الحاجة المتزايدة إلى نوعية الطاقة في نظم الطاقة المتجددة

فبما أن " الصندوق " يعجل بتحوله إلى مصادر طاقة مستدامة، فإن المزارع ذات القدرة الفلكية الشمسية، والاضطرابات الريحية، وغيرها من نظم توليد الطاقة المتجددة يجري نشرها على نطاق غير مسبوق، ومشاريع الوكالة الدولية للطاقة التي ستمثل قدرة متجددة على إحداث وفورات كبيرة في الطاقة، هي التي يمكن أن تؤدي إلى استقرار مستويات القدرة على توليد الطاقة، على نحو لا غنى عنه، مما يؤدي إلى زيادة القدرة على توليد الطاقة الكهربائية

فهم الأفلام النشطة: المبادئ والأصناف

ويُعدّ المرشح النشط جهازا إلكترونيا للطاقة يُحقن في النظام الكهربائي الحالي أو الفولط لإلغاء التناسق غير المرغوب فيه، وعبء التوازن، وينظم عامل الطاقة، وتشمل عناصره الأساسية أداة مُعدّلة لتشكيل نبضات، وجهازاً لوصلات الوصل بين العاصمة، وجهازاً للمراقبة الرقمية يُعين باستمرار شبكات التحميل الحالية أو الطائرة.

الأنواع الرئيسية للمرشحين العاملين

وتصنف مرشحات النشاط عموما حسب الطبقة الاجتماعية والقدرة على التعويض:

  • Shunt active filters] – Connected in parallel with the load, they inject compensating currents to abolish harmonics and correct power factor. they are the most common type for distribution-level applications, especially in solar and wind farms.
  • Series active filters] – Inserted in series between the source and the load, they act as controlled voltage sources to block harmonics and regulate voltage. they are often used to protect sensitive equipment from grid disturbances.
  • Hybrid active filters] — Combine a shunt active filter with a small passive filter to reduce the rating and cost of the active component while maintaining high performance. they are gaining traction in medium-voltage renewable systems.
  • Unified power quality conditioners (UPQC)] - Integrate both series and shunt active filters in a single tool to concur handle voltage and current quality issues. These are used at critical interconnection points in large renewable plants.

وتستخدم مرشحات نشطة حديثة استراتيجيات رقابة متقدمة مثل نظرية " بكر " (المعروفة أيضاً باسم التحول كلارك)، ومراقبة الإطار المرجعي المتزامن (الضريبة)، ومراقبة التنبؤات النموذجية، وتتيح هذه الخوارزميات للمرشح الاستجابة لتغيرات الحمولة في غضون ثواني صغيرة، وتوفر تعويضات شبه ثابتة بغض النظر عن الطيف المتناسق أو الخلل التدريجي.

لماذا تحتاج نظم الطاقة المتجددة إلى ملفات نشطة

إن المتحولين من اللافقاريات الشمسية ومحولات الاضطرابات الريحية هي في جوهرها حمولات غير خطية تستمد من الشبكة التي لا تصلح للوضع، ويضمن التحول إلى مترجمين ثنائيي القطبين غير مجهزين بالشبكة، أو وحدات التعبئة المتعددة الجنسيات في هذه المحولات توليد تناسق في عدة منشآت ذات تردد التبديل، وفقاً لمقياس IEEE Standard 519-2022، عوامل الانحراف الضاربة.

  • زيادة الخسائر في الأرواح في المحولات والموصلات، مما يقلل مباشرة من كفاءة التحويل.
  • Premature aging of capacitors and electrolytic cells in the inverter DC link.
  • فشل في عمليات نقل الحماية، أجهزة القياس، ونظم الاتصالات.
  • خطر الصمود مع المرشّحات السلبية الموجودة أو عدم وجود شبكة.

وعلاوة على ذلك، فإن معايير الربط الشبكي - مثل المعيار IEC 61727 للنظم المكلورة بالكهرباء وEE 1547 للمولدات المتجددة الموزعة التي تحتاج إلى جيل - للحفاظ على عامل للطاقة في نطاق محدد (نحو 0.95 الرصاص/اللغم) ويمكن للمرشحات النشطة أن تنظم بصورة دينامية حقن الطاقة التفاعلية، وتساعد المصنع المتجدد على الامتثال لهذه المتطلبات مع تجنب التعريفات الجمركية من مشغلي المرافق.

