محول الرفع لمزارع الرياح: كيفية تحديد سعته (0.69 kV → 33 kV)، ولماذا تحدد التوافقيات الناتجة عن التوربينات المواصفات، وما الذي يتغير بين المشاريع البرية والبحرية

الإجابة أولاً: ترفع مزرعة الرياح الجهد على مرحلتين — يُحدَّد حجم محوّل وحدة التوربين بناءً على القدرة الظاهرية للمولّد بالكيلوفولت أمبير وواجب التوافقيات، بينما يُحدَّد حجم محوّل المزرعة بناءً على إجمالي الخرج المتزامن ومتطلبات كود الشبكة

ترفع مزرعة الرياح الجهد على مرحلتين. يقوم محوّل رفع جهد التوربين (ويُسمى أيضاً محوّل WTG أو محوّل الوحدة) برفع الجهد المنخفض للمولّد — عادةً 0.69 kV، أو 0.9–1.14 kV في أكبر الماكينات — إلى جهد المجمّع في المزرعة البالغ 20 kV أو 33 kV أو 35 kV، ويُحدَّد حجمه بناءً على القدرة الظاهرية المقننة للمولّد بالكيلوفولت أمبير (وليس قدرته الفعالة بالكيلوواط)، مع هامش صغير لدرجة الحرارة المحيطة والتسخين التوافقي. ثم يرفع محوّل المزرعة (المحطة الفرعية) ناقل المجمّع بأكمله من 33 kV إلى مستوى ربط الشبكة البالغ 110 kV أو 132 kV أو 220 kV، ويُحدَّد حجمه بناءً على إجمالي خرج المزرعة مصحّحاً بعامل التنوّع بدلاً من مجموع اللوحات الاسمية لكل توربين. هناك ثلاثة أمور تميّز محوّل الرياح عن محوّل التوزيع العادي: توافقيات المحوّل التي تضيف خسائر في الملفات، وواجب التشغيل الدوري المدفوع بالرياح الذي يجعل خسارة اللاحمل تهيمن على تكلفة العمر التشغيلي، والموقع القاسي — الضباب الملحي البحري، والارتفاع في المواقع البرية، والدورات الحرارية الواسعة. حدّد هذه الثلاثة بشكل صحيح ينجُ المحوّل خلال عمر التصميم البالغ 20 عاماً للتوربين.

النقاط الرئيسية

• مرحلتان، وقاعدتان لتحديد الحجم. يُحدَّد حجم محوّل WTG بناءً على القدرة الظاهرية للمولّد (عادةً 1.0–1.1× قدرة المولّد بالكيلوفولت أمبير)؛ ويُحدَّد حجم محوّل المزرعة بناءً على إجمالي خرج المزرعة باستخدام عامل التنوّع/التزامن، وليس المجموع الحسابي لجميع قدرات التوربينات.
• التوافقيات تحدّد التخفيض الحراري. كلٌّ من توربينات المحوّل الكامل (النوع 4) والمزدوجة التغذية (النوع 3) يحقن تشويهاً في التيار؛ حدّد تصنيف عامل K أو تخفيضاً موثّقاً وفق IEEE C57.110، بالإضافة إلى درع إلكتروستاتيكي بين ملف المولّد منخفض الجهد وملف المجمّع متوسط الجهد.
• واجب الرياح دوري وليس مستقراً. يتبع الخرج سرعة الرياح، لذا تعمل خسارة اللاحمل (الحديد) آلاف الساعات سنوياً بينما تعمل خسارة الحمل فقط عند الرياح القوية — وغالباً ما يُبرَّر استخدام درجة خسارة أفضل (S13/S20) أو قلب أمورف على أساس تكلفة العمر التشغيلي.
• الموقع البحري يغيّر النوع، وليس الحاوية فقط. تتجه الوحدات المثبّتة في الحاضنة نحو التصاميم الجافة أو المعبأة بالإستر مع حماية من التآكل C5-M وحاويات محكمة الإغلاق بتصنيف IP؛ أما محوّلات المجمّع البرية فهي عادةً وحدات مغمورة بالزيت مثبّتة على قواعد.
• الامتثال لكود الشبكة متطلب خاص بالمحوّل. القدرة على البقاء خلال انخفاض الجهد، وقدرة القدرة التفاعلية، وحدود التوافقيات، وتنسيق مستوى الأعطال — كلها تنعكس على الممانعة ونطاق المغيرات والتصميم الحراري.

