يُشترى نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بوحدات الميجاواط والميجاواط-ساعة، لكن كل ما بينه وبين شركة المرافق يُشترى بوحدات kVA والأمبير وkA. وهذا التحويل هو ما تُخطئ فيه حزم الربط. فـنظام تحويل القدرة بقدرة 2 ميجاواط يحمل القدرة الكامنة (التفاعلية) التي يشترطها IEEE 1547-2018 ليس مصدرًا بقدرة 2000 kVA — فعند معامل القدرة 0.90 الذي تقابله تلك القدرة الكامنة، يكون مصدرًا بقدرة 2222 kVA، وهو ما يُقرَّب إلى أعلى وفق سلّم ANSI/IEEE C57.12 ليصبح محوّلاً بقدرة 2500 kVA، ويسحب تيارًا مستمرًا مقداره 2138 A عند 600 V، ويحتاج إلى موصل بسعة 2673 A وجهاز بسعة 3000 A بمجرد تطبيق NEC 705.28(A) لنسبة الـ125 بالمئة. الرقم الأول يحدّد كل ما يليه. وفيما يلي السلسلة كاملة — القدرة المقنّنة (kVA) للعاكس، والقدرة المقنّنة (kVA) للمحوّل، والمعاوقة المئوية (%Z)، وشدّة العطل، والبنود القانونية وراء كل خطوة — وهذه هي القواعد التي تطبّقها حاسبة اختيار المحوّلات وحمايتها في الموقع.
لماذا لا تمثّل قدرة العاكس بـkW القدرة بـkVA التي يحملها المحوّل
تُحدّد وحدة البطارية بوحدتي kW وkWh — ويُشرح هذا التقسيم في كيفية تحديد حجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات. أما نقطة الربط فتُحدّد بوحدة kVA، لأن التسخين يتبع التيار والتيار يتبع القدرة الظاهرية. والجسر بينهما هو معامل القدرة الذي يجب أن يحافظ عليه العاكس.
IEEE 1547-2018 هو المعيار الذي يتضمّن هذا الاشتراط. إذ يجب على الفئة A حقن قدرة كامنة تصل إلى 44 بالمئة من قدرتها الظاهرية الاسمية وامتصاص ما يصل إلى 25 بالمئة؛ بينما يجب على الفئة B القيام بالأمرين معًا بنسبة 44 بالمئة، على كامل نطاق الجهد ANSI C84.1 Range A لا عند الجهد المقنّن فقط. ويوضح ملخص EPRI السبب: “تم اختيار قدرة الـ44% لتقابل معامل قدرة 0.90 عند القدرة الفعلية المقنّنة.” وتشترط شركات المرافق عمومًا الفئة B عند مقياس الميجاواط — انظر ما الذي يشترطه IEEE 1547-2018.
S (kVA) = P (kW) ÷ PF
الوحدة بقدرة 2000 kW المطلوب منها الحفاظ على معامل قدرة 0.90 هي آلة بقدرة 2222 kVA. وإذا وُضع تحتها محوّل بقدرة 2000 kVA، فسيعمل بتحميل زائد بنسبة 11 بالمئة في كل ساعة تطلب فيها شركة المرافق القدرة الكامنة (vars).
