عدم توازن الجهد في الشبكات الغنية بـ DER - عندما تساعد الطاقة الشمسية الكهروضوئية ومتى لا تساعد
| شبكة | وحدة تغذية اختبار الجهد المنخفض الأوروبية من IEEE — 55 تحميل الحافلات, 0.416 كيلو فولت الاسمية |
| دير متكامل | 40 الألواح الكهروضوئية أحادية الطور, 2.5 كيلوواط لكل — 100 كيلوواط الإجمالي, العاكسون الذين يتبعون الشبكة |
| ثلاثة سيناريوهات التحميل | قليل, واسطة, واختلال توازن الطور العالي - نفس الحمل الإجمالي, توزيع مرحلة مختلفة |
| المفارقة الرئيسية | أدى التكامل الكهروضوئي إلى تقليل عدم التوازن في سيناريو الخلل المتوسط ولكنه أدى إلى تفاقمه في سيناريو الخلل المنخفض |
| مشكلة القياس | يمكن لمؤشرات IEEE PVUR1 وPVUR2 أن تبالغ في تقدير VUF بمعامل 10× - مما يجعلها غير موثوقة للشبكات الغنية بـ DER |
| الفهرس الأكثر دقة | عامل عدم التوازن CIGRE = إعادة صياغة دقيقة لـ IEC VUF الحقيقي - باستخدام مقادير جهد الخط فقط |
| الأداة المستخدمة | تحليل تدفق الطاقة OpenDSS على وحدة تغذية اختبار الجهد المنخفض الأوروبية IEEE |
| مصدر | ذبيحي, باديسا & هيرنانديز, arXiv:2505.23435, جامعة البوليتكنيك في مدريد, قد 2025 |
01 السياق - مشكلتان في واحدة
حيث تتكاثر موارد الطاقة الموزعة على شبكات التوزيع ذات الجهد المنخفض, يواجه مهندسو جودة الطاقة تحديين مرتبطين ولكن متميزين. الأول هو المشكلة الجسدية: الألواح الكهروضوئية أحادية الطور, الشحن EV, وتتصل أنظمة تخزين البطاريات بشكل غير متساو عبر المراحل الثلاث لوحدة تغذية التوزيع, خلق أو تعديل عدم توازن الجهد بطرق لم يكن تحليل الشبكة التقليدية بحاجة إلى توقعها. والثاني هو مشكلة القياس: المجموعة الحالية من مؤشرات عدم توازن الجهد - المحددة بواسطة IEEE, IEC, NO, و CIGRE على مدى عقود من تطوير المعايير - لا تستجيب جميعها بنفس الطريقة لانحرافات زاوية الطور التي يقدمها DER, ويمكن لبعضها أن يعطي قراءات كبيرة أو صغيرة بشكل مضلل اعتمادًا على ظروف الشبكة.
تعرض دراسة الحالة هذه النتائج التي توصل إليها أ 2025 دراسة بواسطة الزبيحي, باديسا, وهيرنانديز في جامعة البوليتكنيك بمدريد (UPM), والتي بحثت في كلتا المشكلتين في وقت واحد على وحدة تغذية اختبار الجهد المنخفض الأوروبية IEEE - وهي عبارة عن 55 حافلة, 0.416 تمثل شبكة كيلوفولت تكوينًا واقعيًا لتوزيع الجهد المنخفض الأوروبي. النتائج الرئيسية للدراسة هي: أولاً, أن التكامل الكهروضوئي يمكن أن يؤدي إلى تفاقم أو تحسين عدم توازن الجهد اعتمادًا على توزيع الحمل الأساسي; والثانية, أن مؤشرات IEEE PVUR1 وPVUR2 شائعة الاستخدام يمكن أن تبالغ في تقدير VUF الحقيقي بعامل 10× أو أكثر, مما يجعلها غير موثوقة كأدوات تخطيط للشبكات الغنية بـ DER.[1]
تستخدم المرافق التي تخطط لتكامل DER على مغذيات الجهد المنخفض بشكل روتيني مؤشرات عدم توازن الجهد المبسطة لتقييم الامتثال لـ 2% حد VUF. إذا كان الفهرس المستخدم يمكن أن يبالغ في تقدير VUF الحقيقي بمقدار 10×, وحدة التغذية المتوافقة فعليًا قد تبدو غير متوافقة — مما يؤدي إلى إجراءات تخفيف مكلفة ليست ضرورية. العكس بالعكس, إذا كان المؤشر يقلل من قيمة VUF (كما يفعل LVUR في سيناريوهات معينة), قد يبدو أن وحدة التغذية غير المتوافقة قد مرت. إن اختيار مؤشر القياس ليس تفصيلاً تقنيًا – فهو يؤثر بشكل مباشر على قرارات الاستثمار التي يمكن أن تصل إلى ملايين الدولارات لكل وحدة تغذية.