لماذا لا يُعدّ محوّل توربين الرياح محوّل توزيع قياسياً

يخفض محوّل التوزيع جهد شبكة منخفضة الجهد مستقرة إلى العميل ويعمل قرب حمل ثابت. أما محوّل توربين الرياح فيفعل العكس تقريباً. فهو يأخذ خرج الجهد المنخفض لمولّد إلكتروني القدرة ويرفعه إلى جهد المجمّع في ظل ثلاثة ظروف تُعيد تشكيل التصميم.

أولاً، المصدر غني بالتوافقيات. التوربين على نطاق المرافق إما مولّد حثّي مزدوج التغذية (النوع 3)، الذي يحقن محوّله الجانبي للعضو الدوّار توافقيات منخفضة الرتبة، أو ماكينة بمحوّل كامل (النوع 4)، يُغذّى عضوها الثابت بالكامل عبر محوّل يبدّل بتردد عالٍ. ويخضع كلاهما لحدود محدّدة لجودة القدرة — إذ يخضع تشويه التيار عند نقطة الربط لـ IEEE 519 وIEC 61000-3-6، وتُقاس خصائص التوربين وفق IEC 61400-21 — لكن حتى الماكينات الممتثلة تترك تموّجاً تبديلياً وتوافقيات منخفضة الرتبة (الخامسة والسابعة والحادية عشرة والثالثة عشرة) ترفع خسائر التيارات الدوّامية والخسائر الشاردة في ملفات المحوّل. وهذه هي الآلية ذاتها وراء التسخين التوافقي للمحوّل واختيار عامل K.

ثانياً، الحمل يتبع الرياح. يُغذّى محوّل التوربين بالطاقة كلما كانت الماكينة متاحة — غالباً أكثر من 8,000 ساعة سنوياً — لكنه يبلغ الحمل الكامل فقط أثناء الرياح القوية. لذا تتراكم خسارة اللاحمل تقريباً كل ساعة في السنة، بينما تتراكم خسارة الحمل جزءاً من الوقت فقط. هذا التفاوت يُعيد تشكيل حجة الكفاءة، تماماً كما هو الحال في محوّلات رفع جهد الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

ثالثاً، البيئة قاسية. تواجه الوحدات البحرية هواءً محمّلاً بالملح ورطوبة عالية وصيانة مقيّدة؛ أما الوحدات البرية فتقع في مواقع السهوب والصحراء والجبال والسواحل ذات درجة حرارة محيطة مرتفعة أو منخفضة جداً وكسب شمسي شديد وتقلبات حرارية يومية واسعة. المحوّل المصمّم لغرفة داخلية عند 25 °C ليس بالضرورة مناسباً لقاعدة خارجية عند 45 °C أو لموقع بدء بارد عند −30 °C.

كيفية تحديد حجم محوّل رفع جهد توربين الرياح (WTG): طريقة من ثلاث خطوات

الحساب بسيط؛ أما اختيار المدخلات الصحيحة فليس كذلك.

الخطوة 1 — ابدأ من القدرة الظاهرية المقننة للمولّد (kVA)

استخدم القدرة الظاهرية المقننة للمولّد، وليس تصنيف قدرته الفعالة. توربين بقدرة 5 MW يعمل عند معامل قدرة 0.95 يقدّم نحو 5.26 MVA لمحوّله؛ وماكينة بقدرة 6 MW عند معامل القدرة ذاته تقدّم نحو 6.32 MVA. تحديد الحجم بناءً على MW وحده يقلّل من تقدير التيار الذي يجب أن يتحمّله الملف.