| ما الذي يُحدّد حجمه | البند القانوني الحاكم | المعامل |
|---|---|---|
| القدرة الظاهرية للعاكس من القدرة الفعلية | القدرة الكامنة وفق IEEE 1547-2018 | ÷ 0.90 (44 بالمئة كامنة) |
| القدرة المقنّنة (kVA) للمحوّل | التصنيف المستمر وفق IEEE C57.12.00 | × 1.00، ثم التقريب إلى أعلى وفق السلّم |
| سعة التيار لموصل دارة الخرج | NEC 705.28(A) | × 1.25 من التيار الاسمي |
| جهاز الحماية من التيار الزائد على تلك الموصلات | NEC 705.30 | × 1.25 من التيار الاسمي |
| موصلات وجهاز خرج نظام تخزين الطاقة (ESS) | NEC 706.30 و706.31 | × 1.25 من التيار الاسمي لنظام تخزين الطاقة |
| الربط ذو التغذية العكسية بقضيب توزيع قائم | NEC 705.12(B)، CEC Rule 64-112 | 120 بالمئة من تصنيف قضيب التوزيع |
| حماية المحوّل عندما تتدفق القدرة في الاتجاهين | NEC 450.3 مع 705.30(F)(1)، CEC 84-012 مع Section 26 | يحدّد NEC جانبًا واحدًا كأساسي؛ بينما يتناول CEC كل جانب بالتتابع |
ما حجم المحوّل الذي تحتاجه وحدة بطارية بقدرة 2 ميجاواط؟
مثال محلول — 2 ميجاواط / 4 ميجاواط-ساعة عند 600 V على مغذّي 12.47 kV
يضيف موقع تجاري وصناعي نظامًا بقدرة 2 ميجاواط / 4 ميجاواط-ساعة لتقليم الذروة ودعم القدرة الكامنة. خرج العاكس هو 600 V ثلاثي الطور بتردد 60 هرتز؛ والمغذّي بجهد 12.47 kV؛ ونقطة الربط هي محوّل رافع مخصص وليست تغذية عكسية.
I = kVA × 1000 ÷ (√3 × V_LL)
- القدرة الظاهرية التي يجب أن يحملها المحوّل. تشترط شركة المرافق الفئة B وفق IEEE 1547، لذا يحافظ العاكس على معامل قدرة 0.90 عند الخرج المقنّن: 2000 kW ÷ 0.90 = 2222.2 kVA.
- تيار الخرج المتردد المستمر المقنّن. 2 222 200 ÷ (√3 × 600) = 2 222 200 ÷ 1039.23 = 2138.3 A. وهذا هو التيار الاسمي الذي تستند إليه كل القواعد اللاحقة.
- تصنيف المحوّل. قرّب 2222.2 kVA إلى أعلى وفق السلّم القياسي — 1500، 2000، 2500، 3000 kVA. ونسبة التحميل هي 2222.2 ÷ 2500 = 88.9 بالمئة، وهي نقطة تشغيل مستمر صحيحة لآلة مصنّفة وفق IEEE C57.12.00 عند درجة حرارة محيطة 30 °م. وتغطي قاعدة الـ80 بالمئة المذكورة في كيفية تحديد حجم المحوّل حمل مبنى متنوّعًا قد ينمو متجاوزًا طلبه المحسوب؛ أما العاكس المحدود التيار فلا يمكنه ذلك، لذا فإن 2222.2 ÷ 0.8 = 2778 kVA يؤدي إلى شراء وحدة بقدرة 3000 kVA لمواجهة خطر غير قائم.
- الموصلات وجهاز الجهد المنخفض. يشترط NEC 705.28(A) أن تكون موصلات دارة الخرج مصنّفة بما لا يقل عن 125 بالمئة من التيار الاسمي، ويشترط NEC 705.30 الأمر نفسه لجهاز الحماية من التيار الزائد: 1.25 × 2138.3 = 2672.9 A. والتصنيف القياسي التالي في NEC 240.6(A) هو 3000 A، لذا تحمل لوحة التوزيع قضيب توزيع وقاطعًا رئيسيًا بسعة 3000 A.
- تيار الحمل الكامل عند الجهد المتوسط. عند تصنيف المحوّل: 2 500 000 ÷ (√3 × 12 470) = 2 500 000 ÷ 21 598.7 = 115.7 A. ويُحدّد وفق ذلك المفتاح الأساسي والكبل ونسبة محوّل التيار (CT) — إذ يترك محوّل تيار بنسبة 200:5 مجالاً للإعدادات التي يسمح بها NEC 450.3(A) فوق 1000 V.
- شدّة العطل عند قضيب 600 V. تيار الحمل الكامل الثانوي هو 2 500 000 ÷ 1039.23 = 2405.6 A. وعند معاوقة محدّدة بـ5.75 بالمئة (أي %Z يجب تحديدها)، يكون إسهام المصدر اللانهائي 2405.6 ÷ 0.0575 = 41 837 A، ويضيف العاكس 1.2 × 2138.3 = 2 566 A، ليصبح المجموع 44 403 A.
