حماية من الارتفاع المفاجئ للجهد لأنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS): حافلة التيار المستمر، وحدة تحويل الطاقة، وواجهات الاتصال

1. لماذا تحتاج مواقع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات إلى حماية متعددة الطبقات

يجمع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) بين دوائر تيار مستمر عالي التيار، وتحويل التيار المتناوب المتصل بالشبكة، وشبكة تحكم، ضمن مساحة مدمجة — غالبًا ما تكون في حاوية أو مجموعة من الخزانات الخارجية. وهذا الجمع يجعل النظام حساسًا للتغيرات العابرة بطرق متعددة في آن واحد: ارتفاعات الجهد الناجمة عن البرق على الكابلات الخارجية، وارتفاعات الجهد الناتجة عن عمليات التبديل عند الربط بالشبكة، والتغيرات العابرة المنتشرة عبر خطوط الاتصالات. التخطيط حماية من التيار الزائد BESS لذلك يبدأ من الأسلاك، لا من منتج واحد.

يحتوي كل جزء من النظام على نوع دارة وجهد مختلفين، ولذلك يُزوَّد عادةً بجهاز حماية خاص به. وتُعد المسارات الأربعة الموضحة أدناه قائمة مرجعية مفيدة عند تقييم موقع ما، سواء كان خزانةً تجاريةً صغيرة أو محطةً مدمجةً بسعة عدة ميغاواط.

2. أربعة مسارات دخول للارتفاع المفاجئ

من الناحية العملية، تصل الارتفاعات المفاجئة إلى نظام تخزين الطاقة بالبطاريات عبر أربعة مسارات رئيسية: مجموعة البطاريات وحافتها التيار المستمر، والجانب المتردد لنظام تحويل الطاقة (PCS)، وشبكة الاتصال الخاصة بنظام إدارة البطارية/نظام إدارة الطاقة، بالإضافة إلى مصدر الطاقة المساعد. يوضح الرسم البياني أدناه كيفية ارتباط هذه العناصر ببعضها البعض.

جهاز حماية واحد لا يغطي جميع العناصر الأربعة. a دي سي إس بي دي لـ BESS يحمي حافلة البطارية، لكنه لا يشير إلى أطراف التيار المتردد، ولا إلى وصلات RS‑485/CAN، ولا إلى مصدر التغذية المساعدة؛ إذ يُحدَّد كلٌّ منها على حدة.

3. مجموعة البطاريات وحافلة التيار المستمر

جانب البطارية هو دائرة تيار مستمر غير مزودة بخلايا فولطية ضوئية. يتناسب جهده مع حالة الشحن — إذ يرتفع أثناء الشحن وينخفض أثناء التفريغ — كما أن المصدر قادر على توليد تيار عطل كبير. لذلك، يتم اختيار جهاز الحماية بناءً على أعلى قيمة لجهد التيار المستمر المستمر الذي يصل إليه الموزع فعليًا (بما في ذلك حدّ الشحن)، وليس القيمة الاسمية المطبوعة على الوحدات.

ثمة نقطتان إضافيتان تميّزان حافلة البطارية عن التطبيقات الأخرى للتيار المستمر. أولًا، يمكن أن يتدفق التيار في كلا الاتجاهين عبر نظام تحويل الطاقة (PCS)، لذا يتعيّن على جهاز الحماية أن يتحمّل ظروف التشغيل أثناء الشحن والتفريغ على حد سواء. ثانيًا، يتم إجراء الوصل بين موصلات الحافلة والأرض وفق نمط يتوافق مع تصميم التأريض الخاص بالموقع — وهو أمر يجب التأكد منه من خلال الرسم التخطيطي أحادي الخط بدلاً من افتراضه.

بالنسبة لهذه الدائرة، يُعتبر المرجع المناسب هو IEC 61643‑41، الذي يغطي أجهزة الحماية من التأثيرات العابرة المتصلة بأنظمة التغذية بالتيار المستمر منخفض الجهد حتى 1500 فولت تيار مستمر. وهو المرجع الخاص بالتيار المستمر في التطبيقات غير المتعلقة بالخلايا الكهروضوئية، كما أنه المعيار الذي يُقاس عليه عادةً حامي بطارية الحافلة.

