هل يمكن لمرشحات الطاقة النشطة (APF) ومولدات التباين الثابتة (SVG) تقديم حلول مهمة لسوق محطات/أكوام شحن السيارات الكهربائية سريع النمو؟

هل يمكن لمرشحات الطاقة النشطة (APF) ومولدات التباين الثابتة (SVG) تقديم حلول مهمة لسوق محطات/أكوام شحن السيارات الكهربائية سريع النمو؟

مع تزايد ملكية المركبات الكهربائية عالميًا، تزايدت مشاكل جودة الطاقة في البنية التحتية للشحن. ونظرًا للأحمال غير الخطية، تُولّد شواحن المركبات الكهربائية تلوثًا توافقيًا وتقلبات في القدرة التفاعلية أثناء التشغيل، مما يؤدي إلى تشوه جهد الشبكة، وارتفاع درجة حرارة المعدات، وانخفاض كفاءة الطاقة. وفي الحالات الشديدة، قد يؤدي هذا إلى تشغيل خاطئ لأجهزة الحماية الكهربائية. مرشحات الطاقة النشطة (APF) و مولدات المتغيرات الثابتة (SVG) كأجهزة تخفيف ديناميكية، لا تعالج هذه المشكلات بفعالية فحسب، بل يمكنها أيضًا خفض تكاليف التشغيل الإجمالية من خلال التكامل التقني المبتكر. يدرس هذا التحليل بشكل منهجي القيمة الأساسية لهاتين التقنيتين في مرافق الشحن من حيث المبادئ التقنية وحلول التطبيقات والمنظور الاقتصادي.

1. مشاكل جودة الطاقة الناتجة عن شواحن السيارات الكهربائية

عادةً ما تعتمد شواحن السيارات الكهربائية (وخاصةً شواحنها المدمجة في أكوام التيار المتردد) على طوبولوجيات مقومات ثلاثية الطور غير مُتحكم بها، والتي تُسبب خصائصها غير الخطية تشوهات شديدة في شكل موجة التيار. تُظهر بيانات الاختبار أن كومة تيار متردد واحدة بقدرة 7 كيلوواط تحت الحمل الكامل يُمكن أن تُولّد تشوهات توافقية كلية للتيار (THDi) تتراوح بين 25% و35%، مع هيمنة التوافقيات الخامسة والسابعة والحادية عشرة. عند تشغيل عدة أكوام في وقت واحد، قد يُؤدي تراكب التيار التوافقي إلى ارتفاع درجة حرارة ملفات مُحول التوزيع، وتسريع تآكل العزل، بل وحتى التسبب في حرائق كهربائية.

في الوقت نفسه، يؤدي التحكم في الطور في أجهزة الشحن إلى تقلبات في معامل القدرة (PF) تتراوح بين 0.6 و0.8، وهو أقل بكثير من معيار الشبكة الذي يزيد عن 0.9. على سبيل المثال، تُظهر القياسات من محطة ذات 10 أعمدة متوسط معامل قدرة يبلغ 0.72 دون تعويض، مما يعني أن حوالي 30% من الطاقة الظاهرية تُشكل مكونات تفاعلية. هذا يزيد من خسائر الخطوط ويسبب انخفاض الجهد. والأهم من ذلك، أن التيارات التوافقية التي تمر عبر عدادات الطاقة التقليدية (المصممة للموجات الأساسية) تؤدي إلى نقص في فواتير استهلاك الطاقة الفعلي بنسبة تتراوح بين 5% و15%، مما يُقلل بشكل مباشر من إيرادات المُشغّل.

الجدول: مشكلات جودة الطاقة النموذجية في محطات الشحن

2. حلول فلتر الطاقة النشطة

للتخفيف من التوافقيات، أصبحت مُرشِّحات التذبذبات التلقائية (APFs) المتكاملة بالغة الأهمية. تُدمج التصاميم المتقدمة مُحوِّلات جسر H مباشرةً في طوبولوجيات الشواحن، مما يُحقق "إزالة توافقية موضعية" عبر توصيل موازٍ بعد العداد. يستخدم نموذج أولي بقدرة 7 كيلوواط، طورته جامعة آنهوي للتكنولوجيا، نظام تحكم رنيني متناسب مزدوج الصفر، مما يُخفِّض THDi على جانب الشبكة إلى أقل من 3% مع دقة تعويض تزيد عن 95% للتوافقيات التي تقل عن الدرجة الثلاثين.

تُظهر مُرشِّحات الطاقة الشمسية المعيارية ذات الجسر H مزايا هامة: انخفاض متطلبات جهد ناقل التيار المستمر بنسبة 50% (650 فولت تيار مستمر)، وانخفاض تموج تيار الخرج بنسبة 40%، وانخفاض خسائر التحويل بنسبة 25% تقريبًا. وقد أظهر الاستخدام في محطة شحن ناقل التيار المستمر (20 عمود تيار مستمر بقدرة 120 كيلوواط) انخفاضًا في THDi من 29.7% إلى 2.1%، مما أدى إلى توفير 17,000 دولار أمريكي سنويًا من خلال تجنب الغرامات.

