلوب وعرض نطاق التحكم وواجهة الجهد المتوسط بعناية.

تعديلات تحكم العاكس

في بعض التركيبات، يمكن تخفيف الرنين التوافقي عن طريق تغيير معلمات تحكم العاكس أو إضافة تخميد نشط.

قد يكون هذا النهج فعالًا من حيث التكلفة خلال مرحلة التصميم، لكنه يتطلب تعاونًا وثيقًا مع مُصنّع العاكس والتحقق الدقيق عبر جميع ظروف الشبكة.

يجب تصميم المرشح التوافقي وفقًا للنظام

يجب عدم اختيار المرشح التوافقي باستخدام أكبر رتبة توافقية فقط كما هو موضح في تقرير القياس.

يجب تصميم المرشح وفقًا لـ:

• ملف الممانعة الكامل

• جميع ظروف الشبكة الموثوقة

• أوضاع الشحن والتفريغ

• التشوه الخلفي الموجود

• مصادر التوافقيات المستقبلية

• تفاوتات المكونات

• الحدود الحرارية والعازلة

• متطلبات القدرة غير الفعالة الأساسية

الهدف ليس ببساطة تقليل نسبة توافقية واحدة. بل يتمثل في إنشاء ملف ممانعة مستقر ومخمَّد بشكل كافٍ عبر نطاق التردد ذي الصلة.

الأسئلة الشائعة

هل يمكن لنظام تخزين طاقة البطارية (BESS) اجتياز حدود التوافقيات ومع ذلك يحدث فيه رنين؟

نعم. يمكن أن يوجد رنين دون أن تتم إثارته بقوة. وقد يظل جهد وتيار التوافقيات ضمن الحدود إلى أن يتغير تكوين الشبكة أو وضع تشغيل نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) أو طيف التوافقيات الخلفية.

هل يُحدث نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) دائمًا رنينًا توافقيًا؟

لا. يعتمد خطر الرنين على ممانعة العاكس، وسعة الكابل، وممانعة المحول، وقوة الشبكة، ومعدات التعويض الموجودة.

هل يمكن لعدة عواكس متوافقة أن تسبب مشكلة توافقية؟

نعم. تغير العواكس المتعددة المتصلة على التوازي الممانعة المكافئة للمنشأة. ويمكنها أن تتفاعل مع بعضها ومع الشبكة حتى عندما يستوفي كل عاكس على حدة متطلبات مستوى المعدات الخاصة به.

هل يكون أقصى خرج لنظام تخزين طاقة البطارية (BESS) دائمًا أسوأ حالة توافقية؟

لا. قد يؤدي الحمل الجزئي أو وضع الاستعداد أو تشغيل القدرة غير الفعالة أحيانًا إلى تشوه نسبي أعلى أو حالة ممانعة أقل ملاءمة.

هل يمكن لبنك مكثفات أن يزيد من سوء التوافقيات في نظام تخزين طاقة البطارية (BESS)؟

نعم. يمكن للسعة الإضافية أن تنقل تردد الرنين المتوازي إلى موضع أقرب إلى مصدر توافقي موجود. وينبغي تضمين بنوك المكثفات في النموذج التوافقي الكامل.

ما أفضل مرشح للرنين التوافقي في نظام تخزين طاقة البطارية (BESS)؟

لا يوجد مرشح واحد يناسب جميع الحالات. يعتمد التصميم الصحيح على طيف التوافقيات المقاس، وممانعة الشبكة، ومتطلبات القدرة غير الفعالة، وسيناريوهات التشغيل. وقد تكون المرشحات من نوع C، أو المضبوطة، أو عالية التمرير، أو النشطة، أو الهجينة مناسبة جميعًا في منشآت مختلفة.

الخلاصة

التوافقيات في نظام تخزين طاقة البطارية (BESS)الرنين هو مشكلة تفاعل في النظام، وليس مجرد مشكلة انبعاثات من العاكس.

قد يستوفي نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) حدود التوافقيات عند نقطة الاقتران المشترك، ومع ذلك يسبب ترددًا رنينيًا أو يزيحه. وإذا أُثير هذا التردد لاحقًا بواسطة نظام تخزين طاقة البطارية (BESS)، أو محول آخر، أو تشوه خلفي في الشبكة، فقد يزداد جهد التوافقيات أو تيارها بشكل كبير.

لذلك ينبغي أن تتضمن دراسة موثوقة لتوافقيات نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) عمليات مسح للممانعة المعتمدة على التردد، وأوضاعًا متعددة للشحن والتفريغ، وتكوينات واقعية للشبكة، وبيانات دقيقة للكابلات والمحولات، وقياسات للتوافقيات الخلفية، والتحقق بعد بدء التشغيل.

لا تقتصر الأسئلة الرئيسية على: هل يلتزم نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) بحدود التوافقيات اليوم؟

بل تشمل أيضًا: أين توجد رنات النظام، وما الذي يمكن أن يثيرها، وكيف ستتغير غدًا؟