محول التوزيع في الشبكة ثنائية الاتجاه: متطلبات جديدة لشحن المركبات الكهربائية والمكان الكهروضوئي الموزع على وحدة مصممة لاتجاه واحد

تم بناء محول التوزيع لوظيفة واحدة: خفض الجهد وإخراج الطاقة. يتطلب شحن المركبات الكهربائية والطاقة الشمسية على الأسطح الآن القيام بالعكس مرتين في اليوم. إن تلبية هذا الطلب هي مشكلة مواصفات، وليست مشكلة تسويقية - وهي تغير ما يجب عليك طلبه.

لماذا أصبح محول التوزيع فجأة بالشكل الخاطئ للشبكة

لمدة قرن من الزمان كان افتراض التصميم حميدا: دخلت الطاقة إلى الملف عالي الجهد، ثم خرجت من خلال الملف ذي الجهد المنخفض، ولم تعود أبدا. التصنيف، والصنبور، والتبريد، والحماية - كل واحد منها تم قياسه مقابل اتجاه واحد للتدفق ومنحنى يومي لطيف على شكل الإنسان. هذا الافتراض أصبح الآن خاطئًا بالنسبة لملايين المغذيات.

وصلت تقنيتان إلى نفس الشيء محول من طرفي نقيض من اليوم. يتم توصيل السيارات الكهربائية بالأماكن التي يعيش فيها الناس، غالبًا في المساء، وتسحب بقوة. توجد الخلايا الكهروضوئية الموجودة على الأسطح على نفس الأسطح وتدفع الطاقة احتياطيًا إلى وحدة التغذية في منتصف النهار، عندما لا يكون هناك أحد في المنزل لاستخدامها. يجب الآن على الوحدة المصممة لمنحدر هادئ في اتجاه واحد أن تتحمل اندفاعًا للأمام بعد غروب الشمس واندفاعًا عكسيًا عند الظهر - ويهبط الضغطان على نفس اللفات بفارق ساعات.

وهذا ليس السيناريو المستقبلي. أحصت مجموعة بيانات التتبع المفتوحة في Berkeley Lab ما يقرب من 5.3 مليون نظام للطاقة الشمسية والتخزين الموزعة المثبتة في الولايات المتحدة حتى نهاية عام 2025. ويتزايد اعتماد السيارات الكهربائية على نفس المغذيات السكنية. المحول الموجود في الصندوق الأخضر المثبت على الوسادة في نهاية الشارع هو المكان الذي يتصادم فيه كلا الاتجاهين.

صدمة شحن السيارة الكهربائية: يحصل منحنى الحمل على ذروة ثانية

إن طريقة التخطيط القديمة المريحة - خذ ذروة العام الماضي، وأضف نموًا بنسبة 2-3٪، واشتري بهامش - تكسر لحظة ظهور المركبات الكهربائية. عادةً ما يتسكع محول التوزيع السكني معظم اليوم عند حوالي 35٪ من التصنيف. أضف ثلاثة أجهزة شحن منزلية وستتغير الصورة.

في دراسة الأحمال التي تم الاستشهاد بها على نطاق واسع، كان هناك محول بقدرة 25 كيلو فولت أمبير يخدم ثلاثة منازل يعمل بحمل نموذجي يبلغ حوالي 8 كيلو واط، ويبلغ ذروته بالقرب من 22 كيلو واط قبل المركبات الكهربائية. مع ثلاث مركبات يتم شحنها بسرعة حوالي 3.8 كيلووات لكل منها وتوصيلها بالكهرباء في حوالي الساعة 6 مساءً، تجاوز نفس المحول 130% من الطاقة لمدة ساعة تقريبًا. ويتحمل التصميم الحراري هذا النوع من الحمل الزائد على المدى القصير، ولكنه نوع من الأحداث التي تتكرر كل ليلة عبر الحي، وتستهلك حياة العزل بهدوء.

