تحديات جودة الطاقة التي تنشأ عن أنظمة تخزين طاقة البطاريات

تحديات جودة الطاقة الناجمة عن أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات

أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)أصبحت جزءًا رئيسيًا من البنية التحتية الكهربائية الحديثة. وتستخدم شركات المرافق ومحطات الطاقة المتجددة والمنشآت الصناعية ومراكز البيانات والشبكات المصغرة تخزين البطاريات بشكل متزايد لإدارة الطلب في أوقات الذروة، وتحقيق استقرار إمدادات الطاقة، ودمج الطاقة المتجددة.

ومع ذلك، يمكن أن يؤدي توصيل أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات الكبيرة بشبكة كهربائية أيضًا إلى ظهور تحديات جديدة في جودة الطاقة.

لا يقوم نظامBESSبتوصيل البطاريات مباشرةً بشبكة التيار المتردد. بل يستخدم نظام تحويل الطاقة (PCS) لتحويل طاقة البطارية بالتيار المستمر إلى تيار متردد والعكس. ونظرًا لاعتماد PCS على إلكترونيات قدرة عالية السرعة، فقد يتفاعل مع المحولات والكابلات وبنوك المكثفات والأحمال غير الخطية الأخرى.

ولذلك، يجب أخذ التشوه التوافقي، والقدرة غير الفعالة، وتقلبات الجهد، والرنين، وظروف الشبكة الضعيفة في الاعتبار عند تصميم تركيب BESS.

كيف تؤثر أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات في جودة الطاقة

يتضمن نظام BESS نموذجي رفوف بطاريات، ونظام إدارة البطارية (BMS)، ونظام تحويل الطاقة، ومحولات، ومعدات فصل وتوصيل، ونظام إدارة الطاقة.

ومن منظور جودة الطاقة، يُعد PCS أحد أهم المكونات.

أثناء الشحن، يحول PCS طاقة التيار المتردد من الشبكة إلى طاقة تيار مستمر للبطاريات. وأثناء التفريغ، يحول طاقة البطارية بالتيار المستمر مرة أخرى إلى تيار متردد.

تستخدم المحولات الحديثة أجهزة تبديل من أشباه الموصلات مثل IGBTs أو أجهزة كربيد السيليكون (SiC) للتحكم في هذه العملية. وتوفر هذه المحولات تحكمًا سريعًا ودقيقًا، لكن التبديل قد يؤدي أيضًا إلى إدخال تيارات توافقية والتفاعل مع ممانعة الشبكة الكهربائية.

كما يمكن أن تتغير جودة الطاقة باستمرار لأن نظام BESS قد ينتقل بين الشحن الكامل، والشحن الجزئي، ووضع الاستعداد، والتفريغ الكامل خلال فترة قصيرة نسبيًا.

يمكن تلخيص التحديات الرئيسية على النحو التالي:

إن فهم هذه المشكلات قبل التركيب أسهل بكثير وأقل تكلفة من تصحيحها بعد بدء التشغيل.

1. التشوه التوافقي من محولات طاقة BESS

التشوه التوافقي هو أحد المخاوف الرئيسية المتعلقة بجودة الطاقة والمرتبطة بأنظمة تخزين طاقة البطاريات.

من الناحية المثالية، يتبع الجهد والتيار في نظام التيار المتردد شكل موجة جيبية. تقوم المحولات الإلكترونية للطاقة بتبديل التيار بسرعة للتحكم في تدفق الطاقة، مما ينشئ مكونات ترددية أعلى من التردد الأساسي 50 هرتز أو 60 هرتز.

تُعرف هذه المكونات باسم التوافقيات.

التشوه التوافقي الكلي (THD) يُستخدم عادةً لوصف مقدارها الإجمالي. يمكن أن يؤدي التشوه التوافقي المفرط إلى زيادة الفواقد الكهربائية وارتفاع درجة الحرارة في المحولات والكابلات والمحركات والمعدات الأخرى.

تشتمل معدات PCS الحديثة عادةً على مرشحات مدمجة وأدوات تحكم متقدمة في التبديل. ومع ذلك، يعتمد الأداء التوافقي الفعلي على النظام الكهربائي الكامل، وليس على المحول فقط.