- تصنيفات المعدات. إن 44.4 kA يستبعد معدات بتصنيف 42 kA؛ فلوحة التوزيع وقاطعها الرئيسي وكل جهاز مغذّي تحتاج إلى تصنيف 65 kA — انظر تيار العطل المتاح وتصنيفات القصر للمعدات (SCCR).
الخطوة 1 — القدرة الظاهرية التي يجب أن يحملها المحوّل
S = P / PF
S = kVA
الخطوة 2 — تيار الخرج المتردد المستمر المقنّن عند 600 V
I = S * 1000 / (sqrt(3) * V)
I = A
I_min = 1.25 × I_rated
الخطوة 4 — الحد الأدنى للموصل والجهاز عند 125 بالمئة
Imin = 1.25 * I
Imin = A
تُستمَدّ كل خطوة من الخطوة التي تسبقها، والمُدخل الوحيد المقاس هو اللوحة الاسمية للعاكس. وإذا غيّرت حجم الوحدة أو الجهد في حاسبة اختيار المحوّلات وحمايتها تتحرك السلسلة كاملة معًا.
ما الذي تؤول إليه أحجام الوحدات القياسية؟
يطبّق الجدول السلسلة نفسها عند معامل قدرة 0.90، مع تقريب كل من المحوّل والجهاز إلى أعلى — سلّم ANSI للأول، وNEC 240.6(A) للثاني.
| القدرة الفعلية للعاكس | kVA عند معامل قدرة 0.90 | المحوّل القياسي | الجهد المنخفض (LV) | التيار المقنّن للعاكس | الحد الأدنى عند 125 % | الجهاز القياسي | تيار المحوّل عند 12.47 kV | تيار المحوّل عند 27.6 kV |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 500 kW | 555.6 kVA | 750 kVA | 480 V | 668.2 A | 835.3 A | 1000 A | 34.7 A | 15.7 A |
| 1000 kW | 1111.1 kVA | 1500 kVA | 600 V | 1069.2 A | 1336.5 A | 1600 A | 69.4 A | 31.4 A |
| 1500 kW | 1666.7 kVA | 2000 kVA | 600 V | 1603.8 A | 2004.7 A | 2500 A | 92.6 A | 41.8 A |
| 2000 kW | 2222.2 kVA | 2500 kVA | 600 V | 2138.3 A | 2672.9 A | 3000 A | 115.7 A | 52.3 A |
عند 1500 kW يكون الحد الأدنى عند 125 بالمئة هو 2004.7 A — أي أعلى بـ4.7 A من التصنيف القياسي 2000 A، ما يفرض جهازًا بسعة 2500 A وقضيب توزيع مطابقًا.
كم مقدار تيار العطل الذي يصل إلى قضيب الجهد المنخفض؟
يغذّي مصدران العطل عند ذلك القضيب، ولا يتصرفان بالطريقة نفسها على الإطلاق.
I_sc (transformer) = I_FLA ÷ (%Z ÷ 100)
I_sc (total) = I_sc (transformer) + k × I_PCS
تقدّم الشبكة كل ما تسمح به المعاوقة المئوية — وهي الفرضية المتبعة في تحديد حجم الحماية من التيار الزائد للمحوّل بافتراض مصدر لانهائي. أما العاكس فلا يقدّم إلا ما تتحمله أشباه موصلاته. وتضع لجنة IEEE Power System Relaying Committee ذلك ضمن “نطاق نموذجي يتراوح بين 1.1 pu و2.0 pu” من التيار المقنّن، وتشير إلى أن موردًا “محدودًا تياره عند حد أقصى 120%” يحقن تيار تتابع سالب أقل بكثير مما تحقنه آلة متزامنة. وهذه النسبة 120 بالمئة هي حد تيار توضيحي، لا معامل موصى به؛ أما k أدناه فقيمتها 1.2 لأن أوراق البيانات تعلنها عادةً، ومنها ينبغي أن تُستمد.