النتيجة العملية هي أن موقعين لهما نفس الجهد الاسمي للبطارية قد يظلان بحاجة إلى حمايات مختلفة إذا اختلفت طرق التأريض أو مستويات تيار العطل في كل منهما. ولهذا السبب، لا يُختار مانع زيادة الجهد لتخزين الطاقة بالبطاريات استنادًا إلى ملصق الجهد الاسمي وحده؛ بل يتم التحقق من سقف الشحن، وقطبية التأريض، وتيار القصر المتوقع في وثائق المشروع قبل اقتراح نموذج معين.

4. جانب التيار المتردد لوحدة PCS

يقوم جهاز PCS بربط حافلة التيار المستمر بالشبكة أو بالحمل المحلي، ويُعرَض جانب التيار المتناوب فيه لنفس الاضطرابات الناتجة عن التبديل والتأثيرات الجوية التي يتعرض لها أي محول طاقة موصول بالشبكة. مُقَوِّم التفريغ الكهربائي للتيار المتردد يُختار هنا وفقًا لجهد التغذية المتناوب وترتيب تأريض النظام، ويُركَّب عادةً عند مدخل التيار المتناوب أو عند أطراف المحول. يُعدّ جانب التيار المتناوب دائرة منفصلة عن الحافلة ذات التيار المستمر، ويُحدَّد بشكل مستقل، وفقًا لما يلي آي إي سي 61643-11 .

نظرًا لأن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات يمكنه استيراد الطاقة وتصديرها في الوقت نفسه، يُختار جهاز الحماية على جانب التيار المتردد لتشغيل ثنائي الاتجاه العادي؛ وهذا يعد تطبيقًا روتينيًا للتيار المتردد ولا يغيّر من معايير الاختيار الأساسية، غير أن نقطة التغذية وأي ترتيب للمحولات ينبغي أن ينعكسا في اختيار نوع الجهاز الحمائي وقيمة تيار التفريغ المسموح به.

5. الاتصالات بين نظام إدارة البطارية ونظام إدارة الطاقة

يعتمد نظام إدارة البطارية (BMS) ونظام إدارة الطاقة (EMS) على وصلات بيانات منخفضة الجهد — وهي عادةً RS‑485 أو CAN أو إيثرنت — تربط بين الرفوف والخزائن وغرفة التحكم. هذه الوصلات حساسة، إذ إن أي تداخل عابر يُلحق بخط الاتصال قد يُلحِق أضرارًا بإلكترونيات التحكم حتى في حال عدم تأثر دوائر الطاقة.

يتم اختيار وحدة حماية الإشارة/البيانات (SPD) وفقًا لواجهة التشغيل وجهد الخط، وعادةً ما تُركّب عند كل نقطة يدخل فيها كابل اتصالات خارجي إلى غرفة المعدات. أما أجهزة الحماية الخاصة بشبكات الاتصالات والإشارات فتُعالج من خلال آي إي سي 61643-21 ، بما في ذلك الخطوط التي تنقل الطاقة مثل تقنية الطاقة عبر الإيثرنت. وكما هو الحال مع معدل البيانات، ينبغي قراءة جهد الخط المدعوم لنموذج معين من ورقة البيانات الخاصة به، وليس استنتاجه من نوع الموصل.

تستلزم خطوط الاتصالات الخارجية أيضًا مراعاة التدريع: يجب توصيل غلاف الكابل بنظام التأريض عند نقطة دخوله إلى العلبة، كما ينبغي وضع جهاز الحماية بالقرب من تلك النقطة. وعندما يستخدم وصلة البيانات موصلًا بلا غلاف، يصبح طرف التأريض الخاص بجهاز الحماية المسار الرئيسي لتصريف التيار العابر، ولذلك فإن طول السلك ومساره يكتسبان أهمية كبيرة.

6. الطاقة المساعدة

إن مصدر التغذية المساعدة — وهو عبارة عن مصادر تيار متناوب أو تيار مستمر صغيرة تزوّد نظام إدارة المبنى، وأجهزة الاستشعار، والمراوح، ودوائر السلامة بالطاقة — يُعدّ سهل الإهمال، لكنه جزء من نفس العلبة. ينبغي حماية أي مصدر مساعد يدخل من الخارج، أو يشترك في نقطة التوزيع مع إلكترونيات التحكم، كما تُحمى أي خط طاقة وارد آخر. ويتم اختيار الجهاز بما يتناسب مع جهد التغذية المساعدة ومصدرها، والذي غالبًا ما يختلف عن الحافلة الرئيسية للتيار المستمر.