تشمل العوامل المهمة:

• ممانعة الشبكة

• ممانعة المحول

• حمل تشغيل BESS

• الأحمال غير الخطية الموجودة

• بنوك المكثفات

• محولات الطاقة الأخرى

• طول الكابل وسعته

• ظروف الشحن والتفريغ

يعني هذا أن المحول الذي يعمل جيدًا في ظل حالة شبكة معينة قد يعطي نتائج مختلفة عند تركيبه في شبكة أخرى.

لذلك، ينبغي لمشاريع BESS الكبيرة تقييم التوافقيات عند نقطة الربط المشترك (PCC) بدلًا من النظر فقط إلى مواصفات PCS.

2. القدرة غير الفعالة ومعامل القدرة

صُممت أنظمة تخزين طاقة البطاريات بشكل أساسي لتبادل القدرة الفعالة، ولكن معدات PCS الحديثة يمكنها غالبًا التحكم في القدرة غير الفعالة أيضًا.

تُنجز القدرة الفعالة العمل المفيد وتُقاس بالكيلوواط أو الميغاواط. تدعم القدرة غير الفعالة المجالات الكهربائية والمغناطيسية وتُقاس بالكيلوفار أو الميغافار.

يمكن التعبير عن علاقتها بالقدرة الظاهرية كما يلي:

S² = P² + Q²

حيث إن P هي القدرة الفعالة، وQ هي القدرة غير الفعالة، وS هي القدرة الظاهرية.

يمكن لقدرة BESS على التحكم في القدرة غير الفعالة أن تحسن جودة الطاقة فعليًا. فقد يدعم PCS المتحكم به بشكل صحيح الجهد، ويحسن معامل القدرة أو يعوض القدرة غير الفعالة في أماكن أخرى من الشبكة.

ومع ذلك، يمتلك المحول قدرة محدودة للقدرة الظاهرية.

عندما يعمل BESS بالقرب من الحد الأقصى للقدرة الفعالة، قد تتوفر سعة أقل في المحول لتعويض القدرة غير الفعالة. لذلك يحتاج المهندسون إلى مراعاة منحنى قدرة PCS بدلًا من افتراض أن كامل قدرته غير الفعالة متاحة دائمًا.

في الشبكات ذات الأحمال المتغيرة بسرعة، قد تكون هناك حاجة إلى تعويض ديناميكي إضافي إذا لم يتمكن PCS من توفير قدرة غير فعالة كافية في كل ظروف التشغيل.

3. تقلبات الجهد أثناء الشحن والتفريغ

تُعد السرعة إحدى المزايا الرئيسية لتخزين طاقة البطاريات.

يمكن لنظام BESS زيادة قدرة الشحن بسرعة، أو تقليلها، أو التحول من الشحن إلى التفريغ. وهذا يجعل تخزين البطاريات ذا قيمة لتنظيم التردد، وتقليل أحمال الذروة، وموازنة الطاقة المتجددة.

لكن التغيرات السريعة في القدرة يمكن أن تؤثر أيضًا في جهد الشبكة.

يكون هذا التأثير مهمًا بشكل خاص في الشبكات الضعيفة، والشبكات الصناعية البعيدة، والشبكات الصغيرة حيث تكون قدرة القصر منخفضة نسبيًا.

تشمل التأثيرات المحتملة:

• تغيرات الجهد السريعة

• وميض الجهد

• فصل المعدات بشكل غير مرغوب فيه

• تنظيم جهد غير مستقر

• نشاط مغير نقرات المحول

لذلك تصبح قوة الشبكة جزءًا مهمًا من تحليل جودة قدرة نظام تخزين طاقة البطارية (BESS).

في شبكة قوية، قد يؤدي تغير كبير في خرج نظام BESS إلى تغير صغير فقط في الجهد. أما نظام BESS نفسه المتصل بشبكة أضعف، فقد يكون تأثيره أكبر بكثير.

يمكن استخدام التحكم في القدرة غير الفعالة من PCS أو SVG أو STATCOM عند الحاجة إلى دعم سريع للجهد.

4. الرنين التوافقي والمعدات الكهربائية القائمة

لا يعمل نظام BESS بمعزل عن غيره.

قد تحتوي الشبكات الكهربائية الصناعية بالفعل على بنوك مكثفات، ومحولات، وكابلات طويلة، ومحركات ذات تردد متغير، وأنظمة UPS، وعاكسات شمسية، وغيرها من معدات إلكترونيات القدرة.

تؤثر هذه المكونات في ممانعة الشبكة عند ترددات مختلفة.

