مشغل منشأة شمسية بقدرة 100 ميغاوات في جنوب إسبانيا يتنافس ضد الجدول الزمني الذي يمتد لشهرين. تم تركيب الألواح على الأرض، واجتازت المحولات اختبار المصنع، وتم توقيع عقد الاستحواذ - ومع ذلك، لا يزال نقطة الاتصال شاغرة. يتطلب بناء محطة تحويل عادية ما لا يقل عن عشرة أسابيع من الأعمال المدنية. ومع ذلك، تم تسليم محطة تحويل جديدة للطاقة الكهروضوئية (PV)، وهي محطة تحويل متوسطة / منخفضة الجهد مصنوعة خصيصًا لمحطات الطاقة الشمسية، في شحنة واحدة، وتم تجميعها على أساس خرساني خلال ثلاثة أيام، وبدأت العمل في أسبوع التشغيل. يمكن العثور على حالات مشابهة في زوايا مختلفة من العالم حيث تتوسع القدرة الشمسية.
تناقش هذه المقالة ما هي محطة تحويل جديدة للطاقة الكهروضوئية (PV)، كيف تختلف عن محطة تحويل توزيع تقليدية، مما تتكون، كم تكلفتها، وكيف يصف المطورون ومقاولو EPC مثل هذه المحطة ويطلبونها. تغطي التقييمات التي تتراوح من 630 كيلو فولت أمبير إلى 4 ميغا فولت أمبير، وتشير إلى IEC 62271-202، IEC 60076، IEEE 1547، وتقدم أمثلة على التكاليف الحقيقية المتاحة في سوق التصدير الحالي.
تشير محطة تحويل جديدة للطاقة الكهروضوئية (PV) إلى محطة تحويل متوسطة / منخفضة الجهد مسبقة التجميع تربط محطة الطاقة الشمسية بالشبكة. يتضمن التجميع محول رفع، والذي عادة ما يكون مصنفًا بين 630 كيلو فولت أمبير و 4,000 كيلو فولت أمبير، مجموعة من معدات التحويل المتوسطة والمنخفضة الجهد، الحمايات من التيار المتردد والتيار المستمر، الأسلاك التي تربط المحول، ومعدات القياس المغلقة وفقًا لخزانة خارجية وفقًا لـ IEC 62271-202. كما يسهل رفع جهد خرج المحول من 400-800 فولت إلى مستوى الشبكة البالغ 10-35 كيلو فولت بالإضافة إلى الحماية من الشبكة وقياس الإيرادات.
ما هي محطة تحويل جديدة للطاقة الكهروضوئية؟
تعتبر محطة الطاقة الجديدة المعتمدة على الطاقة الشمسية مركزًا مبتكرًا لتوليد الطاقة، تم إنشاؤه وتصنيعه خصيصًا لتلك النقطة التي تتصل فيها محطات الطاقة الشمسية بشبكة الطاقة. أحيانًا يمكن الإشارة إليها كمحطة تحويل شمسية، محطة تحويل عاكس، أو محطة تحويل جديدة للطاقة.
تتمتع مثل هذه المحطات بتصميم مبتكر من حيث قدرتها على تلبية المتطلبات المحددة لتوليد الطاقة الشمسية. على وجه الخصوص، فهي قادرة على التعامل مع تقلبات خرج الطاقة من المنشآت الشمسية، التغير الديناميكي السريع في السعة، التوافقيات الناتجة عن المحولات، والامتثال لمتطلبات رموز الشبكة بشأن إدارة الجهد، والطاقة التفاعلية، وعملية العزل.
عادةً ما تعمل محطة تحويل جديدة للطاقة الكهروضوئية عند خط الفصل بين نظام المحول ومرافق الشبكة الكهربائية. في قسم الجهد المنخفض، تتصل محطة تحويل جديدة للطاقة الكهروضوئية بمحطة واحدة أو عدة محطات عاكس مركزية أو سلسلة (مع جهد حافلة التيار المستمر في نطاق 800-1500 فولت وجهد خرج التيار المتردد من 400-690 فولت). فيما يتعلق بقسم الجهد المتوسط، تتصل بشبكة التجميع (عند جهد 10، 20، 22، أو 35 كيلو فولت)، داعمةً محطة التحويل عالية الجهد upstream المسؤولة عن زيادة الجهد إلى مستوى خط النقل البالغ 110-220 كيلو فولت.
