دليل اختيار SPD لأنظمة الطاقة الشمسية AC وDC

• لماذا تعتمد الحماية من زيادة التيار في الأنظمة الكهروضوئية على معيارين
• بنية النظام الكهروضوئي: أماكن تركيب أجهزة الحماية من زيادة التيار
• الحماية على جانب التيار المستمر: متطلبات IEC 61643-31
• الحماية على جانب التيار المتردد: متطلبات IEC 61643-11
• جدول مقارنة معلمات أجهزة الحماية الكهروضوئية على جانبي AC وDC
• مستويات الجهد: التطور من 600 فولت إلى 1500 فولت تيار مستمر
• مبادئ تكوين أنظمة الطاقة الكهروضوئية
• اعتبارات يجب مراجعتها عند الاختيار
• الأسئلة الشائعة
• الخلاصة

تتعرض الأنظمة الكهروضوئية لمخاطر زيادة التيار على جانب التيار المستمر، بين الألواح الشمسية والعاكس، وعلى جانب التيار المتردد، بين العاكس والشبكة. ويخضع الجانبان لمعايير IEC مختلفة، ويعملان عند مستويات جهد مختلفة، ويتطلبان تكوينات مختلفة لأجهزة الحماية من زيادة التيار SPD. يوضح هذا الدليل الفروق الرئيسية ويساعد المهندسين على اتباع منهج منظم عند اختيار أجهزة الحماية للأنظمة الكهروضوئية.

لماذا تعتمد الحماية من زيادة التيار في الأنظمة الكهروضوئية على معيارين

لا تمثل المنظومة الكهروضوئية بيئة كهربائية واحدة. ينقل جانب التيار المستمر الطاقة من الألواح الشمسية إلى العاكس، ويعمل بتيار مستمر عند جهود قد تصل إلى 1500 فولت DC في المحطات واسعة النطاق. أما جانب التيار المتردد فينقل خرج العاكس إلى الشبكة أو الأحمال المحلية، ويعمل بتيار متردد عند مستويات الجهد المنخفض القياسية. تتعرض أجهزة الحماية المركبة على الجانبين لإجهادات كهربائية مختلفة، ويتم تقييمها وفق معايير IEC مختلفة، ولذلك يجب التعامل مع حماية جانبي AC وDC كاستراتيجية مكونة من جزأين.

ولهذا تُقسم الحماية من زيادة التيار في الأنظمة الشمسية عادة إلى جزأين: أجهزة SPD على جانب DC مختبرة وفق IEC 61643-31 (المعيار الخاص بأجهزة الحماية في التركيبات الكهروضوئية)، وأجهزة SPD على جانب AC مختبرة وفق IEC 61643-11 (المعيار الخاص بأجهزة الحماية في أنظمة القدرة منخفضة الجهد بالتيار المتردد). يساعد فهم الاختلافات بين المعيارين في منهجية الاختبار وتصنيف الجهد ومبادئ التكوين على تحديد جهاز مناسب لكل جانب من النظام. وتشمل مجموعة أجهزة الحماية للأنظمة الشمسية الكهروضوئية من Cresin أجهزة مصممة لجانبي DC وAC وفق المعايير ذات الصلة.

بنية النظام الكهروضوئي: أماكن تركيب أجهزة الحماية من زيادة التيار

في النظام الكهروضوئي المتصل بالشبكة، تُركب الحماية من زيادة التيار عند عدة نقاط رئيسية. على جانب DC، تُركب الأجهزة بالقرب قدر الإمكان من مدخل التيار المستمر للعاكس، بين سلسلة أو مصفوفة الألواح والعاكس، للحد من الارتفاعات العابرة القادمة عبر كابلات DC الممتدة غالباً لمسافات طويلة فوق الأسطح أو في الأراضي المفتوحة. وعلى جانب AC، تُركب الأجهزة عند خرج التيار المتردد للعاكس أو في لوحة توزيع AC لحماية النظام من الارتفاعات القادمة من الشبكة ومن عمليات الفصل والتوصيل داخل شبكة التيار المتردد.