02 مشكلة مؤشر القياس
هناك خمسة مؤشرات لعدم توازن الجهد قيد الاستخدام حاليًا من قبل منظمات معايير مختلفة. إنهم يختلفون بشكل أساسي في ما يقيسونه, كيف يقيسونها, ومدى دقة تقريبها لعامل عدم توازن الجهد الحقيقي في ظل ظروف الشبكة الحقيقية:[1]
| فِهرِس | معيار | الإدخال مطلوب | الدقة مقابل. VUF (1– نطاق 2%) | زاوية المرحلة متضمنة? |
|---|---|---|---|---|
| VUF (صحيح) | IEC / IEEE 1159 | مقادير جهد الطور + الزوايا | مرجع (1.000) | نعم |
| سيجر | سيجر | مقادير جهد الخط فقط | بالضبط (1.000) | نعم (ضمنا) |
| لفور | NO | مقادير جهد الخط فقط | 0.866 - 1.005 | جزئيا |
| PVUR1 | IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 141 | مقادير جهد الطور فقط | 0 – 10.7× | ليس |
| PVUR2 | IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 112 / 936 | مقادير جهد الطور فقط | 0 – 16.1× | ليس |
يستخدم كل من PVUR1 وPVUR2 مقادير جهد الطور فقط - حيث يتجاهلان تمامًا انحرافات زاوية الطور. في شبكة متوازنة تقليدية ذات أحمال متناظرة, انحرافات زاوية الطور صغيرة ولا يؤدي هذا التبسيط إلا إلى خطأ بسيط. لكن الألواح الكهروضوئية أحادية الطور, شواحن EV أحادية الطور, والأحمال أحادية الطور الموزعة بشكل غير متساوٍ جميعها تؤدي إلى انحرافات زاوية الطور التي يمكن مقارنتها في الحجم بانحرافات حجم الجهد. في هذا النظام, يمكن لـ PVUR1 وPVUR2 إرجاع قيم بترتيب حجم مختلف عن VUF الحقيقي — في أي من الاتجاهين. يعد استخدام هذه المؤشرات لتقييم الامتثال لتكامل DER بمثابة سوء ممارسة هندسية.
03 ثلاثة سيناريوهات لعدم التوازن - نفس الحمل, توزيع مراحل مختلفة
استخدمت الدراسة ثلاثة سيناريوهات تحميل على وحدة تغذية اختبار الجهد المنخفض الأوروبية IEEE - كل منها بنفس الحمل الإجمالي تقريبًا (~160-170 كيلو واط) ولكن بتوزيعات مختلفة عبر المراحل الثلاث, خلق منخفض, واسطة, وارتفاع عدم توازن الجهد الأولي:[1]
| سيناريو | المرحلة أ حصة التحميل | حصة تحميل المرحلة ب | حصة تحميل المرحلة C | VUF ماكس (قبل الكهروضوئية) | يعنيVUF (قبل الكهروضوئية) |
|---|---|---|---|---|---|
| أنا - عدم التوازن المنخفض | 31.7% | 39.5% | 28.8% | 0.982% | 0.787% |
| الثاني - عدم التوازن المتوسط | 22.2% | 31.5% | 45.3% | 1.625% | 1.255% |
| ثالثا - عدم التوازن العالي | 22.1% | 59.3% | 18.6% | 2.081% | 1.558% |
السيناريو الثالث بحد أقصى VUF يبلغ 2.081% يتجاوز بالفعل EN 50160 حد التخطيط 2% قبل إضافة أي DER. السيناريوان الأول والثاني ضمن الحدود. والسؤال الذي تتناوله الدراسة هو: ماذا يحدث لمستويات عدم التوازن هذه عندما 40 تتم إضافة الألواح الكهروضوئية أحادية الطور إلى الشبكة?
04 التكامل الكهروضوئي – نتيجة غير بديهية
40 الألواح الكهروضوئية أحادية الطور في 2.5 كيلوواط لكل — 100 كيلوواط الإجمالي, تمت إضافة النوع الذي يتبع الشبكة - إلى وحدة تغذية اختبار الجهد المنخفض الأوروبية IEEE وتمت إعادة حساب عدم توازن الجهد لجميع السيناريوهات الثلاثة. وكانت النتائج غير بديهية:[1]
| سيناريو | VUF يعني قبل PV | VUF يعني بعد PV | يتغير | تأثير |
|---|---|---|---|---|
| أنا - عدم التوازن المنخفض | 0.787% | 0.963% | +22% | ساءت |
| الثاني - عدم التوازن المتوسط | 1.255% | 0.702% | −44% | تحسين |
| ثالثا - عدم التوازن العالي | 1.558% | 1.484% | -5% | هامشي |
تحدث النتيجة غير البديهية في السيناريو الأول لأن 40 يتم توزيع الألواح الكهروضوئية أحادية الطور عبر المراحل الثلاث بشكل مستقل عن توزيع الأحمال. في السيناريو الأول, الحمل متوازن بالفعل بشكل معقول (31.7/39.5/28.8%). إضافة 100 kW of generation that is itself unevenly distributed across phases introduces a new source of asymmetry — the generation phase distribution — which adds to rather than cancels the existing load unbalance. في السيناريو الثاني, the load is significantly skewed (22.2/31.5/45.3%), and the PV phase distribution happens to inject more generation into the over-loaded phase, partially compensating the existing unbalance. The net effect depends entirely on how well the PV phase distribution matches the inverse of the load phase distribution — a parameter that utilities rarely control in residential connection approval processes.