دور المحطة الفرعية في محطة الطاقة الشمسية
لا يمكن إرسال الكهرباء المولدة في منشأة الطاقة الشمسية على نطاق المرافق إلى الشبكة ما لم تؤدي المحطة الفرعية المتصلة الوظائف الأربعة الحيوية المذكورة أدناه:
- تحويل الجهد: زيادة التيار الكهربائي من جهد تشغيل العاكس بين 400 و 800 فولت إلى الجهد المتوسط (10-35 كيلوفولت) مما يقلل من خسائر المقاومة على طول التركيب بأكمله.
- حماية الشبكة: مراقبة الجهد الزائد والجهد المنخفض، والتردد الزائد والتردد المنخفض، بالإضافة إلى التوقف غير المقصود عن التوليد من أجل فصل المحطة في الوقت المحدد وفقًا للمعايير التنظيمية (عادةً من 0.2 إلى 2 ثانية).
- الفوترة: حساب الطاقة المنتجة من المحطة والمقدمة إلى الشبكة بدقة مناسبة (عادةً من الفئة 0.2 أو 0.5).
- التبديل والعزل: توفير عزل موثوق للتركيب من أجل صيانة فعالة وإيقاف وقائي.
نظرًا لأن توليد الطاقة الشمسية يتميز بعدم الثبات والتغيرات - قد تتسبب السحب العابرة في انخفاض مفاجئ في أداء المحطة بنسبة 60% خلال 30 ثانية - يجب أن تكون حماية وإدارة التركيب أسرع وأكثر دقة مقارنة بالشبكات الكهربائية التقليدية حيث تتغير الطاقة بشكل أبطأ.
الهيكل والمكونات الرئيسية
عادةً ما تتكون المحطة الفرعية الخاصة بالطاقة الشمسية من مقصورات مختلفة موضوعة داخل حاوية تحمي من الظروف الجوية (إما من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ المجلفن وفقًا لمعيار IP 54 المقدم في IEC 60529):
| حجرة | المعدات الرئيسية | التقييم النموذجي |
|---|---|---|
| حجرة جانب العاكس منخفض الجهد | لوحة توزيع الجهد المنخفض، قواطع التيار المتردد، واقيات الصواعق، مرحلات الحماية، نهايات السلسلة/المراقبة | 400–690 فولت، 1,000–4,000 أمبير |
| حجرة المحول | محول رفع الجهد، احتواء الزيت، تهوية قسرية أو طبيعية | 630–4,000 كيلوفولت أمبير، 10–35 كيلوفولت / 0.4–0.69 كيلوفولت |
| حجرة جانب الشبكة متوسطة الجهد | RMU أو قاطع فراغ، محولات قياس CTs/VTs، واقيات الصواعق، لوحة المرحلات | 10–35 كيلوفولت، 630 أمبير بار |
| التحكم والمساعدات | إمداد تيار مستمر، سخانات، SCADA/RTU، روابط الاتصالات، التحكم في التكثف | — |
على عكس وحدات توزيع الطاقة القياسية، فإن تعقيد الحماية في المحطات الفرعية للطاقة الشمسية أكثر تنوعًا؛ على سبيل المثال، يتم تنفيذ تداخل العاكس، والتيارات الزائدة الاتجاهية، وتحديد الجهد والتردد وفقًا لمعايير الشبكة، جنبًا إلى جنب مع نظام مكافحة العزلة في نظام مرحلات واحد (عادةً مع تكرار للمحطات التي تزيد قدرتها عن 1 ميغاوات).
كيف تعمل المحطة الفرعية للطاقة الشمسية
خلال النهار، تولد الألواح الشمسية كهرباء تيار مباشر تصل إلى 1,500 فولت. ثم تنتج العواكس تيار متردد ثلاثي الطور بجهد 400 إلى 690 فولت وتغذي هذا إلى شبكة المرافق. تزيد المحطة الفرعية من هذا إلى مستوى الجهد المتوسط وتغذيه إلى الشبكة عبر مفتاح حماية.
تعتمد متغيرات حمل المحول على الإشعاع الشمسي وليس على الحمل الثابت للصناعة. بسبب ذلك، يتمتع سلوك الحمل ببعض الخصائص الخاصة: فهو يكاد يكون صفرًا قبل شروق الشمس، ويرتفع إلى مستوى معين في الصباح، ويصل إلى ذروته عند الظهر، ويصبح قريبًا من الصفر مرة أخرى عند غروب الشمس. التصميم الحراري مهم جدًا حيث قد تحدث دورات حرارية للمحول كل يوم - المحول الذي تم تصميمه بشكل صحيح يستخدم أجهزة مراقبة درجة حرارة الزيت وتبريد الهواء القسري على نطاق أعلى لتجنب الشيخوخة السريعة لمادته العازلة. عادةً ما توفر الشركات المصنعة المتخصصة في الطاقة الشمسية محولات مع ملفات تحميل مختبرة وتقييمات أقل للمناخات الحارة.