يمكن أن تُنشئ السعة والمحاثة ترددات رنين طبيعية. وإذا حدث توافق توافقي كبير بالقرب من أحد هذه الترددات، فقد يتضخم الجهد أو التيار التوافقي.

تتطلب بنوك المكثفات اهتمامًا خاصًا.

قد تتفاعل مكثفات تصحيح معامل القدرة مع محاثة المحول والشبكة. ويمكن أن تؤدي إضافة نظام BESS كبير أو معدات أخرى قائمة على المحولات إلى تغيير البيئة التوافقية وتعريض بنك مكثفات قائم لتيارات توافقية أعلى.

تشمل العواقب المحتملة ارتفاع درجة حرارة المكثفات، وتشغيل المصهر، وارتفاع درجة حرارة المفاعل، والتشوه المفرط للجهد، وتعطل المكثفات قبل أوانها.

بالنسبة لمشروعات BESS الصناعية الأكبر أو ذات الجهد المتوسط، يمكن لدراسة التوافقيات أو مسح التردد تحديد الرنين المحتمل قبل تركيب المعدات.

5. لماذا تتغير جودة قدرة نظام BESS مع ظروف التشغيل

على عكس العديد من الأحمال الكهربائية التقليدية، لا يظل نظام تخزين طاقة البطارية عند نقطة تشغيل واحدة.

يمكنه العمل في حالات:

• الشحن الكامل

• الشحن الجزئي

• وضع الاستعداد

• التفريغ الجزئي

• التفريغ الكامل

يمكن أن يتغير الأداء التوافقي والقدرة غير الفعالة وسلوك الجهد عبر هذه الحالات.

على سبيل المثال، قد تبدو نسبة THDi أعلى بكثير عندما يعمل PCS عند حمل منخفض، لأن التيار الأساسي يصبح أصغر. وقد تتغير أيضًا قدرة القدرة غير الفعالة مع اقتراب القدرة الفعالة من الحد الأقصى لتصنيف المحول.

ولهذا السبب، فإن قياس نظام BESS عند نقطة تشغيل واحدة لا يقدم صورة كاملة.

ينبغي لدراسات جودة القدرة تقييم عدة سيناريوهات واقعية للشحن والتفريغ، خاصة للأنظمة الكبيرة المتصلة بشبكات صناعية حساسة.

6. كيفية تقليل مشكلات جودة قدرة نظام BESS

لا يوجد حل واحد لكل مشكلة من مشكلات جودة قدرة نظام BESS. وينبغي اختيار إجراءات التخفيف وفقًا للقياسات الفعلية ودراسات الشبكة ونوع الاضطراب.

ينبغي تقييم PCS نفسه أولًا. تستخدم المحولات الحديثة خوارزميات تحكم ومرشحات خرج لتقليل الانبعاثات التوافقية، ويمكنها غالبًا توفير التحكم في القدرة غير الفعالة.

إذا كانت هناك حاجة إلى تخفيف إضافي للتوافقيات، فيمكن للمرشحات التوافقية السلبية استهداف ترددات توافقية محددة. وغالبًا ما تكون مناسبة لتطبيقات الجهد المتوسط الكبيرة والمستقرة نسبيًا، ولكن يجب أن يراعي تصميمها رنين الشبكة.

يمكن لـ مرشح توافقي نشط (AHF)قياس التيارات التوافقية وحقن تيار تعويضي. وهذا يجعل الترشيح النشط مفيدًا في شبكات الجهد المنخفض حيث تتغير الظروف التوافقية مع الحمل التشغيلي.

بالنسبة لمشكلات القدرة غير الفعالة الديناميكية والجهد، يمكن لـ مولدات القدرة غير الفعالة الساكنة (SVG)أو أنظمة STATCOM توفير تعويض سريع. ويُعد STATCOM مناسبًا بشكل خاص لشبكات الجهد المتوسط الأكبر وتطبيقات الشبكات الضعيفة حيث يكون استقرار الجهد مهمًا.

يعتمد الحل الصحيح على المشكلة. وقد يؤدي تركيب معدات التعويض دون فهم الشبكة أولًا إلى حدوث مشكلات إضافية بدلًا من حلها.

ما الذي ينبغي على المهندسين فحصه قبل توصيل نظام BESS؟

من الناحية المثالية، ينبغي أخذ قياسات أساسية لجودة القدرة قبل التركيب.