| %Z المحدّدة | إسهام المحوّل | العاكس عند 1.2 pu | المجموع عند القضيب | أصغر تصنيف شائع لمعدات الجهد المنخفض يغطيه |
|---|---|---|---|---|
| 4.5 % | 53 458 A | 2 566 A | 56 024 A | 65 kA |
| 5.75 % | 41 837 A | 2 566 A | 44 403 A | 65 kA |
| 6.5 % | 37 009 A | 2 566 A | 39 575 A | 42 kA |
| 8.0 % | 30 070 A | 2 566 A | 32 636 A | 42 kA |
| 10.0 % | 24 056 A | 2 566 A | 26 622 A | 42 kA |
الخطوة 6 — شدّة العطل عند قضيب 600 V
Isc = Ifla / (Z / 100) + k * Ipcs
Isc = A
إن الفرق بين 5.75 بالمئة و6.5 بالمئة ينقل مجموعة المعدات من فئة 65 kA إلى فئة 42 kA، ويُحسم هذا الاختيار قبل إطلاق المحوّل للتصنيع. وهو ليس بلا مقابل — فالمعاوقة تمثّل أيضًا تنظيم الجهد — وتحمل معاوقة اللوحة الاسمية سماحية معينة، لذا ينبغي استخدام القيمة المقاسة من اختبار الروتين.
أين يختلف الوضع في كندا — CEC القسمان Section 64 وSection 84
الحسابات متطابقة في كندا؛ لكن مسار الكود يختلف. إذ يقسّم الكود الكهربائي الكندي (CEC) المهمة بين Section 64 (أنظمة الطاقة المتجددة) وSection 84 (ربط مصادر إنتاج القدرة الكهربائية).
هناك ثلاثة اختلافات جوهرية. أولاً، حد التغذية العكسية. يسمح NEC 705.12(B) بأن يصل مجموع جهاز المصدر وجهاز تغذية قضيب التوزيع إلى 120 بالمئة من تصنيف قضيب التوزيع — وكان هذا البند في 705.12(B)(3)(2) في نسخة NEC لعام 2020 وتغيّر موضعه بين الدورات، لذا يجب الاستشهاد بالنسخة التي اعتمدتها الجهة المختصة (AHJ). وتصوغ قاعدة CEC Rule 64-112 الفكرة نفسها بتقسيم مختلف: “يجوز أن يتجاوز مجموع التصنيفات بالأمبير لأجهزة الحماية من التيار الزائد في دارات المصادر التي تغذّي قضيب توزيع أو موصلاً تصنيفَ ذلك القضيب أو الموصل بحد أقصى 120% من ذلك التصنيف”، و125 بالمئة للوحدات السكنية. ولا ينطبق أي منهما على المثال المحلول — فمحوّل رافع مخصص على مغذّيه الخاص ليس تغذية عكسية على قضيب مشترك.
ثانيًا، حماية المحوّل، وهي حيث يفترق الكودان فعليًا. إذ تحدّد قاعدة Rule 84-012 حجمها وفق Section 26 باعتبار كل جانب من جانبي المحوّل بدوره الجانب الأساسي — فيخضع الملفان كلاهما للاختبار. أما NEC فيحدّد جانبًا أساسيًا واحدًا: فبموجب 705.30(F)(1) يكون الجانب ذا تيار العطل المتاح الأعلى، ويحدّد الجدول Table 450.3(A) فوق 1000 V أو الجدول Table 450.3(B) دون ذلك النسب المئوية، وهي تختلف عن أرقام CEC Rule 26-254 كما هو موضّح في مقالة الحماية من التيار الزائد. ثالثًا، العزل: تفرض القواعد Rule 84-010 وRule 84-020 وRule 84-022 وRule 84-024 حماية من كل مصدر ووسيلة فصل تفتح جميع الموصلات غير المؤرّضة في آن واحد، وتفعل القاعدة Rule 64-060 الأمر نفسه على جانب العاكس، وتشترط القاعدة Rule 84-030 إشعار تحذير ومخططًا أحادي الخط عند نقطة الخدمة.