قم بتوسيع نطاق الاختراق والأرقام تزداد سوءًا وليس أفضل. تُظهر عمليات محاكاة تدفق الطاقة عند اعتماد 50% من قيمة EV على الشبكات الشعاعية ذات الجهد المنخفض انخفاضًا في الجهد بما يتجاوز -8.2% وتحميل الكابلات بما يتجاوز 120% من الحد الحراري خلال ذروة المساء، مع تحميل المحولات فوق 1.2 لكل وحدة في الجيوب الكثيفة. وجدت دراسة منفصلة للشبكات الألمانية أن استراتيجيات فرض الرسوم 'الجشعة' غير الخاضعة للرقابة أو مطاردة الأسعار البحتة دفعت الأحمال الزائدة على المحولات الريفية إلى ما يزيد عن 250٪ في أمسيات الذروة، في حين أدت الإستراتيجية المتوازنة التي حولت الشحن إلى النافذة الليلية ذات التحميل المنخفض إلى إزالة معظم الانتهاك.

الآلية بسيطة وعنيدة: يتم تجميع أكوام الشحن المنزلي غير المنضبط مباشرة فوق قمة المساء السكنية الموجودة. أسوأ ساعة للمحول في اليوم حصلت للتو على راكب ثانٍ أكبر.

مفارقة PV: يجب على نفس الوحدة الآن زيادة طاقتها

تعمل الطاقة الشمسية على السطح على عكس سبب وجود المحول. لساعات في منتصف النهار تقريبًا، يمكن أن يتجاوز التوليد الموزع خلف وحدة واحدة مثبتة على لوحة حمل القسم المحلي. يدخل التيار إلى الملف ذي الجهد المنخفض ويخرج من خلال الملف عالي الجهد - تصبح الوحدة مصدرًا تصاعديًا حيث تتوقع وحدة التغذية حدوث غرق.

النحاس لا يهتم بالاتجاه. يظل فقدان الحمل متناسبًا مع مربع التيار سواء دخل التيار إلى جانب الجهد العالي أو الجهد المنخفض، ولا يتغير فقدان القلب. هذا هو النصف المطمئن، وهو أيضًا سبب إخفاء التدفق العكسي بشكل جيد: يمكن للمحول الذي يعمل عكسيًا أن يجتاز اختبار النسبة، واختبار مقاومة الملف، وحتى تحليل الغاز المذاب دون أي شيء يمكن الإبلاغ عنه.

كل شيء مبني على افتراض انخفاض الجهد يهتم كثيرًا. في وحدة التغذية الشعاعية، ينخفض ​​الجهد مع تحرك التيار بعيدًا عن المحطة الفرعية، ويتم ضبط الصنبور لتعويض هذا الانخفاض. عكس التيار ونفس المعاوقة تنتج ارتفاع الجهد بدلا من ذلك. تبدأ الصنبور الذي كان يقاوم انخفاضًا للأمام بنسبة 3٪ في إضافة جهد كهربائي إلى شبكة بها بالفعل الكثير من الجهد. وفي إحدى الحالات الموثقة، 500 كيلو فولت أمبير وحدة مثبتة على الوسادة مع ترك صنبورها عند +2.5٪ فوق الاسمي - الذي تم ضبطه قبل سنوات لمحاربة الهبوط الأمامي على دائرة أطول - دفعت المرحلة الثانوية فوق نطاق جهد المرافق في فترة ما بعد الظهيرة الصافية في شهر أبريل، مع تحميل الوحدة بالكاد. لم يكلف الإصلاح شيئًا من النحاس: تغيير الصنبور ولوحة الاسم المعاد إصدارها.

الجهد الزائد ليس هامشيا. تظهر نمذجة مغذيات الطاقة الكهروضوئية عالية الاختراق ارتفاع الجهد الثانوي إلى 1.095 لكل وحدة عند طرف وحدة التغذية في أسوأ السيناريوهات، متجاوزة النطاق ±6% الذي تسمح به العديد من المرافق. عند اختراق بنسبة 30% إلى 50%، تبدأ المحولات الذكية في إزاحة المكثفات التقليدية الداعمة للجهد بالكامل، وتتوقف الأدوات القديمة للشبكة عن التطبيق بالطريقة القديمة.

المشكلتان تتصارعان على نفس اللفات

هذا هو الجزء الذي يجعل هذه مشكلة تتعلق بمواصفات المحولات بدلاً من مشكلتين منفصلتين. لا يصل حمل المركبة الكهربائية وتصدير الطاقة الكهروضوئية معًا، بل يصلان إلى طرفي نقيض من اليوم، وكل منهما يضغط على الوحدة والآخر لا يفعل ذلك.