هذا التمييز مهم لأن دوائر DC وAC تتصرف بشكل مختلف أثناء زيادة التيار. لا تحتوي دوائر التيار المستمر على نقطة عبور طبيعية للتيار عند الصفر، ما يجعل إطفاء القوس الكهربائي أكثر صعوبة في أجهزة DC. أما دوائر AC فتستفيد من عبور التيار دورياً عند الصفر، مما يساعد على إطفاء تيار المتابعة. تؤثر هذه الخصائص في تصميم المكونات الداخلية ومتطلبات الاختبار في كل معيار، ولذلك يجب اتخاذ قرار اختيار جهاز الحماية على جانب DC وقرار اختيار الجهاز على جانب AC بصورة مستقلة.

الحماية على جانب التيار المستمر: متطلبات IEC 61643-31

يعد IEC 61643-31 المعيار الدولي المخصص لأجهزة الحماية من زيادة التيار المتصلة بدوائر التيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية. وهو يحدد فئات الاختبار وتصنيفات الجهد ومتطلبات الأداء مع مراعاة طبيعة التيار المستمر وخصائص جهد مصفوفات الألواح الشمسية.

من أهم الاعتبارات على جانب DC اختيار أقصى جهد تشغيل مستمر Uc. يجب أن تكون قيمة Uc لجهاز الحماية الكهروضوئي أعلى من أقصى جهد دائرة مفتوحة Voc للمصفوفة عند أدنى درجة حرارة تشغيل متوقعة، لأن جهد الألواح يرتفع مع انخفاض درجة الحرارة. فعلى سبيل المثال، قد تصل سلسلة ذات Voc اسمي 1000 فولت عند شروط الاختبار القياسية 25 درجة مئوية إلى جهد أعلى بكثير عند −10 درجات مئوية. وقد يؤدي اختيار Uc من دون احتساب معامل الحرارة إلى توصيل غير مرغوب فيه أو تقادم متسارع للجهاز.

تغطي أجهزة الحماية الكهروضوئية DC من Cresin قيم Uc من 670 فولت DC إلى 1800 فولت DC، بما يناسب أنظمة 600 و1000 و1200 و1500 فولت DC. وقد اختُبرت وفق IEC 61643-31، وبتيار تفريغ اسمي In مقداره 20 كيلو أمبير وتيار تفريغ أقصى Imax مقداره 40 كيلو أمبير. ويعتمد مخطط التوصيل، سواء بين القطب الموجب والسالب PV+ إلى PV− أو بين كل قطب والأرضي PV+ إلى PE وPV− إلى PE، على نظام التأريض وتصميم العزل في العاكس.

الحماية على جانب التيار المتردد: متطلبات IEC 61643-11

على جانب AC من النظام الكهروضوئي، تُستخدم أجهزة حماية قدرة بالتيار المتردد مختبرة وفق IEC 61643-11، وهو المعيار نفسه المستخدم في شبكات التوزيع التقليدية منخفضة الجهد. ويشمل هذا الجانب عادة خرج العاكس المتصل بالشبكة ولوحة توزيع AC ونقطة الاتصال بشبكة المرفق أو الأحمال المحلية.

في معظم الأنظمة السكنية والتجارية المتصلة بشبكة 230/400 فولت، يُختار عادة جهاز Type 2 بجهد Uc قدره 275 أو 385 فولت AC. أما في المنشآت التجارية الكبرى أو المحطات التي تغذي شبكات 690 فولت AC أو أعلى، فتُستخدم أجهزة بقيم Uc أعلى. تغطي مجموعة Cresin على جانب AC قيماً من 385 إلى 1500 فولت AC، مع In من 20 إلى 60 كيلو أمبير وImax من 40 إلى 100 كيلو أمبير لتناسب تكوينات خرج العاكس المختلفة.