تُحسّن التطورات في خوارزميات التحكم الاستجابة الديناميكية. يكتشف تحويل فورييه ذو النافذة المنزلقة المنفصلة (DSFT) التوافقيات في غضون 1 مللي ثانية، بينما يُحقق التحكم المركب المتكرر (PI +) استجابة عابرة في أقل من 10 مللي ثانية، وهو أمر بالغ الأهمية لأنماط تغيير خطوات شحن السيارات الكهربائية.

3. حلول مولد المتغيرات الثابتة

تنظم مولدات الجهد الكهربي (SVGs) التيار السعوي/الحثّي عبر عاكسات مصدر الجهد، وتستجيب أسرع بـ 100 مرة (<5 مللي ثانية) من مجموعات المكثفات. في نظام هونان للطاقة الكهربائية المنسق، تتولى الشواحن تصحيح معامل القدرة (PF) (نطاق ±0.95)، بينما توفر مولدات الجهد الكهربي (SVGs) دعمًا تفاعليًا ديناميكيًا أثناء تقلبات الجهد.

يُقلل نموذج التحسين متعدد الأهداف الأساسي من تكلفة التكوين وانحراف الجهد، مُقيّدًا بخصائص حالة الشحنة (SOC) الأولية والبطارية. تُظهر المحاكاة أن مُجمّعات الطاقة الشمسية (SVGs) تُعيد الجهد إلى ±2% من القيمة الاسمية خلال 0.2 ثانية مع انخفاضات بنسبة 8%. يُقلّل حجم مُجمّعات الطاقة الشمسية المُحسّنة السعة المطلوبة بنسبة 35% (على سبيل المثال، 1.2 ميجا فار مقابل 2 ميجا فار لـ 30 كومة).

الجدول: اقتصاديات تكوين SVG

4. الأنظمة الهجينة والابتكارات

تُدمج الأبحاث المتطورة وظائف APF/SVG. يقترح معهد سرينيدهي الهندي مرشح APF هجينًا ثلاثي المستويات (HAPF)، يجمع بين قمع التوافقيات والتعويض التفاعلي، ويعمل بناقلات تيار مستمر متجددة. تُقلل خوارزمية جايا-جراي وولف الهجينة (GWJA) زمن تثبيت الجهد بنسبة 50%، وتُحافظ على THDi أقل من 4% في ظل تقلبات الطاقة الكهروضوئية.

تُعدّ محولات الطاقة ثلاثية المستويات من النوع T اتجاهًا رئيسيًا، إذ تُخفّض جهد التبديل إلى النصف، وهو أمرٌ بالغ الأهمية للشحن فائق السرعة بقدرة 800 فولت. أظهرت الاختبارات على أنظمة بقدرة 350 كيلوواط كفاءةً بنسبة 98.2%، أي أعلى بنسبة 2.5% من التصميمات ثنائية المستويات.

5. التحليل التقني الاقتصادي

على الرغم من ارتفاع التكاليف الأولية (20-40 دولارًا أمريكيًا/كيلووات)، فإن APF/SVG توفر عائدًا جذابًا على الاستثمار:

• إزالة خسائر الفوترة التوافقية: يوفر حوالي 120 دولارًا أمريكيًا سنويًا لكل كومة تيار متردد بقوة 7 كيلو وات
• انخفاض أعطال الاتصالات: انخفاض تكاليف الصيانة بنسبة 60%
• خصومات حوافز صندوق المعاشات التقاعدية: خصم 0.5% على فاتورة الكهرباء لصندوق المعاشات التقاعدية >0.95
• عمر المعدات الممتد: يزيد عمر المحول بمقدار 3-5 سنوات

للمحطات الكبيرة (أكوام 30×120 كيلو وات + 1.2 ميجا فار SVG):

• تجنب عقوبات صندوق المعاشات التقاعدية: توفير حوالي 3000 دولار شهريًا
• انخفاض تكاليف المحولات: انخفاض بنسبة 35% (50 ألف دولار أمريكي تم توفيرها) من خلال تقليص الحجم
• تحسين استقرار الجهد: انقطاعات شحن أقل بنسبة 90%

6. توصيات التطبيق

• أكوام تكييف الهواء الموزعة (سكنية/تجارية): مرشح هواء مدمج لأكوام بقدرة 7-22 كيلو وات
• المحطات المركزية (محطات الحافلات/الطرق السريعة): "SVG + APF مجمع" بحجم SVG بنسبة 30%-40% من إجمالي الحمل
• محطات الطاقة المتجددة المتكاملة: HAPF ثلاثية المستويات مع تحسين GWJA

7. الاتجاهات المستقبلية

ستتيح الأجهزة ذات فجوة النطاق العريض (SiC/GaN) ترددات أعلى (>50 كيلوهرتز) وAPF/SVG أصغر (انخفاض في الحجم بنسبة 40%)، وهو مثالي للمواقع محدودة المساحة. ستتنبأ خوارزميات التعلم التعزيزي العميق باتجاهات التوافقيات بدقة تعويض تصل إلى 99%.

تفرض المعايير الجديدة (على سبيل المثال، المواصفة الفنية الصينية لعام 2023 لإدارة جودة الطاقة) THDi ≤ 5% و PF ≥ 0.95، مما يخلق طلبًا غير قابل للتفاوض على حلول APF/SVG.