إن محولًا بحجم الذروة المسائية القديمة ذات الاتجاه الواحد يدير الآن نافذة تصدير تيار قريبة من التصنيف في منتصف النهار وقمة أمامية بعد غروب الشمس. يدوم العزل على مركب درجة الحرارة والوقت الأكثر سخونة، وذروتان يوميتان تمنحه ضعف النوافذ الممتصة للحرارة. والأسوأ من ذلك هو أن الحاجة إلى تنظيم الجهد تقلب الإشارة بين تلك النوافذ: الصنبور الذي ينقذ الجهد المنخفض في المساء هو الصنبور الذي يسبب الجهد الزائد في منتصف النهار. الصنبور الثابت لا يمكن أن يخدم كلا الأمرين. وبدون التخزين أو الشحن المتحكم به لتسوية المنحنى، فإن الوحدة محاصرة بين نطاق جهد لا يمكنها تلبيته في كلا الاتجاهين.

هذا هو انهيار 'منحنى البطة' الذي يحدث داخل صندوق أخضر واحد: حوض عكسي عميق في منتصف النهار ومنحدر شديد الانحدار للأمام في المساء، تفصل بينهما اثنتي عشرة ساعة، على نفس الحديد.

ما الذي يجب أن يفعله الآن محول التوزيع الجاهز للمستقبل

الجواب ليس 'شراء محول أكبر'. فالحجم الكبير يهدر رأس المال، وفي حالة وحدة التغذية ذات التدفق العكسي، يمكن لوحدة أكبر أن تؤدي في الواقع إلى تفاقم ارتفاع الجهد. الإجابة الحقيقية هي مواصفات مختلفة - خمس قدرات لم يُطلب من وحدة الاتجاه الواحد إثباتها مطلقًا.

1. تنظيم الجهد التكيفي وليس الثابت. تحتاج الوحدة الموجودة على وحدة التغذية ثنائية الاتجاه إلى مبدل صنبور عند التحميل (OLTC) أو نظام تنظيم الجهد الذي يتم التحكم فيه بشكل فعال، والذي يتم ضبطه مع الوعي باتجاهي التدفق. تتفاعل OLTCs الميكانيكية ببطء ويمكن أن تخطئ في تتبع العبور السريع للسحب المارة على وحدة التغذية الشمسية؛ تستجيب إصدارات الحالة الصلبة المبنية على IGBTs أو الثايرستور بالمللي ثانية وتزيل التآكل الانحناء. يجب تحديد نطاق النقر ومنطق التحكم لكل من حالات الجهد المنخفض الأمامي والجهد العكسي الزائد، وليس الحالة الأمامية وحدها.

2. التسامح مع تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه كحالة تصميم معلنة. لم يعد التدفق العكسي شرطًا أساسيًا يجب البقاء عليه، بل هو وضع تشغيل مجدول. يجب أن توضح المواصفات حجم الطاقة العكسية المتوقعة ومدتها وتتطلب من الوحدة حملها ضمن الحدود الحرارية والتنظيمية. يجب مراجعة تنسيق الحماية (التيار الزائد الاتجاهي، واستشعار خطأ الأرض) بحثًا عن التيار الذي يمكن أن يتدفق في أي اتجاه.

3. واجب التوافقي والطاقة الإلكترونية. كل من شواحن السيارات الكهربائية والمحولات الكهروضوئية عبارة عن واجهات للطاقة الإلكترونية. إنهم يقومون بحقن التوافقيات والتبديل بتردد عالٍ، كما أن وحدة التغذية الكثيفة بها تقدم طيف تشويه نادرًا ما يشاهده المحول القديم. تحتاج الوحدة إلى هامش تحمل توافقي في ميزانية الخسارة الخاصة بها، وحيثما ينطبق المعيار، تصميم يتوافق مع حدود IEEE 519 عند نقطة الاقتران المشترك. إن اختيار النواة والموصل الذي يقلل من التسخين الدوامي والخسارة الشاردة تحت الحمل غير الجيبي يؤتي ثماره هنا.