الخطوة 2 — أضف هامشاً لدرجة الحرارة المحيطة والارتفاع والتوافقيات

طبّق هامش تصميم — عادةً 5–15% كنقطة بداية — لدرجة الحرارة المحيطة في اليوم الحار، والارتفاع (الذي يقلّل التبريد الهوائي، انظر دليل التخفيض عند الارتفاعات العالية)، والمحتوى التوافقي للماكينة. قرّب لأعلى إلى التصنيف القياسي التالي، مثلاً 5.5 MVA أو 6.3 MVA لتوربين من فئة 5 MW. التكبير بما يتجاوز نحو 15% يضيف في الغالب خسارة لاحمل وتكلفة دون فائدة.

الخطوة 3 — حدّد مواصفات التوافقيات والحرارة والمغيرات

حدّد عامل K (أو تخفيضاً موثّقاً وفق IEEE C57.110)، وارتفاع درجة حرارة الملف وفئة العزل لدرجة الحرارة المحيطة التصميمية، وفئة التبريد (ONAN للزيتي المغمور، AN للجاف)، ونطاق المغيرات خارج الحمل — عادةً ±2 × 2.5% — بحيث يمكن ضبط جهد المجمّع مع تغيّر حالة الشبكة. أضف درعاً إلكتروستاتيكياً بين ملفي الجهد المنخفض والجهد المتوسط لإبقاء اضطرابات جانب المحوّل وجانب الشبكة منفصلة. تُحدَّد المتطلبات العامة بموجب IEC 60076-16 (محوّلات تطبيقات توربينات الرياح)، مع IEC 60076-1 وIEEE C57.12.00 كمعيارين رئيسيين.

كيفية تحديد حجم محوّل مزرعة الرياح (المحطة الفرعية)

الخطوة 1 — اجمع خرج التيار المتردد للمزرعة، ثم طبّق التنوّع

اجمع إجمالي سعة التيار المتردد للمزرعة عند نقطة الربط المشتركة، ثم طبّق عامل التزامن (التنوّع): فليس كل توربين ينتج خرجه الاسمي في اللحظة ذاتها، حتى في مصفوفة جيدة الموقع. مزرعة من عشرين توربيناً بقدرة 5 MW (100 MW مركّبة) قد تبلغ خرجاً متزامناً يتراوح بين نحو 90–97% من القدرة المركّبة في ظل رياح مثالية، لذا فإن أساس تصميم محوّل المزرعة هو ذروة التصدير المدروسة للموقع، وليس المجموع الحسابي لتصنيف محوّل كل توربين.

الخطوة 2 — حوّل إلى kVA وقرّب إلى حجم قياسي

حوّل التيار المتردد المتزامن من MW إلى MVA باستخدام معامل القدرة المتعاقد عليه للمزرعة (غالباً 0.95 متأخر إلى 0.95 متقدم بموجب أكواد الشبكة الحديثة)، ثم قرّب لأعلى إلى تصنيف قياسي — مثلاً مزرعة بقدرة 100 MW عند معامل قدرة 0.95 تعطي نحو 105 MVA، لذا فإن وحدة بقدرة 120 MVA أو 125 MVA خيار نموذجي.

الخطوة 3 — حدّد الممانعة والمغيرات والتبريد للامتثال لكود الشبكة

حدّد جهد الممانعة (Uk%) لتحقيق التوازن بين تحديد مستوى العطل وتنظيم الجهد والبقاء خلال الانخفاض (عادةً 10–14% لوحدة من فئة 110–220 kV)؛ واختر تغيير المغيرات تحت الحمل أو خارجه وفقاً لمتطلبات نطاق الجهد والقدرة التفاعلية في كود الشبكة؛ وأكّد فئة التبريد ومنحنى الحمل الزائد مقابل القدرة التفاعلية المطلوبة. يجب ألا يقوّض المحوّل قدرة المزرعة على البقاء خلال الأعطال أو الامتثال للقدرة التفاعلية — فهذه مسألة نظامية وليست خياراً من الكتالوج.