تشمل المعلمات المهمة التشوه التوافقي الكلي للجهد، والتشوه التوافقي الكلي للتيار، والرتب التوافقية الفردية، والقدرة الفعالة، والقدرة غير الفعالة، ومعامل القدرة، وتغير الجهد، وعدم اتزان الجهد.

ينبغي للمهندسين أيضًا تحديد:

• قدرة القصر عند PCC

• ممانعة المحول

• بنوك المكثفات الموجودة

• الأحمال الكبيرة غير الخطية

• الكابلات الأرضية الطويلة

• المعدات الأخرى القائمة على العواكس

• قدرة PCS على القدرة غير الفعالة

• الحدود التوافقية المطبقة

بالنسبة للمشاريع الكبيرة، يمكن لتحليل تدفق الأحمال التوافقية ومسوح التردد أن يوفرا فهمًا أوضح لكيفية تفاعل نظام تخزين طاقة البطارية المقترح (BESS) مع الشبكة الحالية.

يُستشهد عادةً بمعايير مثل IEEE 519 عند تقييم التشوه التوافقي عند نقطة الربط المشترك (PCC)، مع ضرورة مراعاة أيضًا أكواد الشبكة المحلية ومتطلبات شركة المرافق.

الأسئلة الشائعة حول جودة طاقة BESS

هل تُحدث أنظمة تخزين طاقة البطاريات توافقيات؟

نعم، يمكنها ذلك. يستخدم نظام BESS محولًا إلكترونيًا للقدرة لتبادل الطاقة مع شبكة التيار المتردد. ويمكن أن يؤدي تبديل المحول إلى توليد تيارات توافقية، رغم أن معدات PCS الحديثة تتضمن مرشحات وطرق تحكم مصممة لتقليلها إلى أدنى حد.

هل يمكن لـ BESS تحسين معامل القدرة؟

نعم. يمكن للعديد من محولات BESS الحديثة التحكم في القدرة غير الفعالة وكذلك القدرة الفعالة. وهذا يعني أن PCS قد يكون قادرًا على دعم تصحيح معامل القدرة، اعتمادًا على قدرته الاسمية والسعة المتاحة.

هل يمكن لتخزين البطاريات أن يتسبب في رنين توافقي؟

يمكن لنظام BESS أن يتفاعل مع ممانعة الشبكة الحالية ويسهم في حالات الرنين. وتؤثر المحولات وبنوك المكثفات والكابلات جميعها في ترددات الرنين للشبكة الكهربائية.

هل يحتاج كل نظام BESS إلى مرشح توافقي؟

لا. ينبغي اختيار الترشيح الإضافي فقط عندما تشير القياسات أو الدراسات الهندسية إلى ضرورته. واعتمادًا على النظام، قد يتضمن الحل المناسب تحسين PCS، أو الترشيح السلبي، أو الترشيح التوافقي النشط، أو غير ذلك من معدات جودة الطاقة.

الخلاصة

توفر أنظمة تخزين طاقة البطاريات فوائد كبيرة لدمج مصادر الطاقة المتجددة وإدارة أوقات الذروة ومرونة الشبكة، لكن ربطها بالشبكات الكهربائية الحديثة يخلق أيضًا اعتبارات جديدة تتعلق بجودة الطاقة.

تشمل أهم التحديات التشوه التوافقي، والقدرة غير الفعالة، وتقلبات الجهد، والرنين التوافقي، والتفاعل مع الشبكات الضعيفة.

وفي الوقت نفسه، يمكن لتقنية BESS أيضًا تحسين جودة الطاقة. ويمكن لأنظمة تحويل القدرة الحديثة توفير التحكم في القدرة غير الفعالة، ودعم الجهد، وخدمات أخرى للشبكة عند تصميمها على النحو الصحيح.

يكمن المفتاح في تقييم الشبكة الكهربائية بأكملها بدلًا من التعامل مع محول البطارية كجهاز معزول. وتتيح القياسات الأساسية، والتحليل التوافقي، ودراسات النظام المناسبة تحديد المشكلات قبل التشغيل وتحديد ما إذا كانت هناك حاجة فعلية إلى حلول إضافية مثل المرشحات السلبية، والمرشحات التوافقية النشطة، أو أنظمة SVG أو STATCOM.

ومع استمرار توسع أنظمة تخزين طاقة البطاريات عبر الشبكات الصناعية وشبكات المرافق، ستصبح جودة الطاقة جزءًا متزايد الأهمية من تصميم أنظمة BESS الموثوقة.