الشبكات المصغَّرة المتصلة بالشبكة مقابل الشبكات المصغَّرة غير المتصلة بالشبكة: الفروق الأساسية ومتطلبات المعدات

تتميَّز الشبكات المصغَّرة بنمطَيْ تشغيل أساسيَّيْن: التشغيل المتصل بالشبكة والتشغيل المنفصل عنها. ويختلف هذان النمطان بوضوحٍ من حيث منطق التحكُّم واختيار المعدَّات وإعدادات الحماية. ويشكِّل فهم هذه الاختلافات الأساس الذي يُبنى عليه اختيار المعدَّات في المرحلة المبكِّرة من المشروع.

١. طريقة عمل النوعين من الشبكات المصغَّرة

في وضع التشغيل المتصل بالشبكة، تتَّصل الشبكة المصغَّرة بالشبكة الرئيسية الخارجية عبر نقطة الاتصال المشتركة (PCC). وتتولَّى الشبكة الخارجية مسؤولية الحفاظ على استقرار الجهد والتردد. أما المولِّدات الموزَّعة ووحدات تخزين الطاقة الموجودة داخل الشبكة المصغَّرة فهي تتبع الشبكة الخارجية وتتعاون معها أساسًا بدلًا من دعمها. وتؤدي الشبكة الخارجية هنا دور مصدر جهدٍ ومصدر تردُّدٍ كبير جدًّا، كما أنها تمتص التقلُّبات التي تطرأ على الشبكة المصغَّرة.

في التشغيل خارج الشبكة، يتم فصل نقطة الاتصال بالشبكة (PCC)، ويتحول الميكروجرد إلى نظام طاقة مستقل صغير. ولا يوجد مصدر خارجي يمكن الاعتماد عليه. ويجب أن تُنشئ أنظمة التخزين الطاقوي، والألواح الشمسية الكهروضوئية (PV)، ومولدات الديزل، وغيرها من المصادر داخل الميكروجرد الجهد والتردد بأنفسها، وأن تحافظ باستمرار على التوازن بين الإنتاج والاستهلاك. كما يتغير نمط التحكم من اتباع الشبكة إلى الدعم النشط، ما يرفع درجة الصعوبة بشكل كبير.

يتم تقسيم التبديل بين الوضعين إلى تبديل مُخطط وتبديل غير مُخطط. ويتوفر وقت تحضير للتبديل المُخطط: فيمكن أولاً ضبط التوليد الداخلي والأحمال، ثم فصل الشبكة المصغّرة بسلاسة. أما التبديل غير المُخطط فيُفعَّل عادةً بسبب عطل في الشبكة العامة. وبعد اكتشاف الخلل، يجب على وحدة التحكم أن تفصل النظام بسرعة وتسمح لوحدات التخزين أو المصادر الاحتياطية باستلام الحمل، مع خفض بعض الأحمال غير الحرجة لمنع حدوث تشبعٍ في النظام الصغير أو انهياره. وعند العودة من التشغيل المستقل (خارج الشبكة) إلى التشغيل المتصل بالشبكة العامة، لا بدّ أولًا من إنجاز مزامنة الجهد والتردد والطور. وإلا فإن تيارًا زائدًا سيظهر عند لحظة الإغلاق وقد يتسبب في تلف المعدات.

٢. التحديات التقنية للتشغيل المستقل أثناء انقطاع التيار

بعد انقطاع التغذية العامة وانتقال النظام إلى التشغيل المستقل، يكمن التغيير الأكبر في أن تختفي القصور الذاتي للنظام الشبكة الرئيسية تحتوي على العديد من الآلات الدوارة، التي توفر بشكل طبيعي القصور الذاتي وتساعد في امتصاص التغيرات المفاجئة في التردد الناتجة عن تغيرات الحمل المفاجئة. أما الميكروشبكة المستقلة فهي صغيرة الحجم، ولا يمكن لأجهزة الإلكترونيات القدرة مثل محولات تخزين الطاقة أن توفر نفس القصور الذاتي المادي. وبالتالي، يستجيب التردد والجهد للتبدلات بسرعة أكبر وبسعة أكبر.

وهذا يُحدث ثلاث مشكلات محددة. أولاً، التنظيم السريع للتردد والجهد . في الوضع المستقل، يجب أن يتحول محول تخزين الطاقة من وضع المتابعة الشبكية إلى وضع تشكيل الشبكة، ويقوم بشكل نشط بإنشاء مرجعيَّة الجهد والتردد. وهذا أصعب بكثير في التحكم مقارنةً بالوضع المتصل بالشبكة. ثانياً، سلاسة التحويل غير المخطط له . فإذا انخفض الجهد أو التردد كثيراً أثناء التحويل، فقد تنفصل الأحمال الحساسة أو تتلف. ولذلك، يجب أن تحدد آلية التحكم في التحويل الحالة وتغيّر استراتيجيتها خلال جزء من الألف من الثانية. ثالثاً، التغيرات في نظام التأريض عند الاتصال بالشبكة، يتم ترتيب التأريض بواسطة الشبكة الرئيسية. وبعد الانفصال عن الشبكة، قد يتغير أسلوب التأريض، ما يؤثر مباشرةً على مسار تيار العطل وصحة تشغيل أنظمة الحماية.