How Active Filters Improve Power Conversion Efficiency

وتتدهور كفاءة تحويل الطاقة في نظام الطاقة المتجددة بأربع آليات رئيسية للخسائر: الخسائر في السلوك، والفقدان الناجم عن الوئام، والخسائر الناجمة عن التجاوزات في النفقات العامة، وتعالج المرشّحات النشطة مباشرة الآلية الثالثة وتساعد بصورة غير مباشرة على الحد من الأخرى، وتخفض من المكاسب المتجانسة في نقطة الانقلاب المشترك، وتخفض المرشّحات النشطة من التدفقات الحالية للمحتوى المتوسط من خلال النواتج المربعة.

الأثر الكمي

ويمكن أن يعاني متحول الطاقة الشمسية الذي يعمل بشبكة 100 كيلوواط، والذي يبلغ 8 في المائة من الـ 3 في المائة من فقدان إضافي قدره 2.3 في المائة في موصلات مرشحات الإنتاج ومساحة AC بالمقارنة مع تشغيل جهاز TD دون 3 في المائة، وعلى مدى عام، يمثل فقدان 2 في المائة تقريباً من الطاقة المهدرة إلى دورين متوسطيتين.

تحقيق الاستقرار في المرحلة القصوى وتتبع نقطة القوة القصوى

وتعتمد النظم المتجددة القائمة على استخدام اللافقارات على أقصى درجات التتبع لمراكز الطاقة (MPPT) لاستخراج أعلى طاقة ممكنة من الطائفة الشمسية أو توربين الرياح، حيث يمكن أن تؤدي الثروات والأورام الناتجة عن سوء نوعية الطاقة إلى خلط بين متحكمي الطاقة الكهربائية، مما يؤدي إلى تسوية نقطة التشغيل دون المستوى الأمثل، وتساعد أجهزة التصفية العاملة على الحفاظ على موجة ثابتة من الطاقة الكهربائية في محطات توليد الطاقة الكهربائية

فوائد الأفلام النشطة في النظم المتجددة

انخفاض إجمالي التشتتات المنافية للإنسان

والمنافع الأساسية هي الطاقة النظيفة، إذ يمكن للمرشحات العاملة أن تقلل من نسبة الارتداد من 10 في المائة إلى أقل من 3 في المائة، ونسبة الـ 30 في المائة إلى أقل من 5 في المائة، حتى من أكثر المتطلبات صرامة في مجال المرافق، وهذه القدرة النظيفة تقلل من خطر الإفراط في التسخين في المحولات وتتجنب تعثر معدات الحماية.

مدى عمر المعدات

ويتسبب الهارمونات في زيادة الإجهاد التغذوي في مواد العزل، مما يؤدي إلى فشل مبكر في استخدام السيارات، والمركبات، والمفاتن العاملة، مما يزيل هذا الإجهاد، ويوسع الحياة التشغيلية لكل عنصر من عناصر مجرى المفاعلات، وفي حالات كثيرة، تشمل عودة الاستثمار في مرشح نشط وفورات من استبدال المعدات المؤجلة.

التداخل المغناطيسي الأدنى

وتولد التناسق العالي الترددات مادة مدمجة مشعة وتديرها، مما يمكن أن يعطل الاتصالات بين المتحولين، وسجلات البيانات، ونظم SCADA، وتساعد أجهزة التصفيف العاملة مع التخفيف السليم من الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات (بما في ذلك المفاعلات المتكاملة) على إبقاء الانبعاثات في حدود الفئة ألف من البرنامج، بما يكفل تشغيل نظام رقابة موثوق به.

التعويض عن السلطة الاستباقية دون الإفراط في

وكثيرا ما تفرض شركات العقم عقوبات على الاستهلاك المفرط للطاقة الاسترجاعية، ويمكن للمرشحين النشطين أن يحقنوا أو يستوعبوا القدرة الاستباقية الخاضعة للرقابة، مع الاحتفاظ بعامل طاقة شبه الوحدة، مما يلغي الحاجة إلى الإفراط في تقدير القوة الظاهرية للمنحرف للحصول على الدعم التفاعلي، مما يقلل من تكلفة اللافقار والوزن.