معمارية الجهد: من 0.69 kV إلى 220 kV على مرحلتين

يحدّد موقع كل محوّل نسبة تحويله وتصنيفه. وتغطي أربعة ترتيبات تقريباً كل مزرعة رياح برية وبحرية.

تتجمّع جهود المجمّع البرية حول 33 kV (أوروبا وجزء كبير من آسيا)، و34.5 kV (أمريكا الشمالية)، و35 kV (الصين)، و20 kV؛ ويُختار مستوى ربط الشبكة من قبل مشغّل النقل المحلي. وفي المواقع البحرية، غالباً ما يرتفع جهد المجمّع إلى 66 kV لتقليل خسائر الكابلات، ويُحدَّد جهد التصدير بطول الكابل والشبكة البرية.

توافقيات المحوّل وعامل K: لماذا تسخّن التوربينات الحديثة المحوّل

يحدّد نوع التوربين الطيف التوافقي الذي يجب أن يتحمّله المحوّل.

• النوع 3 — مولّد حثّي مزدوج التغذية (DFIG). يُوصل العضو الثابت مباشرةً، لذا يرى المحوّل أساساً توافقيات منخفضة الرتبة (الخامسة والسابعة والحادية عشرة والثالثة عشرة) من محوّل العضو الدوّار المقيّم جزئياً. التشويه معتدل لكنه مستمر.
• النوع 4 — المحوّل الكامل. يُقوَّم خرج المولّد بالكامل ويُعكس مرة أخرى، لذا يرى المحوّل تموّجاً بتردد التبديل بالإضافة إلى نطاقات جانبية منخفضة الرتبة يعتمد مقدارها على طوبولوجيا المحوّل ومرشّحه. غالباً ما يكون التشويه الكلي أقل، لكن المحتوى عالي التردد أغنى.

ترتفع خسائر التيارات الدوّامية والخسائر الشاردة مع مربع التيار التوافقي ومع التردد، لذا يعمل محوّل مقيّم لموجة جيبية نقية أسخن مما يوحي به تصنيفه الاسمي تحت حمل المحوّل. هناك خياران للمواصفات لمعالجة ذلك: تصنيف عامل K (K-4 إلى K-9 يغطي معظم التوربينات الحديثة) أو وحدة قياسية مع تخفيض موثّق وفق IEEE C57.110. ويجب إقران كليهما بـ درع إلكتروستاتيكي بين ملفي الجهد المنخفض والجهد المتوسط، وهو يحمي أيضاً محوّل التوربين من الجهد الزائد العابر من جانب الشبكة. للاطلاع على الطرق الأساسية انظر دليل التوافقيات ودليل عامل K.

واجب الرياح الدوري واقتصاديات الخسائر: أي درجة خسارة تسترد تكلفتها

تهيمن الساعات، وليس الحمل، على دورة واجب محوّل التوربين. فهو يُغذّى بالطاقة كلما كانت الماكينة متاحة، وتتراكم خسارة اللاحمل (P0) في كل ساعة من تلك الساعات، بينما تتراكم خسارة الحمل (Pk) فقط أثناء التوليد عند الحمل. في موقع بمعامل سعة، مثلاً، 35%، قد يعمل المحوّل قرب الحمل الكامل جزءاً من السنة فقط. لهذا تُرجّح حسابات تكلفة العمر التشغيلي لمحوّلات الرياح خسارة اللاحمل أكثر من محوّل صناعي — ولهذا يمكن لدرجة خسارة أفضل (S13 أو S20)، أو قلب معدني أمورف، أن يسترد تكلفته خلال بضع سنوات رغم ارتفاع التكلفة الأولية. والطريقة هي ذاتها المبيّنة في دليل التكلفة الإجمالية للملكية، والمقايضة بين درجات الخسارة مشروحة في مقارنة S11/S13/S20 ودليل المحوّلات ذات القلب الأمورف.