٣. متطلبات مختلفة للمحولات ومعدات التبديل وأنظمة الحماية

المحولات

في البنية الشبكية المتصلة بالشبكة، يتحدد سعة المحول أساسًا بقدرة التبادل بين الشبكة المصغرة والشبكة العامة، ويتم اختيار مجموعة المتجهات ونسبة التحويل لتتناسب مع جهد الشبكة. أما في البنية غير المتصلة بالشبكة، فيجب أن يحافظ المحول أيضًا على استقرار الجهد عند الأحمال المنخفضة والأحمال الصدمية، لذا تُفرض متطلبات إضافية على قدرة تنظيم الجهد وتصميم الممانعة. وعندما تكون سعة القصر محدودة، تساعد ممانعة المحول أيضًا في تقييد تيار العطل. ويمكن لمتحولات التوزيع والمتحولات الجافة من شركة تشونغمينغ أن تُعدَّل مجموعة متجهاتها وتكوينات تنظيم الجهد وفقًا لقدرة الشبكة المصغرة وخصائص الأحمال، مما يمكِّنها من التكيُّف مع الأولويات المختلفة للبنية الشبكية المتصلة والبنية غير المتصلة.

مفاتيح القدرة

يُحدَّد عادةً الحد الفاصل بين التشغيل المتصل بالشبكة والتشغيل غير المتصل بالشبكة عند نقطة اتصال العميل (PCC). ويجب أن يمتلك المفتاح الموجود عند هذه النقطة القدرة على القطع في الاتجاهين: أي أن يقطع التيار بسرعة عند عطل الشبكة لمنع الميكروجرد من إرجاع الطاقة إلى الشبكة المعطوبة، كما يجب أن يفتح بشكلٍ موثوقٍ عند الحاجة إلى التشغيل غير المتصل بالشبكة. ومعدات Zhongmeng الخاصة بمفاتيح الجهد العالي والمنخفض، والمعدات المُسبقة التصنيع المُركَّبة في حجيرات جاهزة، تُجمَّع وتُختبر مسبقًا في المصنع. أما في الموقع، فيكفي فقط توصيل الخطوط، ما يجعلها مناسبةً لمشاريع الميكروجرد التي تتطلب نشرًا سريعًا.

أنظمة الحماية

هذه هي المنطقة التي تشهد أكبر فرق بين المعماريَّتين. ففي حالة التشغيل المتصل بالشبكة، يُوفَّر تيار العطل أساسًا من الشبكة الرئيسية، ويكون مستوى تيار القصر مرتفعًا نسبيًّا. أما بعد التحول إلى التشغيل غير المتصل بالشبكة، فيُوفَّر تيار القصر فقط من المصادر الموزَّعة داخل الشبكة المصغَّرة، وقد لا يتجاوز جزءًا صغيرًا من قيمته في حالة الاتصال بالشبكة. فإذا بقيت إعدادات الحماية مضبوطة لظروف التشغيل المتصل بالشبكة، فقد يعجز المرحل عن كشف الأعطال في وضع التشغيل غير المتصل بالشبكة، وقد لا يعمل أصلًا. ولذلك، يجب أن تتمتَّع نظام الحماية بقدرة تكيُّفية في كلا الوضعين، أو على الأقل أن يكون قادرًا على تبديل مجموعات إعدادات الحماية عند تغيُّر الوضع. كما تتطلَّب واجهة الشبكة حماية ثنائية الاتجاه لتغطية الأعطال على جانب الشبكة وعلى جانب الشبكة المصغَّرة على حدٍّ سواء. ويمكن دمج أجهزة الحماية والتحكم من شركة زهونغمِنْغ مع معدات التبديل والمحولات في حزمة متكاملة، مما يقلِّل من مخاطر عدم التنسيق بين المعدات القادمة من مورِّدين مختلفين.

٤. مشاكل تنوّع الجهد والتردد والحمولة في الأنظمة المستقلة عن الشبكة

في الوضع المستقل عن الشبكة، لم يعد الجهد والتردد مدعومَيْن من الشبكة الرئيسية. بل يُنظَّم كلاهما في الزمن الحقيقي بواسطة مصادر التحكم الرئيسية، مثل محولات تخزين الطاقة أو المولّدات الديزلية. والهدف التشغيلي المعتاد هو الحفاظ على التردد قرب ٥٠ هرتز وانحراف الجهد ضمن مدى مقبول للحمولات. ومع ذلك، في التشغيل الفعلي، فإن تغيّرات إنتاج الألواح الكهروضوئية وبدء تشغيل الحمولات الكبيرة أو إيقافها تؤدي كليهما إلى اضطرابات.

