المحولات في المشاريع المتكاملة لشحن التخزين الكهروضوئي: الهندسة المعمارية والحلول ودليل الاختيار

مع تقدم أهداف 'الكربون المزدوج' والنمو الهائل لصناعة مركبات الطاقة الجديدة، أصبحت المشاريع المتكاملة للطاقة الكهروضوئية + تخزين الطاقة + شحن كومة (يشار إليها باسم 'PV-Storage-Charging') نقطة ساخنة في قطاع الطاقة. يحقق هذا النموذج استهلاكًا للطاقة النظيفة في الموقع وتنظيمًا مرنًا لأحمال الشبكة من خلال التشغيل المنسق لـ 'توليد الطاقة الكهروضوئية، وتخزين ذروة التخزين، وإمدادات الطاقة لشحن الأكوام'. وضمن نظام الطاقة المعقد هذا، يؤثر المحول، الذي يعمل كمحور أساسي يربط بين الطاقة الكهروضوئية والتخزين وأكوام الشحن والشبكة، بشكل مباشر على الكفاءة والسلامة والجدوى الاقتصادية للمشروع بأكمله من خلال اختياره وتكوينه. ستحلل هذه المقالة بشكل منهجي تقنيات المحولات المستخدمة في مشاريع شحن التخزين الكهروضوئي.

I. بنية نظام الشحن والتخزين الكهروضوئي والدور الأساسي للمحولات

1.1 بنية النظام النموذجية

تشتمل البنية الكهربائية لمشروع متكامل للشحن والتخزين الكهروضوئي عادةً على العناصر التالية:

• وحدة توليد الطاقة الكهروضوئية: يتم تحويل الوحدات الكهروضوئية (تيار مستمر 300 إلى 1500 فولت) إلى تيار متردد (عادةً تيار متردد 380 فولت) عبر العاكسات.

• وحدة تخزين الطاقة: تتصل خزانات البطارية بالنظام عبر أنظمة تحويل الطاقة ثنائية الاتجاه (PCS)، مما يتيح تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه للشحن والتفريغ.

• وحدة كومة الشحن: تتضمن أجهزة شحن سريعة تعمل بالتيار المستمر (تتطلب واجهة شحن سريعة بتيار متردد 380 فولت أو تيار مستمر) وشواحن بطيئة تعمل بالتيار المتردد.

• وحدة التوزيع وتوصيل الشبكة: تتصل بشبكة 10 كيلو فولت/20 كيلو فولت عبر محطة فرعية مدمجة أو غرفة المفاتيح الكهربائية.

1.2 الدور الأساسي للمحول في النظام

في نظام الشحن والتخزين الكهروضوئي، يلعب المحول أدوارًا حاسمة متعددة:

أولا، تحويل الجهد ومطابقته. يتقلب جهد خرج العاكس الكهروضوئي بشكل كبير مع شدة ضوء الشمس (يمكن أن ينخفض ​​إلى أقل من 200 فولت في الأيام الملبدة بالغيوم). يقوم نظام تخزين الطاقة أيضًا بإخراج/امتصاص الطاقة بشكل ثنائي الاتجاه أثناء الشحن/التفريغ، بينما تتطلب أكوام الشحن مصدر طاقة ثابت تيار متردد 380 فولت ±5%. يجب أن يدعم المحول نطاق جهد دخل واسع لضمان استقرار جهد الخرج.

ثانياً، العزل الكهربائي وحماية السلامة. تشتمل أنظمة الشحن والتخزين الكهروضوئي على تدفق تيار ثنائي الاتجاه على كل من جانب التيار المستمر (الكهروضوئية والتخزين) وجانب التيار المتردد (أكوام الشحن والشبكة). يحقق المحول العزل الكهربائي بين المدخلات والمخرجات من خلال الاقتران المغناطيسي، مما يمنع تيارات الحلقة الأرضية والتداخل المفاجئ، مما يقلل التشوه التوافقي الإجمالي إلى أقل من 3%.