عندما يتعلق الأمر بالحماية، يقيس نظام العرض المنفجر الجهد والتردد والتيار عند مخرج المحول. إذا فشلت الشبكة لأي سبب من الأسباب، يرسل النظام إشارة إلى معدات التبديل لعزل المحطة ضمن الوقت المطلوب، والذي يقاس عادةً بالثواني.
الأنواع والتكوينات
| التكوين | الوصف | التطبيق النموذجي |
|---|---|---|
| وحدة MV/LV واحدة | محول واحد بالإضافة إلى معدات تبديل MV و LV | أسطح تجارية/صناعية، محطات من 0.5–5 MW |
| وحدة محطة العاكس المركزي | وحدة مدمجة مع هيكل العاكس المركزي | محطات على نطاق المرافق تستخدم العواكس المركزية |
| وحدة العاكس السلسلي | معدات تبديل LV محسّنة لعدة عواكس سلسلية | مصفوفات كبيرة مع عواكس موزعة |
| وحدة مثبتة على قاعدة | جميع المعدات على قاعدة فولاذية قابلة للنقل | مواقع سريعة و بعيدة |
| ترتيب MV/HV مقسم | عدة وحدات MV/LV تغذي محطة HV مركزية واحدة | محطات فوق 20 MW مع تصدير 110–220 kV |
في حالة المحطات التي تتراوح من 5 MW إلى 100 MW، فإن الممارسة الشائعة هي استخدام وحدات MV/LV مع وحدة واحدة لكل 2-10 MW من سعة العاكس، ومحطة عالية الجهد مركزية. يسمح هذا المفهوم المعياري بمرحلة البناء وتوحيد قطع الغيار، ويسمح لهم باختيار الطاقة بناءً على ترتيبات الألواح.
محطة PV مقابل محطة توزيع قياسية
| العامل | محطة PV للطاقة الجديدة | محطة توزيع قياسية |
|---|---|---|
| ملف الحمل | متغير، مدفوع بالطاقة الشمسية، دورات يومية | طلب مستقر نسبيًا أو ذروي |
| الحماية | نظام مضاد للعزل، اتجاهي، عتبات كود الشبكة | O/C أساسي، E/F، خطأ أرضي |
| Reactive power | Regulated, often 0.95 leading/lagging | Usually passive or uncorrected |
| Metering | Bidirectional, class 0.2s/0.5s export metering | Single-directional billing |
| SCADA | Always, with remote control and data logging | Often optional |
| التصنيف النموذجي | 630–4,000 kVA per unit | 50–2,500 كVA |
| Harmonics | Inverter-induced, filter considerations | Minor in most loads |
In this case, it is due to the higher level of complexity when it comes to protection and stricter compliance with the grid code that the cost of the standard unit and that of the PV system differ.
Typical Specifications
Here is the specification for a 2000 kVA PV system working at 22 kV voltage level.
| المعامل | القيمة النموذجية |
|---|---|
| Transformer rating | 2,000 kVA, oil-immersed, ONAN |
| نسبة الجهد | 22 kV / 0.69 kV (also 10/20/33/35 kV options) |
| مجموعة المتجهات | Dyn11 or Dyn5 |
| فقدان بدون تحميل | ~2.2–3.0 kW |
| Load loss at 75°C | ~16–20 kW |
| جهد المقاومة | 6%–8% |
| LV switchgear | 2,500–4,000 A ACB, inverter terminations |
| معدات الجهد المتوسط | SF6 or solid-insulated RMU / vacuum breaker, 20–25 kA/3s |
| الحماية | Numerical relay: 50/51, 50N/51N, 27/59, 81, anti-islanding, directional |
| Metering | Class 0.5s or 0.2s revenue meters, CTs/VTs |
| الحاوية | IP54, galvanized base, anti-corrosion coating for coastal sites |
| Ambient design | Up to 50°C with tropical derating curve |
| المعايير | IEC 62271-202, IEC 60076, IEC 60529, IEEE 1547 (N. America) |
Regular and special verification tests are based on IEC 60076 and IEC 62271-202 standards. The protective settings of the system should be checked against the utility’s grid code, in case the plant is selling energy to the grid.