7. حماية التفريغ الكهربائي DC لمنظومة تخزين الطاقة بالبطاريات مقابل حماية التفريغ الكهربائي PV: غير قابلة للتبادل

من الأسئلة المتكررة ما إذا كان من الممكن إعادة استخدام حامي التيار الزائد للخلايا الكهروضوئية على مسار البطارية، نظرًا لأن كليهما يعمل بالتيار المستمر. فكلا الدائرتين مختلفان جوهريًا: فسلسلة الخلايا الكهروضوئية هي مولد محدود التيار يتدفق فيه التيار في اتجاه واحد، وتتسم بسلوك أخطاء خاص بالخلايا الكهروضوئية؛ أما مسار البطارية فهو مصدر ثنائي الاتجاه ذي مقاومة داخلية منخفضة، وله خصائص أخطاء مختلفة. وتعكس المواصفات القياسية هذا الفصل بشكل صريح.

• يغطي المعيار IEC 61643-31 أجهزة الحماية من التفريغ الكهربائي (SPDs) المخصصة للجانب المستمر للمولدات الكهروضوئية والمحولات؛ وينصّ المعيار نفسه على أن أجهزة الحماية من التفريغ الكهربائي لأنظمة الطاقة الكهروضوئية المزودة بخزانات طاقة (مثل البطاريات) هي غير مغطى .
• يغطي المعيار IEC 61643‑41 أجهزة الحماية من التفريغ الكهربائي (SPDs) لأنظمة التغذية بالتيار المستمر منخفض الجهد بشكل عام، وهو المرجع لشبكة تيار مستمر غير مرتبطة بالخلايا الضوئية، مثل سلسلة البطاريات.

بمعنى آخر، a جهاز حماية من الارتفاع المفاجئ لطاقة البطارية يُختار على الحافلة DC وفقًا للمعيار IEC 61643-41، بينما يُختار جهاز جهة جانب الطاقة الكهروضوئية وفقًا لـ آي إي سي 61643-31 . لا يُنصح بمعاملتهم على أنهم متكافئون، ولا ينبغي القيام بذلك إلا بعد إجراء مراجعة هندسية لجهد الدائرة وتيار العطل والتأريض.

يتلخص التداخل العملي في كون كليهما يعمل بالتيار المستمر. أ بي في إس دي بي يُحسَّن للاستخدام مع سلسلة محدودة التيار ذات سلوك عطل من جانب المولّد، في حين يُتوقع أن يعمل جهاز حماية التفريغ الكهربائي (SPD) الخاص بخط بطارية على مصدر منخفض الممانعة وثنائي الاتجاه. إن وضع أحدهما في دائرة الآخر قد يؤدي إلى تطبيق قيم غير صحيحة للجهد وتصنيفات العطل، ولذلك يُحتفظ بهما منفصلين في وثائق المواصفات.

8. جدول مخاطر التيار المتردد / التيار المستمر / الإشارة

المناصب المذكورة أعلاه تمثيلية؛ ويتم التأكد من المنتج المناسب لموقع معين بواسطة مهندس بالاستناد إلى ورقة البيانات والمخطط الأحادي الخط.

9. التأريض والربط الكهربائي

يعتمد كل جهاز حماية في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات على مرجع أرضي منخفض الممانعة. عادةً ما تُربط أرضية حافلة البطارية، وأرضية وحدة تحويل الطاقة (PCS)، وأرضية التيار المتردد، ودرع كابلات الاتصالات، وهيكل الغلاف، ب نقطة مشتركة واحدة وفقًا لتصميم التأريض الخاص بالموقع. إن استخدام موصلات أرضية طويلة أو رفيعة يُقلّل من أداء أجهزة الحماية؛ لذلك فإن طريقة تمديد الموصلات وتحديد مقاساتها تُعدّ جزءًا من عملية الاختيار، لا مجرد فكرة لاحقة. وفي الحالات التي يعتمد فيها الموقع نظام تأريض معزول أو ذا مقاومة عالية، يجب التأكد من وضعية توصيل أجهزة الحماية الخاصة بالتيار المستمر والإشارات بما يتوافق مع ذلك النظام. وفي الأنظمة المدمجة داخل حاويات، ينبغي أيضًا التحقق أثناء التركيب من الربط بين غلاف الحاوية وقضبان الحافلة الداخلية والقطب الأرضي الخارجي، إذ إن ضعف الربط في الغلاف قد يؤدي إلى انعدام مرجع موثوق لأجهزة الحماية الداخلية.

