مكونات الجهد العالي لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة

مكثفات وثنائيات الجهد العالي لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة

الملخص

يُعدّ تخزين الطاقة على نطاق الشبكة أسرع تطبيقات الجهد العالي نموًا في إلكترونيات الطاقة، ولا تتجاوز موثوقية محولاته موثوقية الشبكة السلبية المحيطة بها. تشرح هذه المقالة أدوار مكثف ناقل التيار المستمر، ودائرة التخميد، ودائرة الحماية، ومقسم الجهد، بالإضافة إلى تأثير دورات التشغيل المستمرة، وكيفية اختيار مكثفات الجهد العالي، والمقاومات، والثنائيات لمحطات التخزين التي تعمل على مدار الساعة.

1. سياق التطبيق: المحولات على جميع المستويات

تقوم محطة تخزين الطاقة بشحن وتفريغ بطارياتها عبر محولات ثنائية الاتجاه. يحتوي كل محول على ناقل تيار مستمر ينقل كامل طاقة المحطة، ويحافظ مكثف الناقل على ثبات الجهد أثناء تبديل العاكس.

يمتص مكثف ناقل التيار المستمر تموج تردد التبديل ويوفر الطاقة اللحظية التي يحتاجها العاكس في كل نبضة. وهو الجزء السلبي الأكثر تعرضًا للإجهاد في المحول، والأكثر عرضة للإهمال في تحديد مواصفاته.

2. المتطلبات الفنية

2.1 تيار التموج في الحافلة. يتحمل مكثف ناقل التيار تموج العاكس؛ ويحدد تصنيف التيار درجة حرارته وعمره الافتراضي:

2.2 استقرار جهد ناقل البيانات. يجب أن يحافظ ناقل البيانات على جهده خلال تغيرات الحمل؛ وتحدد قيمة المكثف مقدار انخفاض الجهد:

2.3 الحماية والاستشعار. يجب تثبيت الإشارات العابرة الناتجة عن أحداث الشبكة، ويجب قياس جهد الناقل بدقة:

2.4 الامتثال لقواعد الشبكة. يجب أن تتحمل محطة التخزين أحداث الشبكة دون انقطاع، ويجب أن تبقى توافقياتها ضمن رمز الشبكة:

يؤدي التموج على ناقل التيار المستمر إلى تغذية التوافقيات على جانب التيار المتردد مباشرةً؛ كما أن مكثف الناقل الذي يفقد قيمته تحت تأثير الانحياز يرفع نسبة التشوه التوافقي الكلي (THD) وقد يتسبب في خروج المحطة عن نطاق الامتثال. إن مرشح الناقل ليس مجرد تحسين لجودة الطاقة، بل هو متطلب أساسي في قانون الشبكة الكهربائية وله قيمة قابلة للقياس.

الشكل 1 - محول التخزين: مرشح ناقل التيار المستمر، عاكس مع مخمد، اتصال الشبكة.

3. نقاط ضعف المهندسين (ملاحظات ميدانية)

4. مقارنة المكونات: دورة المكثف

5. الاختيار وحل HVC

6. دراسة حالة هندسية

المحطة المعنية عبارة عن موقع لتخزين الطاقة بالبطاريات يعمل بنظام ناقل تيار مستمر بقدرة 20 ميجاواط وجهد 1.5 كيلوفولت، ويتم تشغيله مرتين يوميًا. سجل المحطة: استبدال مكثفات ناقل التيار المستمر كل 12 شهرًا، وخمس حالات تعطل لترانزستورات IGBT، وتسع حالات فصل خاطئ سنويًا. كان السبب الرئيسي هو مكثفات ناقل مصممة لتحمل الجهد فقط، ومقسم جهد يتأثر بتغيرات درجة الحرارة. تضمنت عملية التحديث تركيب مكثفات ناقل N4700 مصممة لتحمل التيار، ومثبتات جهد عالي السرعة، ومخمدات مضبوطة، ومقسم جهد عالي المقاومة منخفض معامل درجة الحرارة.

كان هناك نتيجتان أهم من استبدال المكون نفسه. أولاً، كانت الرحلات الخاطئة تُكلّف أموالاً طائلة - فكل رحلة منها تعني ضياع فترة شحن وغرامة من مُشغّل الشبكة - وكان سببها مُقسّم جهد ينحرف بنسبة 24% بين الشتاء والصيف. وقد أزالت الشبكة ذات معامل درجة الحرارة المنخفض فئة كاملة من الإنذارات الوهمية. ثانياً، كان مُكثّف ناقل الطاقة يُخفّض من قدرته بسبب منحنى جهد البطارية نفسه: فعند الشحن الكامل، كان ناقل الطاقة يعمل عند أقصى طاقته، وهو بالضبط النقطة التي فقد فيها المُكثّف القديم أكبر قدر من قيمته تحت تأثير الانحياز. وقد أدّى تقييم المُكثّف عند أسوأ نقطة بدلاً من النقطة الاسمية إلى مُضاعفة هامش الاستخدام. تعمل محطات التخزين على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، لذا فإن هذه الهوامش الصغيرة هي ما يُميّز ناقل طاقة عمره خمس سنوات عن ناقل عمره 7 شهراً، وتكون حسابات المحطة أول من يُلاحظ ذلك.

7. اعتبارات التصميم

• الحياة ذات التيار المتموج: يتم تحديد عمر مكثف ناقل البيانات من خلال تيار التموج ودرجة الحرارة؛ قم بتقييمه بناءً على أسوأ ملف تعريف للشحن/التفريغ، وليس المتوسط.
• القدرة على التحمل أثناء ركوب الدراجات: تعمل محطات التخزين بشكل دوري لمدة 20 عامًا - يجب أن تكون مكونات ناقل البيانات مصممة لتحمل هذا الدوران، وليس لنقطة تصميم واحدة.
• ضبط المخمدات والمثبتات: تصل أحداث الشبكة والتحولات العابرة إلى وحدات IGBT؛ اضبط المخمد ومشبك الانهيار الجليدي على شكل الموجة المقاسة.
• ثبات الفاصل: يؤدي فاصل الحافلات الذي يتغير مع درجة الحرارة إلى رحلات خاطئة وخسارة في الإيرادات؛ وتحتفظ الشبكات ذات معامل درجة الحرارة المنخفض بجهد الاستشعار لسنوات.
• تصريف آمن: يحتوي ناقل التيار المستمر على طاقة قاتلة؛ يجب أن تقوم مقاومات التفريغ بتفريغها ضمن نطاق الأمان التشغيلي.
• التصميم الحراري: تُعد درجة حرارة علبة مكثف ناقل البيانات مؤشرًا على عمره الافتراضي - صمم تدفق الهواء بحيث تبقى الوحدة الأكثر سخونة ضمن النطاق المقنن.

8. المراجع

• RW Erickson و D. Maksimovic، أساسيات إلكترونيات الطاقة، الطبعة الثالثة، سبرينغر، 2020.
• N. Mohan, TM Undeland and WP Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3rd ed., Wiley, 2003.
• IEEE Std 519-2014، الممارسات والمتطلبات الموصى بها من قبل IEEE للتحكم التوافقي في أنظمة الطاقة الكهربائية.
• 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
• بيانات مكثف القرص الخزفي عالي الجهد HVC، HVC مكثف، 2024.
• ورقة بيانات مقاومة الجهد العالي HVC المسطحة، مكثف HVC، 2024.

صفحات منتجات HVC ذات الصلة: مكثفات مقابض الأبواب عالية الجهد.