وينتج عن الواجب الدوري نتيجتان حراريتان: الدورات الحرارية اليومية (تمدد وانكماش الملفات والعزل، مما يُشيخ عزل الورق وقد يُرخي التثبيت بمرور الوقت) وتبديل التبريد بالمراوح أو القسري إذا استُخدم ONAF. وكلاهما يدعو إلى تثبيت متين، وارتفاع محافظ في درجة حرارة الملف، وتصميم تبريد لا يعتمد على التبديل المتكرر. وأساسيات عمر العزل مشروحة في دليل فئة العزل.

البري مقابل البحري: ما الذي يتغير في المواصفات

تحمل الوحدات البحرية أيضاً متطلبات زلزالية واهتزازية، ودرجات حرارة بدء بارد منخفضة جداً في بعض المناطق، وحدوداً أكثر صرامة لـ حمل الحريق داخل الحاضنة. أما برياً، فأكبر المشكلات العملية هي التخفيض بسبب الارتفاع، والغبار والحشرات في قنوات التبريد، وتسرّب الرطوبة والقوارض في التصاميم المثبّتة على القواعد. وبالنسبة لأنظمة الزيت، يُغطّى الاختيار بين خزان الحفظ والخزان المحكم الإغلاق في دليل حفظ الزيت، واختيار السائل في دليل زيت المحوّلات.

قائمة تحقق مواصفات محوّل مزرعة الرياح

• أساس التصميم هو القدرة الظاهرية للمولّد (kVA) عند معامل القدرة المقنن، مع ذكر هامش درجة الحرارة المحيطة في اليوم الحار والارتفاع بشكل منفصل.
• نسبة الجهد محدّدة: 0.69 / 0.9 / 1.14 kV للجهد المنخفض إلى 20 / 33 / 35 / 66 kV للمجمّع — مرحلة واحدة أو مرحلتان.
• عامل K أو تخفيض موثّق وفق IEEE C57.110 مطابق لنوع التوربين (النوع 3 أو النوع 4).
• درع إلكتروستاتيكي بين ملفي الجهد المنخفض والجهد المتوسط.
• مجموعة الاتجاه — Dyn11 هي الافتراضي الشائع؛ أكّدها مقابل تصميم التأريض والحماية للمزرعة (انظر دليل مجموعة الاتجاه).
• جهد الممانعة (Uk%) محدّد لتحقيق التوازن بين مستوى العطل وتنظيم الجهد والبقاء خلال الانخفاض.
• مغيرات خارج الحمل (±2 × 2.5%) لضبط جهد المجمّع؛ تغيير المغيرات تحت الحمل فقط إذا تطلّب كود الشبكة ذلك.
• درجة الخسارة أو القلب الأمورف مختارة على أساس تكلفة خسارة اللاحمل على مدى العمر، وليس التكلفة الأولية.
• فئة التبريد ودرجة الحرارة المحيطة التصميمية مطابقتان للموقع (مثلاً تصميم يوم حار عند 45–50 °C).
• فئة التآكل (C4 بري / C5-M بحري وفق ISO 12944)، وتصنيف IP، والتصميم المحكم الإغلاق.
• مانعات الصواعق والحماية منسّقة مع مستوى عطل المحوّل وتصنيفات التوربين (انظر دليل الحماية من الصواعق ودليل أجهزة الحماية).
• اختبارات النوع والاختبارات الروتينية وفق IEC 60076-16 بالإضافة إلى سلسلة IEC 60076 الرئيسية، مع اختبار قبول في المصنع قبل الشحن (انظر قائمة تحقق الفحص قبل الشحن) وتدقيق موثّق للشركة المصنّعة (انظر قائمة تحقق تدقيق المورّد).

الأسئلة الشائعة حول محوّلات مزارع الرياح

كيف تحسب تصنيف kVA لمحوّل توربين الرياح؟

اقسم تصنيف القدرة الفعالة للتوربين على معامل قدرته للحصول على القدرة الظاهرية، ثم أضف هامشاً بنسبة 5–15% لدرجة الحرارة المحيطة والارتفاع والتوافقيات وقرّب لأعلى إلى حجم قياسي. توربين بقدرة 5 MW عند معامل قدرة 0.95 يساوي نحو 5.26 MVA، لذا فإن محوّلاً بقدرة 5.5 MVA أو 6.3 MVA خيار نموذجي.