4. واجهة بيانات، وليست مجرد لوحة اسم. الوحدة الجاهزة للمستقبل هي جهاز استشعار بقدر ما هي محول. إن مراقبة درجة حرارة الملف ومستوى الزيت والضغط على التصميمات المملوءة بالسوائل ونشاط التفريغ الجزئي (الذي يتم قياسه وفقًا للمعيار IEC 60270، مع وحدة جيدة البناء تظهر عادةً أقل بكثير من 10 بيكو سيلزيوس عند الجهد المقنن) يحول الأصل السلبي إلى جهاز إنذار مبكر. معيار الاتصال المهم هو IEC 61850 — رسائل الوسائط المتعددة (MMS) لإعداد التقارير الرأسية إلى SCADA أو ADMS، وGOOSE لرسائل حماية الدورة الفرعية، والامتداد 7-420 للعقد المنطقية لموارد الطاقة الموزعة — المدعوم بمعيار IEC 62351 للأمن السيبراني. لا يمكن إدارة الوحدة التي لا يمكنها الإبلاغ عن التحميل الخاص بها في شبكة ثنائية الاتجاه.

5. الهامش الحراري للذروة المزدوجة. نظرًا لأن الوحدة ترى الآن نافذتي ضغط يوميتين، حدد مقابل الطاقة اليومية المجمعة ودرجة حرارة النقطة الأكثر سخونة عبر كليهما، وليس مقابل الذروة القديمة الفردية. يعد العزل من الفئة F بمتوسط ​​ارتفاع للملفات يبلغ 65 درجة مئوية خيارًا شائعًا شائعًا يشتري الهامش؛ يجب أن توضح المواصفات دورة العمل المتوقعة بشكل صريح حتى يتم التحقق من التصميم الحراري مقابلها.

التقليدية مقابل الجاهزة للمستقبل، في لمحة

البعد	الوحدة التقليدية (اتجاه واحد)	وحدة جاهزة للمستقبل (ثنائية الاتجاه)
تنظيم الجهد	صنبور ثابت، تعويض الإسقاط إلى الأمام	OLTC / يتم التحكم فيه، في كلا الاتجاهين
يفترض اتجاه التدفق	اتجاه واحد (محطة فرعية → تحميل)	في اتجاهين، تم الإعلان عن العكس كحالة تصميم
الواجب التوافقي	يفترض الحمل الجيبي	هامش الطاقة الإلكترونية (سياق IEEE 519)
يراقب	لوحة الاسم فقط	درجة حرارة اللف، PD، الزيت، IEC 61850 خارج
حماية	غير اتجاهي	التيار الزائد الاتجاهي / خطأ الأرض
الأساس الحراري	ذروة مساء واحدة	ذروة يومية مزدوجة، والنقطة الأكثر سخونة على حد سواء

ما يجب وضعه في مواصفات الشراء

1. اذكر اتجاهات التدفق أعلن عن الحمل الأقصى المتوقع للأمام والتصدير العكسي المتوقع (الحجم، عدد الساعات في اليوم). ستفاجئك الوحدة المخصصة للتدفق الأمامي فقط عند الظهر.

2. اطلب حجم OLTC أو تنظيم نشط لكلا علامتي خطأ الجهد ، واطلب من الشركة المصنعة إظهار نطاق الصنبور مقابل ملف تعريف الجهد المقاس لوحدة التغذية لديك في كلا النافذتين.

3. حدد البيئة التوافقية — عدد ونوع أجهزة الشحن/العاكسات، والتشوه التوافقي المتوقع عند نقطة الاقتران المشترك — واشترط الاحتفاظ بميزانية الخسارة تحتها.

4. تفويض حزمة المراقبة والاتصالات : IEC 61850 MMS/GOOSE، التفريغ الجزئي واستشعار درجة الحرارة، IEC 62351 الأمان. اطلب مطابقة الاتصال كجزء من قبول المصنع، وليس كفكرة لاحقة في المجال.

5. حدد دورة العمل للتصنيف الحراري على أنها يوم الذروة المشترك، واشترط حساب درجة حرارة النقطة الأكثر سخونة مقابلها.

6. تأكيد محاذاة التوصيل البيني : يجب أن تكون حماية الوحدة وتأريضها ضمن قواعد التوصيل البيني DER الخاصة بالمرافق (في أسواق IEC، تعد عائلة IEEE 1547 هي المرجع لسلوك DER؛ قم بمطابقة تأريض المحول وحمايته به).