تُعَدُّ تنوُّعات الحِمل الاختبار الأكثر مباشرةً لأنظمة التشغيل خارج الشبكة. فعندما يبدأ محركٌ كبير نسبيًّا في العمل، قد يُسبِّب انخفاضًا فوريًّا في جهد النظام. وعندما تنخفض طاقة الألواح الشمسية (PV) فجأةً بسبب الغطاء السحابي، قد يرتفع التردُّد. ويجب أن يظل التحكُّم في الأنظمة خارج الشبكة مستقرًّا رغم هذه الاضطرابات المتواصلة. وفي الوقت نفسه، يجب أن تقوم وحدات تخزين الطاقة بالبطاريات بشحن الطاقة وتفريغها بسرعةٍ لتهدئة التقلُّبات، وأن تُطفئ بعض الأحمال غير الحرجة حسب الأولوية عند الحاجة. وقد نصَّت المعايير بالفعل على ألا تتجاوز مدة التحويل من وضع التشغيل خارج الشبكة إلى وضع الاتصال بالشبكة ١٠ ملي ثانية، لكن هذا الشرط يفرض متطلباتٍ عاليةً جدًّا على اتساق سرعة استجابة وحدات التحكُّم ومعدات التبديل.

٥. المعايير الكهربائية التي يجب تأكيدها في المرحلة المبكِّرة من المشروع

كلَّما كانت المعايير في المرحلة المبكِّرة أوضح، قلَّت الحاجة لإعادة العمل في اختيار المعدات وإعداد إعدادات الحماية. ويجب تأكيد المعايير التالية أولًا:

مستوى تيار القصر. يجب الحصول على تيارات القصر القصوى والدنيا بشكل منفصل في حالتي التشغيل المتصل بالشبكة والتشغيل المنفصل عنها. وفي حالة التشغيل المتصل بالشبكة، تُوفَّر هذه التيارات من قِبل الشبكة ومصادر التوزيع معًا. أما في حالة التشغيل المنفصل عنها، فتُوفَّر فقط من قِبل مصادر التوزيع. وقد تختلف القيمتان بعدة أضعاف. ويشكّل هذا الفرق الأساس المباشر لاختيار سعة قطع أجهزة التبديل وضبط قيم الحماية.

أسلوب التأريض. يجب تنسيق أساليب التأريض على جانب الشبكة وجانب الشبكة المصغَّرة. ويحدّد أسلوب تأريض النقطة المحايدة مقدار تيار عطل الأرض الأحادي الطور ومساره، كما يؤثّر أيضًا في اختيار مجموعة المتجهات للمحوِّل. وقد تتغيّر شروط التأريض بعد الانتقال إلى التشغيل المنفصل عن الشبكة، ولذلك يجب تحديد ترتيبات التأريض قبل التبديل وبعده في مرحلة التصميم.

معامِلات المحوِّل. وتشمل هذه المواصفات السعة المُصنَّفة، ونسبة الجهد، والمجموعة المتجهة، والجهد التضاعفي، وأسلوب تنظيم الجهد. ويمكن تحديد السعة وفقًا لأقصى قدرة تبادل مستمرة بين الشبكة المصغرة والشبكة الخارجية، كما يجب أيضًا التحقق من القدرة على تشغيل الأحمال ذات التأثير العالي في وضع التشغيل المنفصل عن الشبكة.

خصائص التوافقيات. يجب معرفة طيف التوافقيات وترتيبها ومحتواها بالنسبة للمحولات العكسية والأحمال غير الخطية مسبقًا. وتؤثر التوافقيات على جودة الطاقة، وقد تتسبب أيضًا في ارتفاع حرارة المحولات إضافيًّا أو في رنين المكثفات. وعند الاختيار، ينبغي مطابقة قدرة التحمل المقابلة للتوافقيات أو اتخاذ تدابير التخفيف المناسبة.

المدى المسموح به للتردد والجهد. يجب تحديد حدود التشغيل في كلٍّ من حالتي التشغيل المتصل بالشبكة والتشغيل المنفصل عنها، وكذلك الانحرافات العابرة المسموح بها أثناء التبديل. وهذه المؤشرات تحدد بشكل مباشر استراتيجية تحكم المحول وإعدادات الحماية.