10. كيفية تحديد موقع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات

يمكن عادةً مطابقة الاستفسار مع النماذج المناسبة عندما يُذكر:

• الجهد المستمر الموجود فعليًا على مسرب البطارية، بما في ذلك حدّ الشحن، وقطبية التأريض.
• طوبولوجيا جهاز الـPCS — نطاق التيار المستمر، جهد التيار المتردد، وما إذا كان هناك محول أم لا.
• واجهات الاتصال المستخدمة (RS-485، CAN، إيثرنت، وأي خطوط تمتد إلى الخارج).
• جهد الطاقة المساعدة والمصدر.
• تخطيط الموقع وترتيبات التأريض القائمة.

11. الأسئلة الشائعة

هل يمكن إعادة استخدام جهاز حماية من التفريغ الزائد (SPD) الخاص بالخلايا الكهروضوئية على مسرب بطاريات نظام تخزين الطاقة؟

بشكل عام، لا. تُخصص أجهزة حماية التفاضلية للتيار المستمر (PV SPDs) لجانب التيار المستمر في مولدات الطاقة الكهروضوئية والمحولات وفقًا للمعيار IEC 61643‑31، الذي يستثني صراحةً أنظمة التخزين. أما بسّاط البطارية فيُختار وفقًا للمعيار IEC 61643‑41، ولا يُنصح بإعادة استخدامه دون إجراء مراجعة هندسية تشمل الجهد وتيار العطل والتأريض.

أي معيار ينطبق على جهاز حماية من التفريغ الكهربائي (DC SPD) الخاص بنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)؟

يُعدّ الجانب المُتَّصِل بالتيار المستمر في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات دائرةً غير كهروضوئية، ولذلك يُجرى تقييم جهاز الحماية عادةً وفقاً للمعيار IEC 61643‑41 — أجهزة حماية من التأثيرات العابرة المتصلة بأنظمة التغذية بالتيار المستمر منخفض الجهد حتى 1500 فولت مستمر.

هل يكفي جهاز حماية واحد من التيار المستمر للنظام بأكمله؟

ليس عادةً. يُعدّ جانب التيار المتردد في نظام تخزين الطاقة، وروابط البيانات الخاصة بنظام إدارة البطارية/نظام إدارة الطاقة، بالإضافة إلى مصدر التغذية المساعد، دوائر منفصلة، كل منها مزوّد بجهاز حماية خاص به. ولا يحلّ مانع تفريغ التيار المتردد الموجود على حافلة البطارية محلّ الحماية الخاصة بالتيار المتردد أو حماية الإشارات.

لماذا يُعدّ سقف الرسوم ذا أهمية في عملية الاختيار؟

يرتفع جهد بطارية الحافلة أثناء الشحن، لذا فإن حامي الدائرة المختار وفق الجهد الاسمي فقط قد يكون أقل من القدر المطلوب عند حدّ الشحن الأقصى. ينبغي أن يتجاوز الجهد الأقصى المستمر لتشغيل الجهاز أعلى جهد مستمر للتيار المباشر في الحافلة.

أين ينبغي وضع أجهزة تخفيف التوتر الكهربائي الخاصة بالإشارات في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات؟

تُركّب أجهزة حماية الإشارات/البيانات عادةً عند كل نقطة يدخل فيها كابل اتصالات خارجي إلى غرفة المعدات، وكذلك عند منافذ المعدات التي تنص عليها ورقة البيانات. ويتحدد النموذج بناءً على نوع الواجهة وجهد الخط.

ما المعلومات المطلوبة لتأكيد النموذج؟

جهد الحافلة DC، بما في ذلك حد الشحن وقطبية التأريض، وتخطيط نظام تحويل الطاقة (PCS)، وواجهات الاتصال، ومخطط الموقع. وباستخدام هذه العناصر، يمكن للمهندس تقييم توافق المنتج مع بيانات المواصفات والمخطط الأحادي الخط.