الوحدة نفسها على مغذّي كندي بجهد 27.6 kV
الخطوات من 1 إلى 4 تبقى دون تغيير — 2222.2 kVA، و2138.3 A، ومحوّل بقدرة 2500 kVA، وقاطع رئيسي بسعة 3000 A. ويتغيّر الجانب الأساسي فقط: 2 500 000 ÷ (√3 × 27 600) = 2 500 000 ÷ 47 804.6 = 52.3 A، أي أقل من نصف حالة 12.47 kV، لذا يحلّ محوّل تيار بنسبة 100:5 محل نسبة 200:5.
الحالة الكندية — تيار الحمل الكامل الأساسي عند 27.6 kV
I = kVA * 1000 / (sqrt(3) * V)
I = A
ما الذي يجب تحديده
- القدرة الظاهرية المقنّنة للعاكس بوحدة kVA عند معامل القدرة المطلوب — 2222 kVA لوحدة بقدرة 2000 kW عند معامل قدرة 0.90، وفق فئة IEEE 1547-2018 المذكورة في اتفاقية الربط.
- القدرة المقنّنة (kVA) للمحوّل من السلّم القياسي، مع تحديد نسبة التحميل — هنا 2500 kVA بنسبة تحميل 88.9 بالمئة، على أساس التصنيف المستمر وفق IEEE C57.12.00. حدّد درجة الحرارة المحيطة والارتفاع إذا كان الموقع خارج الأساس المرجعي البالغ 30 °م و1000 م.
- المعاوقة المئوية كقيمة محدّدة — تعطي نسبة 5.75 بالمئة تيارًا مقداره 44 403 A عند لوحة 600 V ومعدات بتصنيف 65 kA؛ وتعطي نسبة 8 بالمئة تيارًا مقداره 32 636 A ومعدات بتصنيف 42 kA. وتُستمد هذه القيمة من دراسة القصر.
- سعة تيار الموصل وتصنيف الجهاز عند 125 بالمئة من التيار الاسمي — 2672.9 A، مقرّبة إلى 3000 A بموجب NEC 240.6(A)، وفق NEC 705.28(A) و705.30، أو NEC 706.30 و706.31 حيث تحكم اللوحة الاسمية لنظام تخزين الطاقة.
- إسهام العاكس في العطل كرقم معلَن بالوحدة النسبية — النطاق الذي تحدّده IEEE PSRC هو 1.1 إلى 2.0 pu؛ حدّد الحد الأقصى ومدته حتى تحصل دراسة التنسيق على رقم.
- تيار الملف عند الجهد المتوسط، ومستوى العزل الأساسي (BIL)، ونسبة محوّل التيار (CT) — 115.7 A عند 12.47 kV أو 52.3 A عند 27.6 kV؛ وفئة الجهد تحدّد مستوى العزل الأساسي (BIL).
- الحماية والفصل في الاتجاهين — NEC 450.3 مع 705.30(F)(1)، أو CEC 84-012 مع Section 26 ووسيلة الفصل بموجب القواعد من Rule 84-020 إلى Rule 84-024، مع إعدادات من شركة المرافق.
أخطاء شائعة
- تحديد حجم المحوّل استنادًا إلى kW. يعمل عاكس بقدرة 2000 kW على محوّل بقدرة 2000 kVA بنسبة 111 بالمئة كلما طلبت شركة المرافق القدرة الكامنة التي يشترط IEEE 1547 توفيرها. والرقم الصحيح هو 2222 kVA، الذي يُقرَّب إلى 2500 kVA. ويكشف اشتراط توزيع القدرة الكامنة في دراسة الربط هذا الخطأ.
- نقل هامش جانب الحمل إلى محوّل في جانب العاكس. 1.25 × 2222 kVA = 2778 kVA، وتعطي قاعدة الـ80 بالمئة الإجابة نفسها، ما يدفع الطلبية إلى وحدة بقدرة 3000 kVA. يضع NEC 705.28(A) و705.30 و706.30 المعامل على الموصلات وأجهزة الحماية من التيار الزائد؛ والمحوّل المصنّف وفق IEEE C57.12.00 مصنّف لحمل كامل مستمر، والمصدر هنا لا يمكن أن يتجاوز لوحته.
