داخل محطة طاقة الرياح الفرعية: كيف تصل التوربينات إلى الشبكة

ما الذي تفعله محطة طاقة الرياح الفرعية في الواقع

تولد التوربينات عادة عند 690 فولت إلى 1000 فولت. هذا الجهد منخفض جدًا بحيث لا يمكن قطع أي مسافة حقيقية دون خسائر هائلة، لذلك يرسل كل توربين إنتاجه من خلال محول مثبت على الوسادة حتى خط تجميع متوسط ​​الجهد، عادةً 33 كيلو فولت أو 34.5 كيلو فولت. تتلاقى العشرات من دوائر التجميع هذه عند محطة طاقة الرياح الفرعية ، حيث يقوم محول الطاقة الرئيسي برفع الجهد مرة أخرى - عادةً إلى 132 كيلو فولت، أو 220 كيلو فولت، أو 400 كيلو فولت اعتمادًا على المسافة إلى نقطة التوصيل البيني وقدرة الشبكة المحلية.

داخل المحطة الفرعية، تحدث ثلاث وظائف في وقت واحد: تحويل الجهد، والحماية (عزل الأخطاء قبل أن تتدفق إلى الشبكة)، والقياس/الاتصال (إبلاغ مشغل الشبكة عن المخرجات في الوقت الفعلي). على سبيل المثال، قد تقوم مزرعة رياح بقدرة 300 ميجاوات بتوجيه الطاقة من خلال محول رئيسي واحد بقدرة 300 ميجاوات، أو تقسيم الحمل عبر وحدتين بقدرة 150 ميجاوات من أجل التكرار - وهو قرار له عواقب مالية حقيقية ستتم مناقشته أدناه.

محطة طاقة الرياح الفرعية مقابل محطة الشبكة التقليدية

على الورق، يقوم كلا المرفقين برفع الجهد لأعلى أو لأسفل وحماية الشبكة. ومن الناحية العملية، تختلف ظروف التشغيل بدرجة كافية بحيث تتباين مواصفات المعدات بشكل حاد.

إن الطبيعة المتغيرة لتوليد الرياح والمعتمدة على المحول هي أكبر اختلاف هندسي. تتطلب رموز الشبكة في معظم الأسواق الآن من مزارع الرياح المرور عبر انخفاضات الجهد وتوفير الطاقة التفاعلية عند الطلب، لذلك يجب أن تشتمل المحطة الفرعية على معدات تعويض ديناميكية لن تحتاجها محطة التوزيع الفرعية القياسية أبدًا.

المعدات الأساسية التي ستجدها بالداخل

• محول الطاقة الرئيسي - خطوات جهد المجمع (33 كيلو فولت / 34.5 كيلو فولت) حتى جهد النقل (132 كيلو فولت - 400 كيلو فولت) ؛ عادة ما تكون مغمورة بالزيت، ومبردة بواسطة ONAN/ONAF.
• المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز أو الهواء — تعمل أنظمة المعلومات الجغرافية على تقليل البصمة بنسبة تصل إلى 70% مقارنةً بنظام AIS، وهو أمر ذو قيمة عندما تكون الأراضي مقيدة أو مستأجرة بأسعار مميزة.
• مرحلات الحماية - المرحلات التفاضلية والمسافة والتيار الزائد التي تم ضبطها لخصائص خطأ التوليد القائم على العاكس، والتي تتصرف بشكل مختلف عن المحطات المتزامنة أثناء دوائر القصر.
• تعويض الطاقة التفاعلية — STATCOMs أو SVCs التي تحمل الجهد ضمن الحدود المتعاقد عليها، وغالبًا ما تكون ±5% من القيمة الاسمية.
• SCADA وأنظمة الاتصالات — القياس عن بعد في الوقت الفعلي الذي يغذي مركز التحكم الخاص بمشغل الشبكة، وعادةً ما يكون ذلك بفترات زمنية أقل من الثانية لاستجابة التردد.
• الطاقة المساعدة والبطارية الاحتياطية - يحافظ على تنشيط أنظمة الحماية والتحكم أثناء انقطاع الشبكة.

تصميم محطات طاقة الرياح البرية والبحرية

يتغير الموقع تقريبًا في كل افتراضات التصميم. توجد منشأة برية على منصة خرسانية مع إمكانية الوصول إلى الطريق لطواقم الصيانة؛ يتم إنشاء محطة فرعية بحرية على سترة ثابتة أو منصة عائمة، غالبًا على بعد 20 إلى 80 كيلومترًا من الشاطئ، وكل كيلوغرام من المعدات يزيد من التكلفة الهيكلية للمنصة.

تشتمل المحطات الفرعية البحرية أيضًا في كثير من الأحيان على معدات محول التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) عندما تتجاوز المسافة إلى الشاطئ ما يقرب من 80-100 كيلومتر، نظرًا لأن خسائر نقل التيار المتردد تصبح غير اقتصادية بعد هذا النطاق. تضيف محطة تحويل HVDC تكلفة كبيرة ولكنها يمكن أن تقلل من خسائر النقل بأكثر من النصف عبر تشغيل الكابلات البحرية الطويلة مقارنة ببدائل التيار المتردد.