يتبع اختيار Type 1 أو Type 2 على جانب AC المبادئ نفسها المتبعة في أنظمة الجهد المنخفض التقليدية. يُنظر عادة في Type 1، المختبر بموجة 10/350 ميكروثانية، عند وجود نظام خارجي للحماية من الصواعق. أما Type 2، المختبر بموجة 8/20 ميكروثانية، فيتعامل مع التأثيرات غير المباشرة للصواعق وارتفاعات الجهد الناتجة عن عمليات التبديل. لمزيد من التفاصيل، راجع مقال جهاز حماية AC من النوع 1 مقارنة بالنوع 2.

جدول مقارنة معلمات أجهزة الحماية الكهروضوئية على جانبي AC وDC

يقارن الجدول التالي أهم المعلمات والمتطلبات القياسية لأجهزة الحماية على جانبي DC وAC، ويقدم مرجعاً لاختيار الجهاز المناسب لكل جزء من النظام الكهروضوئي.

مستويات الجهد: التطور من 600 فولت إلى 1500 فولت تيار مستمر

ارتفع جهد التيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية خلال العقد الماضي لتقليل خسائر الموصلات وتحسين كفاءة المنشآت الكبيرة. ويعد تحديد مستوى جهد النظام نقطة البداية لاختيار جهاز حماية كهروضوئي DCالمناسب.

أنظمة 600 فولت DC كانت شائعة في التركيبات السكنية القديمة والمشروعات التجارية الصغيرة. عند هذا المستوى، يُختار عادة جهاز Uc يقارب 670 فولت DC لتوفير هامش أعلى من Voc عند درجات الحرارة المنخفضة مع البقاء ضمن حد التشغيل المستمر للجهاز.

أنظمة 1000 فولت DC تستخدم على نطاق واسع في المنشآت التجارية والصناعية. ويُحدد لها عادة Uc قدره 1200 فولت DC أو أعلى بحسب معامل حرارة الألواح وأدنى درجة حرارة متوقعة في الموقع.

أنظمة 1500 فولت DC تمثل حالياً المستوى القياسي في المحطات واسعة النطاق، حيث يقلل الجهد الأعلى عدد السلاسل المتوازية وتكاليف مكونات النظام. عند 1500 فولت DC، يُختار Uc عادة عند 1800 فولت DC أو أعلى لاستيعاب ارتفاع Voc الناتج عن انخفاض الحرارة. صُممت أجهزة Cresin لهذه التطبيقات واختُبرت وفق IEC 61643-31.

ملاحظة: يجب أن يراعي اختيار Uc معامل حرارة الوحدة الكهروضوئية، الذي يبلغ عادة نحو −0.3% لكل درجة مئوية في وحدات السيليكون البلوري. عند −10 درجات مئوية، قد تنتج مصفوفة مصنفة 1500 فولت قيمة Voc تقارب أو تتجاوز 1800 فولت، ولذلك تُستخدم أجهزة Uc 1800 فولت DC عادة في هذه الأنظمة.

مبادئ تكوين أنظمة الطاقة الكهروضوئية

عند تكوين الحماية من زيادة التيار في نظام كهروضوئي، تُتبع عدة مبادئ لمعالجة بيئتي زيادة التيار المختلفتين على جانبي AC وDC:

تكوين جانب DC. يُركب جهاز الحماية DC بالقرب قدر الإمكان من مدخل العاكس، مع استخدام موصلات قصيرة لتقليل الجهد الحثي الإضافي أثناء الارتفاع العابر. يعتمد التوصيل PV+ إلى PV− أو PV+/PV− إلى PE على نظام التأريض. في الأنظمة غير المؤرضة أو العائمة الشائعة مع العواكس من دون محول، تُوصل الأجهزة عادة بين كل قطب وأرضي وظيفي. وفي الأنظمة المؤرضة، يتبع التكوين موقع نقطة التأريض.