ثالثًا، منصة إدارة الطاقة المنسقة متعددة المصادر. لم تعد المحولات في أنظمة الشحن والتخزين الكهروضوئية الحديثة مجرد 'محولات جهد'؛ فهي العقد الأساسية لإرسال الطاقة. من خلال دمج نظام إدارة الطاقة الذكي (PMS)، يمكن للمحول مراقبة مخرجات الطاقة الكهروضوئية، وحالة تخزين الشحن (SOC)، وشحن حمولة الكومة في الوقت الفعلي، وضبط الصنابير تلقائيًا، وتبديل أوضاع تشغيل التخزين، وتحقيق التوزيع الذكي مثل 'الاستخدام الذاتي للأولوية الكهروضوئية ← تغذية/تخزين شبكة الطاقة الفائضة ← مكملات طاقة التخزين ← حلاقة ذروة الشبكة.'

ثانيا. أنواع حلول المحولات الرئيسية

في مشاريع الشحن والتخزين الكهروضوئي، بناءً على طرق فنية مختلفة وسيناريوهات التطبيق، تتوفر حلول المحولات الرئيسية التالية:

2.1 حل المحطات الفرعية المدمجة (الحل السائد الناضج)

هذا هو الحل الأكثر استخدامًا في مشاريع الشحن الكهروضوئية الحالية. تقوم المحطة الفرعية المدمجة بدمج المفاتيح الكهربائية عالية الجهد، والمحولات، ومعدات التوزيع ذات الجهد المنخفض في حاوية متحركة، مما يوفر حلاً متكاملاً وجاهزًا.

الخصائص التقنية:

• كثافة الطاقة العالية: يتم التحكم في مستوى الصوت إلى أقل من ثلث غرفة المفاتيح الكهربائية التقليدية، وهو مناسب للسيناريوهات ذات المساحة المحدودة مثل مواقف السيارات والمجمعات الصناعية.

• نطاق جهد الإدخال الواسع: يدعم نطاق الإدخال الواسع AC 200 ~ 480V مع وحدات تعويض الطاقة التفاعلية الديناميكية المدمجة.

• حماية عالية من الدخول: تصنيف IP54 وما فوق، قابل للتكيف مع البيئات الخارجية القاسية مثل درجات الحرارة المرتفعة والرطوبة والضباب الملحي.

السيناريوهات القابلة للتطبيق: محطات الشحن العامة الحضرية، ومناطق خدمة الطرق السريعة، ومواقف السيارات الصناعية، وما إلى ذلك.

2.2 المحولات المخصصة لتخزين الطاقة ووحدات تحويل تصعيد التخزين المتكاملة

لتلبية المتطلبات الخاصة 'لتدفق الطاقة ثنائي الاتجاه' لأنظمة تخزين الطاقة، قدمت الصناعة محولات مخصصة لتخزين الطاقة ووحدات تحويل تخزين مدمجة أكثر تكاملاً.

المحولات المخصصة لتخزين الطاقة:

• مخصصة لسيناريوهات تطبيقات تخزين الطاقة، وتتميز بتصميمات هيكلية مبتكرة وعمليات متقدمة.

• يقدم خيارات متنوعة بما في ذلك النوع الجاف المغمور بالزيت والمفتوح التهوية/راتنج الإيبوكسي.

• يضمن موثوقية وكفاءة عالية، ومناسب لمختلف عمليات تكامل أنظمة تخزين الطاقة.

وحدات تحويل تصعيد التخزين المتكاملة:

• يدمج المعدات الأساسية مثل المحولات والمحولات في هيكل الحاوية.

• لا يتطلب أدوات رفع خاصة، وهو مناسب للنقل والتركيب، مما يوفر حلاً متكاملاً وجاهزًا.

• جانب الجهد العالي 6-35 كيلو فولت، جانب الجهد المنخفض 0.315-0.69 كيلو فولت، قدرة الوحدة الواحدة تصل إلى 6.8 ميجاوات.

• اختيار مرن بين النوع المغمور بالزيت والنوع الجاف لتلبية متطلبات السيناريو المختلفة.

2.3 محول تحويل الطور (كفاءة عالية، حل منخفض الخسارة)

تعد محولات تحويل الطور حلاً تقنيًا ناشئًا في مجال PV-Storage-DC-Flexible في السنوات الأخيرة. قدمت شركات مثل TY T محولات مخصصة تستخدم تقنية تحويل الطور عالية التردد.

الخصائص التقنية:

• نظام مقوم النبض 24: يقلل بشكل كبير من توافقيات تيار الإدخال، مما يلغي الحاجة إلى تعويض إضافي للطاقة التفاعلية.