تصنيف الأحمال وأقصى حمل تأثيري. يتمتّع النظام المستقل بشبكة محدودة السعة. ويجب التمييز بين الأحمال الحرجة وغير الحرجة، كما يجب تأكيد طريقة تشغيل أكبر محرك وحدوي وأقصى تيار تشغيل له. وهذا يُحدّد قدرة المحول المخزِّن للطاقة على التحميل الزائد، وحدّ الاستراتيجية المتبعة في خفض الأحمال ضمن النظام المستقل.

نقاط دمج منتجات زهونغمينغ: البارامترات المذكورة أعلاه تحتاج في النهاية إلى تنفيذها في معدات محددة. وتتولى المحولات التوزيعية عملية تحويل الجهد وتطابق المعاوقة. أما أجهزة التحكم الكهربائية فتتولى فتح/إغلاق نقطة اتصال الشبكة (PCC) وحماية الدائرة. وتدمج معدات التوزيع الكهربائي المخصصة المحولات وأجهزة التحكم الكهربائية ووظائف الحماية والتحكم والمراقبة في كبائن جاهزة أو محطات فرعية مركبة على قواعد، مما يقلل من الأخطاء الناتجة عن التنسيق أثناء التركيب الميداني. وإذا تم تأكيد تيار القصر وطريقة التأريض والتشويش التوافقي وخصائص الحمل في المرحلة المبكرة من المشروع، فيمكن تخصيص المعدات الكاملة وفقاً للظروف التشغيلية الفعلية بدلًا من الاضطرار إلى إجراء تنازلات سلبية على المنتجات القياسية.

6. سيناريوهات التطبيق

7. الأسئلة الشائعة

س: ما الفرق الرئيسي بين الميكروشبكات المتصلة بالشبكة والمستقلة عنها؟

ج: يكمن الفرق الرئيسي في منطق التحكم. ففي الوضع المتصل بالشبكة، توفر الشبكة الرئيسية الخارجية المرجع للجهد والتردد، وتتبع الميكروشبكة هذه المعايير. أما في الوضع المستقل عن الشبكة، فيجب على الميكروشبكة أن تُنشئ جهدَها وترددها الخاصين باستخدام أنظمة التخزين الداخلية والمولدات، مما يجعل نظام التحكم أكثر تعقيدًا بكثير.

س: ولماذا تختلف أنظمة الحماية بين هذين التصميمين؟

أ: تختلف مستويات التيار القصيري بشكل كبير. ففي الوضع المتصل بالشبكة الرئيسية، توفر الشبكة الرئيسية تيار عطل عاليًا. أما في الوضع غير المتصل بالشبكة، فإن مصادر التوليد الموزَّعة وحدها هي التي توفر تيار العطل، وقد يكون هذا التيار جزءًا ضئيلًا فقط من قيمته في الوضع المتصل بالشبكة. ولذلك، قد تفشل إعدادات الحماية المصممة لظروف الاتصال بالشبكة في كشف الأعطال عند التشغيل غير المتصل بالشبكة، ما يستدعي استخدام أنظمة حماية تكيفية أو مجموعات إعدادات قابلة للتبديل.

س: ما زمن التبديل المطلوب عند الانتقال من الوضع غير المتصل بالشبكة إلى الوضع المتصل بالشبكة؟

ج: تشترط المعايير الصناعية ألا يتجاوز زمن التبديل من الوضع غير المتصل بالشبكة إلى الوضع المتصل بالشبكة ١٠ ملي ثانية. وهذا يفرض متطلباتٍ عالية جدًّا على سرعة استجابة وحدات التحكم ومعدات التبديل، ويستلزم مزامنة دقيقة للجهد والتردد والطور قبل إعادة الاتصال.

س: ما الدور الذي تؤديه المحولات في شبكة الميكروجرد؟

أ: تقوم المحولات بتحويل الجهد وتوافق الممانعة بين الشبكة المصغرة والشبكة الخارجية. وفي وضع التشغيل المنفصل عن الشبكة، يجب أن تحافظ أيضًا على استقرار الجهد في ظل ظروف التحميل المنخفض والتحميل المؤثر. كما يمكن لممانعة المحول أن تساعد إضافيًّا في تقييد تيار العطل عند وجود قيود على سعة القصر.

س: ما المعاملات الكهربائية التي يجب التأكُّد منها في المرحلة المبكرة من مشروع شبكة مصغرة؟

أ: تشمل المعاملات الأساسية: مستويات تيار القصر لكلا الوضعين، وطريقة التأريض، ومعاملات المحول (السعة، النسبة، المجموعة المتجهة، الممانعة)، والخصائص التوافقيَّة، والمدى المسموح به للتردد والجهد، وتصنيف الأحمال مع أقصى حمل مؤثر. ويؤدي التأكُّد المبكر من هذه العوامل إلى تقليل الحاجة لإعادة العمل في اختيار المعدات وإعداد إعدادات الحماية.