- تجاهل إسهام العاكس في شدّة عطل القضيب. الرقم الخاص بالمحوّل وحده عند 5.75 بالمئة هو 41 837 A، وهو ضمن تصنيف 42 kA. وبإضافة 2 566 A التي يسهم بها العاكس عند 1.2 pu يصبح المجموع 44 403 A، فتكون تلك المعدات دون التصنيف المطلوب. وتفوت دراسةٌ تُمثّل التخزين كحمل سلبي هذا الأمر.
- تقريب جهاز الحماية من التيار الزائد إلى أقرب تصنيف قياسي للأسفل. عند 1500 kW يكون الحد الأدنى 2004.7 A — فجهاز بسعة 2000 A ينقصه 4.7 A. ويدرج NEC 240.6(A) قيمة 2500 A كالتصنيف القياسي التالي، وتتبعه لوحة الموصلات.
- الاستشهاد بقاعدة الـ120 بالمئة لقضيب التوزيع من دورة إصدار خاطئة، أو في موضع لا تنطبق فيه. فقد تغيّر موضعها ضمن Article 705 بين الإصدارات، وهي تحكم فقط التغذية العكسية على قضيب توزيع مشترك. أما المحوّل الرافع المخصص على مغذّيه الخاص فيُحدّد حجمه وفق NEC 705.28(A)، لا 705.12(B).
أين يتموضع Entogo
تصنّع Entogo، التي يقع مقرّها الرئيسي في تورونتو، المحوّلات والمحطات الفرعية مسبقة الصنع وخلايا التوزيع ومعدات تخزين الطاقة بالبطاريات في مصنعها المصدري الخاص المتكامل رأسيًا. وتغطي معدات الرفع مثل محطة الزحّافة الفرعية للطاقة الشمسية والتخزين فئات جهد تصل إلى 34.5 kV، وهي مصمَّمة ومصنَّعة وفق IEEE C57.12.34 وC57.159 وC37.121؛ قابلة للاعتماد من UL (cULus)/CSA عند الطلب. أما مجموعات الجهد المنخفض مثل لوحة توزيع الجهد المنخفض فهي مصمَّمة ومصنَّعة وفق UL 891 عند 600 V وما دون، وهي فئة المعدات التي تندرج ضمنها لوحة موصلات المثال المحلول بسعة 3000 A وتصنيف 65 kA؛ قابلة للاعتماد من UL (cULus)/CSA عند الطلب. وهذه المعايير سياق تكامل؛ ولا يفيد أي مما سبق بأن المنتج يحمل اعتمادًا من جهة خارجية.
وتحوّل حاسبة اختيار المحوّلات وحمايتها حجم الوحدة إلى قدرة قياسية بـkVA وتيار حمل كامل وحماية من التيار الزائد في خطوة واحدة، وتنقل أداة تهيئة المحوّل القدرة بـkVA والجهد والمعاوقة والتبريد إلى مواصفة كاملة. ويغطي الباقي مجموعة المحوّلات والمحطات الفرعية وتخزين الطاقة للقطاعين التجاري والصناعي وتخزين الطاقة بالبطاريات في حاويات، مع طوبولوجيا الربط في الربط بالتيار المستمر مقابل الربط بالتيار المتردد للطاقة الشمسية والتخزين واختيار العاكس في العواكس الداعمة للشبكة مقابل العواكس التابعة للشبكة. وعندما تأتي العناصر الثلاثة من مُصنِّع واحد يمكن تحديد مواصفاتها استنادًا إلى دراسة قصر واحدة.
حزمة الربط سلسلة من خمسة أرقام، ولا يُقاس منها سوى الأول. خذ القدرة الظاهرية للعاكس عند معامل القدرة الذي تشترطه شركة المرافق، وقرّبها إلى أعلى وفق السلّم القياسي، وضع معامل الـ125 بالمئة على الموصلات والجهاز لا على المحوّل، واختر المعاوقة ودراسة القصر مفتوحة أمامك، وأضف إسهام العاكس نفسه قبل أن يطلب أحد المعدات.