• كفاءة فائقة: كفاءة النظام ≥98%، مما يقلل إجمالي خسائر المحطات من أكثر من 15% في الحلول التقليدية إلى 5%.

• ميزة الحجم: 30%-50% أصغر من الحلول التقليدية.

• نطاق تشغيل الطاقة الواسع: تشغيل طاقة واسع بنسبة 5% إلى 110%، قابل للتكيف مع الطبيعة المتقلبة لطاقة الطاقة المتجددة.

السيناريوهات القابلة للتطبيق: مشاريع التخزين والشحن الكهروضوئية ذات متطلبات الكفاءة العالية وقيود المساحة، وخاصة محطات الشحن في المناطق الحضرية الأساسية.

2.4 محول الحالة الصلبة (التكنولوجيا الثورية المتطورة)

يمثل محول الحالة الصلبة (SST) تكاملاً عميقًا بين إلكترونيات الطاقة وتكنولوجيا المحولات، مما يشير إلى الاتجاه المستقبلي للتنمية.

الإنجازات التكنولوجية:

• التوزيع الهجين لتيار متردد/تيار مستمر: يتيح تحويل الطاقة ثنائي الاتجاه بكفاءة بين 10 كيلو فولت تيار متردد و750 فولت تيار مستمر، مما يؤدي إلى إنشاء إطار شبكة توزيع هجينة تيار متردد/تيار مستمر مرن.

• إمكانية التحكم الدقيق: تتيح التحكم الدقيق والتشغيل المنسق للعناصر المختلفة مثل مرافق الطاقة الكهروضوئية والتخزين والشحن، مما يجعل إرسال الطاقة ذكيًا ومرنًا مثل 'توجيه الشبكة'.

• حالة التطبيق: مشروع عرض توضيحي للشحن المرن للتخزين الكهروضوئي والتيار المستمر تم بناؤه بشكل مشترك من قبل شركة قوانغتشو Weiguang Energy ومجموعة Baiyun Electric Group، باستخدام محول الحالة الصلبة بقدرة 1250 كيلو فولت أمبير، مما أدى بنجاح إلى إنشاء محطة عرض توضيحي شاملة تدمج الطاقة الكهروضوئية والتخزين والشحن فائق السرعة وV2G.

السيناريوهات القابلة للتطبيق: المشاريع التوضيحية المتطورة، والمجمعات الصناعية الذكية المستقبلية، والسيناريوهات التي تتطلب مرونة عالية للغاية في توزيع الطاقة.

ثالثا. المتطلبات الفنية الرئيسية واتجاهات التنمية

3.1 المتطلبات الفنية الأساسية

القدرة على التحمل التوافقي: كل من العاكسات الكهروضوئية وأجهزة تخزين الطاقة عبارة عن أجهزة إلكترونية للطاقة تولد توافقيات كبيرة (التشوه التوافقي الخامس والسابع> 8٪). يجب أن يمتلك المحول قدرة تحمل توافقية كافية لمنع التسخين الإضافي وتقادم العزل.

كفاءة عالية وخسارة منخفضة: وفقًا للمعايير الوطنية، يفضل أن تكون محولات التصعيد داخل المصفوفات الكهروضوئية من الأنواع الموفرة للطاقة مع خسائر منخفضة في حالة عدم التحميل. يجب أن تختار المحولات الخاصة بمشاريع الشحن والتخزين الكهروضوئي محولات IE4 فائقة الكفاءة، مع الحفاظ على الكفاءة ≥98.5% عبر معدلات تحميل تتراوح بين 20% إلى 100%.

القدرة على التكيف مع الطاقة ثنائية الاتجاه: يتطلب التدفق ثنائي الاتجاه للشحن والتفريغ في أنظمة تخزين الطاقة أن يتكيف المحول مع التغيرات في اتجاه تدفق الطاقة، مما يفرض متطلبات أعلى على تكوين الحماية وطرق تنظيم الجهد.

تصميم عالي الموثوقية: تتطلب بيئات التشغيل القاسية (درجة الحرارة المرتفعة، والرطوبة العالية، والضباب الملحي، وما إلى ذلك) وخصائص الحمل المعقدة (المتقطعة والعشوائية) محولات تتمتع بقدرة قوية على التكيف البيئي وقدرة على تحمل الدائرة القصيرة.