05 منظور جودة الطاقة
This study delivers two findings that should directly change how utilities approach DER integration planning. الأول - أن الطاقة الكهروضوئية يمكن أن تؤدي إلى تفاقم عدم توازن الجهد في مغذيات متوازنة بالفعل - تقلب الافتراض الشائع بأن التوليد الموزع محايد أو مفيد لعدم التوازن. الثاني - أن مؤشرات IEEE PVUR1 وPVUR2 غير موثوقة في الشبكات الغنية بـ DER - لها آثار فورية على أي أداة لا تزال تستخدم هذه المؤشرات لتقييم امتثال وحدة التغذية ذات الجهد المنخفض.
إن نتيجة مؤشر القياس هي النتيجة الأكثر قابلية للتنفيذ على الفور. يُستخدم PVUR1 وPVUR2 على نطاق واسع في ممارسة المرافق في أمريكا الشمالية لأنهما لا يتطلبان سوى قياسات حجم الجهد - وهي متاحة بسهولة من أجهزة القياس الموجودة. يتطلب مؤشر CIGRE وIEC VUF الحقيقي قياس الطور (لVUF) أو حسابات الجهد من خط إلى خط (لسيجر), both of which are available from modern power quality instruments but not from standard energy meters. The practical consequence is that utilities using PVUR indices to assess DER integration compliance may be making the wrong decisions — either blocking compliant connections or approving non-compliant ones — based on a measurement artefact rather than a real physical condition.
This study formalises what experienced PQ engineers have known informally for years: the choice of voltage unbalance index matters, and it matters more in DER-rich environments than in conventional networks. من منظور هندسة PQ المنفعة, إن النهج الصحيح لتقييم عدم توازن وحدة تغذية الجهد المنخفض في سيناريوهات DER العالية هو استخدام مؤشر CIGRE - وهو يمكن الوصول إليه حسابيًا (يتطلب فقط مقادير جهد الخط, متاح من أي أداة من الفئة A PQ), دقيق رياضيا (نتيجة مماثلة لVUF الحقيقي), ويتجنب متطلبات قياس زاوية الطور التي تجعل من الصعب تنفيذ تعريف IEC في عمليات نشر المراقبة القياسية. إن حقيقة عدم اعتماد CIGRE في معايير أمريكا الشمالية هي حادثة تاريخية, وليس انعكاسا لجدارتها الفنية.
المراجع
- ذبيحي أ, قرية ل, هيرنانديز أ. “تقييم مقاييس عدم توازن الجهد في شبكات التوزيع ذات الاختراق العالي لـ DER.” arXiv:2505.23435, جامعة البوليتكنيك في مدريد (UPM), قد 2025. متاح: arxiv.org/abs/2505.23435
- في 50160:2010+A3:2019. خصائص الجهد للكهرباء التي توفرها شبكات الكهرباء العامة. CENELEC, بروكسل.
- IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 1159-2019. الممارسة الموصى بها من IEEE لمراقبة جودة الطاقة الكهربائية. IEEE, نيويورك, NY, 2019.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. التوافق الكهرومغناطيسي – الجزء 4-30: أساليب قياس جودة الطاقة. IEC, جنيف.
- رقم إم جي-1-2021. المحركات والمولدات. الرابطة الوطنية لمصنعي الأجهزة الكهربائية, روسلين, فرجينيا.
ذبيحي أ, قرية ل, هيرنانديز أ. “تقييم مقاييس عدم توازن الجهد في شبكات التوزيع ذات الاختراق العالي لـ DER.” arXiv:2505.23435, جامعة البوليتكنيك في مدريد, قد 2025.
عرض على arXiv → - الوصول المفتوح, لا توجد قيود على الترخيص للاستخدام الأكاديمي.
يتم تقديم دراسة الحالة هذه في شكل ملخص وتعليق للأغراض التعليمية. قسم منظور PQ (قسم 5) ومخططات SVG هي محتوى تحريري أصلي لـ IPQDF بواسطة Denis Ruest, ماجستير. (مُطبَّق), عين المهندس. (متقاعد.). لا تدعي IPQDF تأليف البحث الأصلي.