مستويات الجهد وتحجيم المحولات

يعد اختيار فئة الجهد المناسبة بمثابة توازن بين كفاءة النقل وتكلفة المعدات. قد تستخدم مزرعة الرياح التي تصدر 100 ميجاوات على مسافة 10 كيلومترات 132 كيلو فولت بشكل مريح. نفس الـ 100 ميجاوات التي يتم تصديرها لمسافة تزيد عن 60 كيلومترًا غالبًا ما تبرر 220 كيلو فولت أو أعلى، لأن الجهد العالي يقطع التيار لنفس الطاقة، مما يؤدي إلى تقليص حجم الموصل وفقدان I²R.

يشتمل حجم المحولات عادةً على هامش أعلى من سعة لوحة الاسم - عادةً من 10% إلى 15% - لحساب إعادة تشغيل التوربينات المستقبلية أو إضافات السعة. يؤدي تقسيم القدرة عبر محولين بدلاً من محول واحد إلى زيادة التكلفة الأولية بنحو 15% إلى 20%، ولكنه يسمح للمزرعة بمواصلة التصدير بقدرة منخفضة إذا احتاجت وحدة واحدة إلى صيانة غير مخطط لها، بدلاً من إغلاقها بالكامل.

الموثوقية والتكرار وتكاليف التوقف

بالنسبة للأصل الذي قد يعمل لمدة 25 عامًا، فإن التوفر هو المال. يمكن أن يكلف انقطاع محول واحد غير مخطط له في مزرعة بقدرة 200 ميجاوات عشرات الآلاف من الدولارات يوميًا من إيرادات التوليد الضائعة، اعتمادًا على أسعار الطاقة المحلية. ولهذا السبب يحدد العديد من المطورين الآن:

• تكوينات بسبار مزدوجة بحيث يمكن عزل قسم واحد للصيانة دون إيقاف التشغيل الكامل
• وحدات محولات احتياطية، أو على الأقل، البطانات الاحتياطية ومراوح التبريد المخزنة في الموقع
• مراقبة تحليل الغاز المذاب (DGA) عبر الإنترنت لاكتشاف أخطاء المحولات قبل أن تصبح فاشلة
• التشخيص عن بعد الذي يشير إلى التوافقيات غير الطبيعية أو الاتجاهات الحرارية قبل أسابيع من توقف أحد المكونات عن الاتصال بالإنترنت

تظهر بيانات الصناعة بشكل عام أن المحطات الفرعية التي تتمتع بمراقبة الحالة عبر الإنترنت تقلل من مدة الانقطاع غير المخطط له بنسبة 30% إلى 50% مقارنة بتلك التي تعتمد فقط على عمليات الفحص المجدولة، لأنه يتم تحديد المشكلات وجدولتها للإصلاح قبل أن تفرض إيقاف التشغيل في حالات الطوارئ.

عوامل التكلفة التي تهم المشترين الجادين

يميل أي شخص يقوم بتقييم مشروع محطة فرعية لطاقة الرياح - سواء كان مطورًا أو مقاول EPC أو مالك الأصول - إلى تقييم نفس مجموعة المتغيرات عند مقارنة العطاءات:

• التكلفة الإجمالية للملكية على مدى 25 سنة ، وليس فقط تكلفة رأس المال - يمكن لخسائر المحولات وحدها أن تمثل مئات الآلاف من الدولارات سنويًا في مزرعة كبيرة.
• المهلة الزمنية للمحولات الرئيسية ، والتي امتدت في السنوات الأخيرة إلى 18-24 شهرًا في بعض الأسواق، مما يجعل الشراء المبكر أولوية في الجدولة.
• اختبار الامتثال لرمز الشبكة ، نظرًا لأن الفشل في تجاوز الخلل أو متطلبات الطاقة التفاعلية يمكن أن يؤخر التشغيل لعدة أشهر.
• نمطية — يمكن لحزم المحطات الفرعية الجاهزة والمختبرة في المصنع تقليل وقت البناء في الموقع بنسبة 30% إلى 40% مقارنة بالمباني المجمعة ميدانيًا بالكامل.
• اتفاقيات الضمان والخدمة تغطي أنظمة الحماية والمحولات، والتي تؤثر بشكل كبير على مخاطر التشغيل على المدى الطويل.

الاعتبارات البيئية والسماح

يؤثر تحديد موقع المحطات الفرعية على السماح بالجداول الزمنية بقدر ما يؤثر على وضع التوربينات. تعد الضوضاء الصادرة عن مراوح تبريد المحولات، والتأثير البصري في المناظر الطبيعية الحساسة، والقرب من الأراضي الرطبة أو الموائل المحمية من نقاط المراجعة الشائعة. في بعض الأحيان تكون الكابلات تحت الأرض من المحطة الفرعية إلى نقطة التوصيل البيني مطلوبة بالقرب من المناطق السكنية، والتي يمكن أن تضيف 15٪ إلى 30٪ إلى هذا الجزء من تكلفة المشروع ولكنها تقصر بشكل كبير عملية الترخيص في المواقع المتنازع عليها.