3.2 اتجاهات تنمية الصناعة

التكامل: التطور من المحولات المستقلة إلى المعدات المتكاملة 'متعددة في واحد'. تجمع وحدات تحويل التخزين المدمجة بين المحولات والمحولات؛ تدمج حلول المقصورة الجاهزة الوحدات الرئيسية الحلقية عالية الجهد والمحولات ووحدات الطاقة الإلكترونية.

الذكاء: تدعم المحولات المزودة بأجهزة استشعار مدمجة ووحدات اتصال بروتوكولات مثل Modbus TCP وIEC 61850، وتحميل البيانات في الوقت الفعلي حول الجهد والتيار ودرجة الحرارة ومعدل الحمل، مما يتيح تقييم الحالة عن بعد والصيانة التنبؤية.

اتجاه التيار المستمر: أصبح 'PV-Storage-DC-Flexible' اتجاهًا تقنيًا مهمًا. تجمع بنيات ناقل التيار المستمر (على سبيل المثال، ناقل التيار المستمر 750 فولت) بين أكوام الطاقة الكهروضوئية والتخزين والشحن مباشرة على جانب التيار المستمر، مما يؤدي إلى تبسيط البنية بشكل كبير، وتحقيق التشغيل الخالي من التوافقيات دون احتياجات تعويض الطاقة التفاعلية.

رابعا. توصيات اختيار الحل

يتطلب اختيار المحولات لمشاريع الشحن والتخزين الكهروضوئي دراسة شاملة للعوامل التالية:

قائمة التحقق من المعلمات الرئيسية:

• السعة المقدرة: يتم تحديدها من خلال الطاقة الإجمالية للأكوام الكهروضوئية والتخزين والشحن، مع الأخذ في الاعتبار عامل التنوع

• مستويات الجهد: جانب الجهد العالي 6-35 كيلو فولت، جهد نظام مطابقة الجانب منخفض الجهد (380 فولت/480 فولت/690 فولت، إلخ.)

• مقاومة الجهد: تؤثر على مستويات تيار الدائرة القصيرة ومعدل تنظيم الجهد

• طريقة تنظيم الجهد: تغيير الصنبور خارج الدائرة أو تغيير الصنبور عند التحميل

• تصنيف حماية الدخول: الحد الأدنى IP54 للأماكن الخارجية، وأعلى للبيئات

• طريقة التبريد: تبريد الهواء الطبيعي أو تبريد الهواء القسري

خامسا الاستنتاج

إن المشاريع المتكاملة لشحن وتخزين الطاقة الكهروضوئية، كسيناريو نموذجي يدمج البنية التحتية لمركبات الطاقة الجديدة مع الطاقة المتجددة، تفرض متطلبات فنية على المحولات تتجاوز بكثير أنظمة التوزيع التقليدية. بدءًا من المحطات الفرعية المدمجة السائدة، وحتى وحدات تحويل تصعيد التخزين المتكاملة للغاية، إلى محولات تحويل الطور عالية الكفاءة، ومحولات الحالة الصلبة الموجهة نحو المستقبل - يتمتع كل حل تقني بسيناريوهاته القابلة للتطبيق وقيمة فريدة من نوعها.

إن جوهر اختيار المحولات هو إيجاد التوازن الأمثل بين الكفاءة والتكلفة والموثوقية والذكاء الذي يلبي متطلبات المشروع على أفضل وجه. بالنسبة لمعظم المشاريع التجارية، فإن اعتماد محطات فرعية مدمجة أو وحدات تحويل تخزين مدمجة، إلى جانب أنظمة إدارة الطاقة الذكية، يمثل بالفعل حلاً ناضجًا وموثوقًا. بالنسبة للمشاريع المعيارية التي تسعى إلى تحقيق الكفاءة والريادة التكنولوجية، تُظهر محولات تحويل الطور ومحولات الحالة الصلبة إمكانات هائلة.

مع نضوج المسار التقني 'PV-Storage-DC-Flexible' وانتشار توزيع التيار المستمر، تتطور المحولات من 'محولات الجهد الكهربي' السلبية إلى 'أجهزة توجيه الطاقة' النشطة. وسيوفر فهم هذا الاتجاه التطوري الرؤية التقنية الأكثر أهمية لاستثمارات مشروع شحن الطاقة الكهروضوئية.