تكوين جانب AC. يُركب جهاز AC عند خرج العاكس أو في لوحة التوزيع التي تغذي نقطة الاتصال بالشبكة. ويعتمد اختيار Type 1 أو Type 2 على الاعتبارات نفسها في منشآت AC التقليدية، بما في ذلك وجود نظام خارجي للحماية من الصواعق ونتائج تقييم المخاطر.

التنسيق بين جانبي DC وAC. تحمي أجهزة الجانبين من مسارات مختلفة لدخول الارتفاعات، ولا تحتاج عادة إلى تنسيق طاقي مباشر بينها لأنها مفصولة بالعزل الداخلي للعاكس. ومع ذلك، يمكن لكل جانب الاستفادة من حماية متعددة المراحل ضمن نطاقه، مثل تركيب جهاز DC في صندوق التجميع وآخر عند مدخل العاكس عندما تكون الكابلات طويلة.

في المشروعات التي تتطلب فيها بنية النظام أو التأريض أو مستوى الجهد حلاً مخصصاً، يمكن لفريق Cresin الفني تقديم الدعم. يمكنكم التواصل معنا للحصول على توصية مناسبة للمشروع، أو الرجوع إلى صفحة حلول الحماية من زيادة التيار للأنظمة الشمسية الكهروضوئية للاطلاع على تكوينات مرجعية.

اعتبارات يجب مراجعتها عند الاختيار

عند تقييم أجهزة الحماية لمشروع شمسي، يُنصح بمراجعة الاعتبارات التالية:

• مقارنة Uc مع Voc عند أدنى درجة حرارة. يجب أن تراعي Uc على جانب DC جهد الدائرة المفتوحة للمصفوفة عند أدنى درجة حرارة متوقعة، وليس فقط Voc الاسمي عند شروط الاختبار القياسية. وقد يؤدي إهمال معامل الحرارة إلى اختيار جهاز بقيمة Uc غير كافية.
• التحقق من مطابقة المعيار. تأكد من اختبار أجهزة جانب DC وفق IEC 61643-31 وليس IEC 61643-11 فقط، لأن منهجية ومتطلبات الاختبار للتيار المستمر تختلف. وقد لا يوفر جهاز مصنف DC لكنه مختبر وفق معيار AC فقط الحماية المطلوبة لدائرة كهروضوئية DC.
• مخطط التوصيل والتأريض. يجب أن يتوافق توصيل الجهاز، بين الأقطاب أو بين القطب والأرضي، مع نظام تأريض المنظومة. وقد يترك المخطط غير المناسب بعض مسارات الارتفاع من دون حماية.
• الحماية الاحتياطية. تتطلب أجهزة PV DC حماية علوية مناسبة من زيادة التيار قادرة على فصل تيار عطل مستمر. وقد لا تكون المصاهر أو القواطع القياسية للتيار المتردد مناسبة لدوائر DC. راجع صفحة أجهزة الحماية المتخصصة والملحقات لخيارات أجهزة الفصل الاحتياطية المخصصة.

الخلاصة

تعتمد الحماية من زيادة التيار في الأنظمة الشمسية على استراتيجيتين منفصلتين يحكمهما معياران مختلفان. تتعامل أجهزة PV DC المختبرة وفق IEC 61643-31 مع التيار المستمر وتغير الجهد مع الحرارة، بينما تتعامل أجهزة PV AC المختبرة وفق IEC 61643-11 مع الارتفاعات التقليدية على خرج العاكس. ويجب عند اختيار Uc وIn وImax ومخطط التوصيل مراعاة جهد النظام 600 أو 1000 أو 1500 فولت DC، ونظام التأريض، وأدنى درجة حرارة متوقعة في الموقع.

من خلال تقييم جانبي DC وAC بصورة منفصلة، كل جانب وفق معياره وبيئته الكهربائية، يستطيع المهندسون تكوين حماية كهروضوئية متوافقة مع IEC 61643-31 وIEC 61643-11 ومناسبة للمخاطر المختلفة على كل جانب من النظام.