التعليمات

س: هل سيؤدي إضافة الطاقة الشمسية على السطح إلى إتلاف محول التوزيع الحالي الخاص بي؟ ج: ليس بشكل مباشر - فقدان النحاس مستقل عن الاتجاه وفقدان القلب لا يتغير، لذا فإن التدفق العكسي وحده لا يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الملفات. الخطر الحقيقي هو الجهد: الصنبور الذي تم ضبطه لمحاربة الهبوط الأمامي سوف يدفع النطاق الثانوي فوق أثناء التصدير في منتصف النهار، كما أن الجهد الزائد المتكرر يضغط على العزل ويعطل المحولات. عادة ما يكون الإصلاح هو النقر وتغيير لوحة الاسم، والتحقق من ملف تعريف الجهد ثنائي الاتجاه.

س: لماذا لا يمكنني شراء محول أكبر لحل أحمال المركبات الكهربائية والكهروضوئية؟ ج: يؤدي الحجم الكبير إلى إهدار رأس المال، وفي وحدة التغذية ذات التدفق العكسي، يمكن أن تؤدي الوحدة الأكبر إلى تفاقم ارتفاع الجهد في منتصف النهار. عادة ما يكون القيد هو تنظيم الجهد والواجب التوافقي، وليس كيلو فولت أمبير الخام. الاستجابة الصحيحة هي التحكم في الجهد التكيفي، والحماية ثنائية الاتجاه، والمراقبة - وليس القدرة الغاشمة.

س: ما هو معيار الاتصال الذي يحتاجه المحول الجاهز للشبكة؟ ج: IEC 61850 هو خط الأساس لأتمتة المحطات الفرعية - رسائل الوسائط المتعددة لإعداد التقارير إلى SCADA/ADMS، وGOOSE لرسائل الحماية السريعة، والامتداد 7-420 لعقد موارد الطاقة الموزعة - مع IEC 62351 للأمان. قد تحتاج المحطات الفرعية الخلوية أو البعيدة أيضًا إلى IEC 60870-5-104.

س: هل شواحن السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الشمسية تؤذي المحول من خلال التوافقيات؟ ج: كلاهما يعملان بالطاقة الإلكترونية، لذا فهما يحقنان التوافقيات في تصميم حمل جيبي قديم لم يتم تخصيص الميزانية له. تحتاج الوحدة إلى هامش تحمل توافقي في تصميم الخسارة الخاص بها، وعند الاقتضاء، أداء متوافق مع IEEE 519 عند نقطة الاقتران المشترك. إنها خسارة حقيقية واعتبار ساخن، وليست مسألة ورقية.

س: ما علاقة IEEE 1547 بمواصفات المحولات؟ ج: يحكم معيار IEEE 1547 كيفية ترابط موارد الطاقة الموزعة - الظروف غير الطبيعية، وجودة الطاقة، والسلوك المضاد للجزيرة الذي يجب أن يتعايش معه المحول. يجب أن يتطابق تنسيق التأريض والحماية للمحول مع قواعد التوصيل البيني المستندة إلى 1547 الخاصة بالأداة بحيث تتصرف الوحدة بشكل صحيح في كلا اتجاهي التدفق.

الوجبات الجاهزة

ال محول التوزيع لا يتغير. لم لقد فعلت الشبكة المحيطة بها، وأصبحت ذات اتجاهين، وبلغت ذروتها مرتين. ستجتاز الوحدة المحددة لاتجاه واحد كل اختبار روتيني وستظل تفشل في وحدة التغذية: الجهد الزائد عند الظهر من التصدير على السطح، والحمل الزائد بعد غروب الشمس من شحن السيارة الكهربائية، ولا يوجد مسار بيانات لرؤية أي منهما قادم. الإصلاح عبارة عن مواصفات تعلن التدفق العكسي كحالة تصميم، وتنظم الجهد في كلا الاتجاهين، وميزانيات توافقيات الطاقة الإلكترونية، وتبلغ عن حالتها الخاصة عبر IEC 61850. احصل على هذه المواصفات بشكل صحيح ونفس الصندوق الأخضر في نهاية الشارع يخدم العقد التالي من الحمل بدلاً من محاربته.