Where PV Substations Are Used
- Utility scale ground-mounted facilities: facilities operating between the range of 5-300 megawatts that also have distributed middle voltage/low voltage installations and one centralized high voltage substation.
- Commercial and industrial rooftops: solar facilities operating in the range of 0.5 to 10 megawatts of electricity with both behind-the-meter and front-of-meter connections.
- Floating solar: solar plants which are established on pontoon rafts or nearby land structures, thus providing anti-corrosion protections.
- Agrivoltaics: solar power generation with cultivation of agricultural produce on the same piece of land.
- Hybrid plants: solar facilities combined with storage or wind, having a facility for conversion of multiple energy sources.
- Distributed generation programs involve small facilities providing various programs and one such program is community solar schemes.
Apart from solar application, similar systems are applied for battery energy storage systems.
Standards, Grid Codes, and Testing
| معيار | النطاق | Relevance to PV Substations |
|---|---|---|
| IEC 62271-202 | Prefabricated transformer substations | Complete-unit design, enclosure, type testing |
| IEC 60076 | Power transformers | Transformer rating, losses, tests |
| IEC 60529 | IP enclosure protection | IP54/IP55 for outdoor exposure |
| IEC 60255 | Measuring relays and protection equipment | Relay accuracy and performance |
| IEEE 1547 | Interconnection of distributed resources (N. America) | Grid-code protection and interconnection requirements |
| Local grid codes | Country-specific (e.g., GCC, EU EN 50549, national TSO rules) | Voltage/frequency ride-through, anti-islanding times |
Download the certificate of compliance with the grid-code regulations applicable to your country. The same device can comply with EN 50549 (the European code) or IEEE 1547 (the code applicable to North America) or with national codes only if the firmware and settings of a relay are configured for proper jurisdiction.
Costs and Price Ranges
Price estimates for full PV-specific substation units (step-up transformer, MV/LV switchgear, protection devices, metering instruments, fiberglass structure):
| التصنيف | Voltage Class | السعر النموذجي (دولار أمريكي) | Lead Time |
|---|---|---|---|
| 630–1,000 kVA | 10–35 kV | $12,000–$25,000 | 7–12 weeks |
| 1,250–2,000 kVA | 10–35 kV | $16,000–$35,000 | 8–14 weeks |
| 2,500–3,150 kVA | 10–35 kV | $30,000–$60,000 | 10–16 weeks |
| 3,550–4,000 kVA | 10–35 kV | $45,000–$90,000 | 12–20 weeks |
For stainless-steel or corrosion-proof enclosures add 15-30%, 10-20% more for dry-type transformers, plus $1,500-5,000 for advanced protection relays, class 0.2 metering, and full SCADA. The above-mentioned prices are indicative FOB and vary by specification, manufacturer and region.
Top Brands & Price Comparison
| العلامة التجارية | Country | Strength in Solar | Indicative Price — 2,000 kVA (USD) |
|---|---|---|---|
| شنايدر إلكتريك | فرنسا | Integrated inverter/substation solutions, global service | $38,000–$60,000 |
| سيمنز | ألمانيا | Digital grid solutions, strong utility references | $40,000–$65,000 |
| ABB | سويسرا | PV station range, inverter synergy, grid support | $38,000–$62,000 |
| إيتون | الولايات المتحدة الأمريكية | North American market, IEEE 1547 compliance | $34,000–$55,000 |
| Sungrow / Huawei (integrated solutions) | الصين | Inverter + station packages at scale | $32,000–$58,000 |
| شركة جيانغسو سوبين للطاقة الكهربائية | الصين | IEC 62271-202 PV substations, OEM, export | $16,000–$35,000 |
The major international players and inverter manufacturers are bundling the substations with ecosystem support, digital platforms, and local compliance teams, which is attractive for big utility tenders. Jiangsu Subian Electric Power is supplying IEC-compliant PV-specific substations (step-up transformers, MV/LV switchgear, grid-code protection, and SCADA-equipped metering) at about 40%-55% of the prices valid for Europe. Factory-type tests and OEM customizations are performed for EPC contractors and developers of solar parks. In projects where substations are one of dozens of identical units it is that combination of being certified, cheaper, and customized that makes Subian a realistic competitor to big brands.
How to Specify and Buy
- Calculate the inverter’s output capacity – that is the sum of the AC output capacity in kVA at the inverter terminals, taking into account the 10 to 20% design margin for ambient correction.