هل محوّل توربين الرياح مغمور بالزيت أم جاف؟

برياً، تكون المحوّلات المغمورة بالزيت المثبّتة على القواعد أو عند قاعدة البرج هي القاعدة. وبحرياً، وخاصة داخل الحاضنة، تُفضّل الوحدات الجافة أو المعبأة بالإستر لأنها تقلّل حمل الحريق وخطر انسكاب الزيت في موقع يصعب الوصول إليه للصيانة.

لماذا تستخدم مزارع الرياح مرحلتي محوّل؟

جهد المولّد (نحو 0.69 kV) منخفض جداً بحيث لا يمكن نقله عبر المزرعة، لذا يرفع كل توربين جهده إلى مجمّع من فئة 33 kV ويرفع محوّل مركزي واحد المجمّع إلى مستوى الشبكة 110–220 kV. النقل عند جهد المجمّع يُبقي خسائر الكابلات وحجمها في حدود معقولة.

ما الفرق بين محوّل WTG ومحوّل المحطة الفرعية لمزرعة الرياح؟

يرفع محوّل WTG (الوحدة) خرج توربين واحد إلى جهد المجمّع ويُحدَّد حجمه بناءً على القدرة الظاهرية لذلك التوربين. أما محوّل المحطة الفرعية لمزرعة الرياح فيرفع ناقل المجمّع بأكمله إلى جهد الشبكة ويُحدَّد حجمه بناءً على إجمالي الخرج المتزامن للمزرعة.

المصادر / 资料来源

• المصدر: IEC 60076-16 — محوّلات القدرة — الجزء 16: محوّلات تطبيقات توربينات الرياح
• المصدر: IEC 60076-1 / 60076-2 / 60076-3 — محوّلات القدرة (المتطلبات العامة، ارتفاع درجة الحرارة، مستويات العزل والاختبارات العازلة)
• المصدر: IEC 60076-11 — محوّلات القدرة — المحوّلات الجافة
• المصدر: IEC 61400-1 — أنظمة توليد طاقة الرياح — متطلبات التصميم
• المصدر: IEC 61400-21 — أنظمة توليد طاقة الرياح — قياس وتقييم خصائص جودة القدرة لتوربينات الرياح المربوطة بالشبكة
• المصدر: IEC 61000-3-6 — التوافق الكهرومغناطيسي — تقييم حدود الانبعاث للأحمال المشوِّهة في أنظمة القدرة متوسطة وعالية الجهد
• المصدر: IEEE C57.12.00 — المتطلبات العامة لمحوّلات التوزيع والقدرة والتنظيم المغمورة بالسائل
• المصدر: IEEE C57.12.01 — المتطلبات العامة لمحوّلات التوزيع والقدرة الجافة
• المصدر: IEEE C57.110 — الممارسة الموصى بها لتحديد قدرة المحوّل عند تغذية تيارات حمل غير جيبية
• المصدر: IEEE 519 — الممارسة الموصى بها والمتطلبات للتحكم التوافقي في أنظمة القدرة الكهربائية
• المصدر: سلسلة GB/T 1094 — 电力变压器 (محوّلات القدرة)
• المصدر: GB/T 19963.1 — 风电场接入电力系统技术规定 第1部分：陆上风电 (المتطلبات الفنية لربط مزارع الرياح بنظام القدرة — الجزء 1: الرياح البرية)
• المصدر: VDE-AR-N 4120 — المتطلبات الفنية لربط وتشغيل منشآت العملاء بشبكة الجهد العالي
• المصدر: ISO 12944 — حماية الهياكل الفولاذية من التآكل بأنظمة الدهان الواقي
• المصدر: DNV-ST-0145 — المحطات البحرية الفرعية
• المصدر: فريق هندسة QDTB — الخبرة الصناعية لهوامش تحديد حجم محوّلات WTG النموذجية، واختيار عامل K، والتصميم حسب درجة الحرارة المحيطة للموقع