تعزيز الاستقرار والتكامل مع تخزين الطاقة

وفي نظم الطاقة المتجددة الهجينة التي تشمل تخزين البطاريات، تحسن المرشّحات النشطة استقرار مجموعة حافلات العاصمة من خلال منع الانزلاق الناموس من خلال نظام إدارة البطاريات، مما يقلل من الضغط على خلايا البطاريات ويحسن كفاءة المرحلتين، وعلاوة على ذلك، يمكن للمرشحين النشطين دعم الشبكات الضعيفة بتوفير حواجز في الظاهر وأجهزة تنقية كهربائية، وهي قيمة بوجه خاص في المناطق غير الساحلية أو الجزرية.

اعتبارات التنفيذ والأمثلة الحقيقية على الصعيد العالمي

نقاط التكامل

ويجري عادة تركيب مرشحات نشطة في أحد المواقع الثلاثة في نظام متجدد:

  1. At the inverter output] - Within the inverter enclosure itself, as an integrated active filter module. Some modern multi-level inverters embed active filter functionity directly.
  2. At the low-voltage main Swboard – For medium-sized commercial installations (50 kW to 1 MW), a standalone shunt active filter connected to the main AC bus provides centralized compensation.
  3. In the point of common coupling (PCC)] – For large utility-scale systems ( ⁇ 1 MW), active filters placed at the PCC (often on the medium-voltage side via a step-up transformer) ensure that the entire plant meets grid code requirements.

Control Algorithms in Practice

(أ) الطريقة الأكثر اعتماداً في مجال التحكم في مرشحات الطاقة المتجددة الفعالة هي الإطار المرجعي المتزامن مع هذا الإطار، وتظهر المكونات الأساسية كمواد مستخرجة من طراز DCFLT:1].

تحليل التكاليف والفوائد

وتتراوح تكلفة مرشح نشط نموذجي من الفرن بين ٥٠ و ١٥٠ دولارا لكل كيلوفولط أمبير، حسب الترتيب والملامح، وبالنسبة لتركيب الطاقة الشمسية البالغ ٥٠٠ كيلو فولط، فإن الرش النشط الذي يوضع لمعالجة ١٥٠ كيلوفولت أمبير من التعويض الهارموني قد يكلف ٠٠٠ ١٥ دولار إلى ٥٠٠ ٢٢ دولار، ووفورات الطاقة السنوية من تحسين الكفاءة )٥,٥ في المائة من الكيلوغرامات = ٧,٥ كيلو متر مربع محتفظ بها، أي ما تبقى من رسوم الصيانة

دراسة حالة: مزرعة سولار 10MW مع رتروفيت عاملة

(أ) [مزارع الطاقة الشمسية في جنوب كاليفورنيا]: تعرض صاحب المصنع لمواد تناسق مزمنة بعد رفع مستوى خط الارتفاع في الكفاءة؛ كما أن درجة الحرارة في الجسم البشري قد تجاوزت 7 في المائة، مما أدى إلى خفض في عدد مرات الإنتاج 4 مرات في الشهر؛ وقد قام صاحب المصنع بإعادة تشكيل مرشحين نشطين من طراز 200 إلى ألف في الطرف المنخفض التقلب من المحول الرئيسي.

الاتجاهات والاستنتاجات المستقبلية

As renewable penetration grows, active filters will evolved in three key directions. First, artificial intelligence (AI) and machine learning will allow filters to learn the harmonic signature of a site over time and adapt their compensation proactively rather than reactively. Second, the shift toward

إن مرشحات العمل ليست إضافة مضافة مرفوعة ولكنها تكنولوجيا أساسية لتحقيق أقصى قدر من العائد على الاستثمار في نظم الطاقة المتجددة، ومن خلال الحد من الخسائر المتسقة، وتحقيق الاستقرار في الفولط، وتعويض الطاقة الرجعية، فإنها ستؤدي مباشرة إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة بنسبة ١,٥-٣ في المائة، وتوسيع نطاق شبكة الكهرباء الكترونية الباهظة التكلفة، ومن أجل أي مخططات مشاريع الطاقة المتجددة تكون في الواقع مجموعة من مجموعات الطاقة الشمسية، أو في المزرعة ذات طاقة الرياح التجارية،