- Establish the export voltage and grid connection point, such as 10/20/22/35 kV collection, as per the utility requirement.
- Select the transformer type from either of the following – oil-immersed for ground-mounted applications and dry for enclosed environments or fire-sensitive sites.
- Check grid code compliance requirements i.e. anti-islanding times, ride-through voltage, reactive power ability etc. as per your country’s grid codes.
- Ask for complete tests in accordance with IEC 62271-202 standards including temperature test on the complete device fitting.
- Design the protection scheme according to the relay coordination study requirements. Also, ask for redundancy in device protection if the total capacity of the plant is more than 1 MW.
- Compare using assessed losses and reliability throughout 25 years rather than the first cost.
- Check the enclosure and corrosion resistance of the device if it is needed for coastal or desert or highly humid locations.
الأسئلة المتكررة
What is a PV new-energy substation?
PV new-energy substation is a type of MV/LV substation manufactured in factory and linking solar plant with the grid. It transforms AC voltage produced by an inverter (400 to 800) into MV voltage (10 to 35 kV) and provides necessary grid-code assurance such as anti-islanding functionality and metering of the energy consumed. Substations of this kind usually comprise a step-up transformer with capacity ranging from 630 to 4,000 kVA, MV and LV switchgear, protection relays, and housing made in accordance with the requirements stated in the IEC 62271-202.
How much does a PV substation cost?
The cost of the completed equipment varies from $12,000 to $25,000 for 630 to 1,000 kVA to $45,000 – $90,000 for 3,550 to 4,000 kVA. The price is variable depending on the type of transformer and switchgears used and the protection system applied. Additional materials used add approximately 15-30% to the price, dry-type transformers – 10-20%, SCADA technology – $1,500-5,000. Note that these prices do not include transportation, and variation throughout the region is possible.
Do I need a separate substation for my solar plant?
Yes, unless the interconnection point is provided by the utility. Solar plants cannot provide energy unless the energy is transformed into MV. For plants up to 5 MW it is usually possible to build just one substation combining MV/LV technologies. For larger plants, more than one substation will typically be needed, and also a hydration high-voltage substation.
What is the difference between a PV substation and a normal box-type substation?
PV substation differs from the ordinary substance by some added features provided for the solar energy management such as the protection from anti-islanding operation, voltage and frequency hold-through and others. Ordinary substations do not have these practices. Substituting one for another requires the preparation of the protection engineering document and usually fails meeting the grid-code.
How long does it take to install a PV substation?
Installation itself lasts 2-5 days when the concrete foundation and bolts are ready, and commissioning processes begin at the earlier date. Factory testing speed advantages provided that the foundation and cables are precise. Total time for the project is around 8-16 weeks from the order placement moment.
المراجع
- IEC 62271-202 — Prefabricated substations — governing standard for PV substation enclosure design, safety, and complete-unit type testing.
- IEC 60076 series — Power transformers — base standard for ratings, losses, and testing of the step-up transformer.
- IEEE 1547 — Interconnection of Distributed Energy Resources — North American grid-interconnection and protection requirements.
- IEC 60255 — Measuring relays and protection equipment — relay accuracy and performance requirements.
- IRENA — Renewable capacity statistics — data on solar capacity growth and substation demand.
- U.S. DOE — Solar energy interconnection guides — practical interconnection requirements for utility-scale solar.
- Jiangsu Subian Electric Power — official site — manufacturer and exporter of IEC-certified PV substations.
الخاتمة
Photovoltaic new energy substations are the technological connection between solar plants and the grid, and thus they have turned into an integral part of utility-scale project implementation. They are manufactured in factories, tested as a finished unit, and installed within several days. The substation are created specifically to meet the requirements of different indicators related to solar energy production including voltage fluctuations, protection needs, and grid code requirements.
Summary of the information:
- Select the power ratings of the substation in terms of inverter capacity increased by 10-20% and check the voltage level against the voltage acceptable by the utility as soon as possible.
- Make sure that there was someone responsible for considering whether the standard distribution units could be replaced by photovoltaic-specific technology.
- Be sure that there has been done the check for compliance with grid standards including anti-islanding, ride through and reactive power regulations applicable in your country.
- Obtain the IEC 62271-202 certification and compare it according to the losses occurred during 25 years.
- Make sure that the well-known brands like Schneider, Siemens, and ABB are acceptable against those suppliers whose products have been certified according to IEC standards.