ما هي الأنظمة المرنة للتحكم بالتيار الكهربائي ولماذا تحتاجها أنظمة الطاقة
يشير نظام التحويل المرن للتيار المتردد (FACTS) إلى نظام مبني على الإلكترونيات القوة يستخدم أجهزة ثابتة لتعزيز قدرة نقل الطاقة وقابلية التحكم في شبكات نقل التيار المتردد.
تُدمج هذه الأجهزة الإلكترونية للقوة في الشبكات التقليدية للتيار المتردد لتعزيز المؤشرات الرئيسية للأداء، بما في ذلك:
قبل ظهور المفاتيح الإلكترونية للقوة، تم التعامل مع مشاكل مثل عدم توازن الطاقة غير الفعالة والاستقرار باستخدام المفاتيح الميكانيكية لتوصيل المكثفات أو المحاثات أو المولدات المتزامنة. ومع ذلك، كانت للمفاتيح الميكانيكية عيوب رئيسية: زمن الاستجابة البطيء، التآكل الميكانيكي، والموثوقية المنخفضة - مما يحد من فعاليتها في تحسين قابلية التحكم واستقرار خطوط النقل.
مكّن تطوير المفاتيح الإلكترونية للقوة ذات الجهد العالي (مثل الثايستورات) من إنشاء وحدات تحكم FACTS، مما حوّل إدارة شبكة التيار المتردد.
لماذا تكون أجهزة FACTS ضرورية في أنظمة الطاقة؟
يتطلب نظام طاقة مستقر تنسيقاً دقيقاً بين الإنتاج والطلب. مع زيادة الطلب على الكهرباء، تصبح زيادة كفاءة جميع مكونات الشبكة ضرورية - وتلعب أجهزة FACTS دوراً رئيسياً في هذا التحسين.
تنقسم الطاقة الكهربائية إلى ثلاثة أنواع: الطاقة الفعالة (الطاقة المفيدة/الحقيقية للاستخدام النهائي)، الطاقة غير الفعالة (المسببة عن عناصر تخزين الطاقة في الأحمال)، والطاقة الظاهرية (مجموع متجه الطاقة الفعالة وغير الفعالة). يجب توازن الطاقة غير الفعالة التي يمكن أن تكون حثية أو سعة لمنعها من التدفق عبر خطوط النقل - فالطاقة غير الفعالة غير المسيطر عليها تقلل من قدرة الشبكة على نقل الطاقة الفعالة.
لذلك، تعتبر تقنيات التعويض (لتوازن الطاقة غير الفعالة الحثية والسعة من خلال توفيرها أو امتصاصها) حاسمة. هذه التقنيات تحسن جودة الطاقة وتعزز كفاءة النقل.
أنواع تقنيات التعويض
تتم تصنيف تقنيات التعويض بناءً على كيفية توصيل الأجهزة بمنظومة الطاقة:
1. التعويض السلسلة
في التعويض السلسلة، يتم توصيل أجهزة FACTS بشكل متسلسل مع شبكة النقل. تعمل هذه الأجهزة عادة كمقاومات متغيرة (مثل المكثفات أو المحاثات)، والمكثفات السلسلة هي الأكثر شيوعاً.
تستخدم هذه الطريقة بشكل واسع في خطوط نقل الجهد فوق العالي (EHV) والجهد فوق العالي جداً (UHV) لتحسين قدرتها على نقل الطاقة بشكل كبير.
قدرة خط النقل على نقل الطاقة دون استخدام جهاز التعويض;
حيث،
V1 = الجهد عند نقطة الإرسال
V2 = الجهد عند نقطة الاستقبال
XL = المعاوقة الحثية لخط النقل
δ = الزاوية الطورية بين V1 و V2
P = الطاقة المنقولة لكل مرحلة
الآن، نقوم بتوصيل مكثف بالسلسلة مع خط النقل. المعاوقة السعة لهذا المكثف هي XC. لذا، فإن المعاوقة الكلية هي XL-XC. وباستخدام جهاز التعويض، تكون قدرة خط النقل على نقل الطاقة كما يلي؛
يُعرف العامل k باسم عامل التعويض أو درجة التعويض. عموماً، تتراوح قيمة k بين 0.4 إلى 0.7. لنفترض أن قيمة k هي 0.5.
وهكذا، يتضح أن استخدام أجهزة التعويض السلسلة يمكن أن يزيد قدرة خط النقل على نقل الطاقة بنسبة حوالي 50%. عندما يتم استخدام المكثفات السلسلة، يكون الزاوية الطورية (δ) بين الجهد والتيار أصغر مقارنة بخط غير متعوض. قيمة δ الأصغر تعزز استقرار النظام - مما يعني أنه بالنسبة لنفس حجم نقل الطاقة ومعلمات الإرسال والاستقبال المتطابقة، يقدم الخط المتعوض استقراراً أفضل بكثير من الخط غير المتعوض.
التعويض الموازي
في خط نقل الجهد العالي، تعتمد قيمة الجهد عند نقطة الاستقبال على حالة الحمل. تقوم السعة بأداء دور مهم في خطوط نقل الجهد العالي.
عندما يتم تحميل خط النقل، يحتاج الحمل إلى طاقة غير فعالة، والتي يتم توفيرها في البداية بواسطة السعة الداخلية للخط. ومع ذلك، عندما يتجاوز الحمل SIL (تحميل مقاومة الاندفاع)، يؤدي الطلب المتزايد على الطاقة غير الفعالة إلى انخفاض كبير في الجهد عند نقطة الاستقبال.
لحل هذه المشكلة، يتم توصيل مجموعات المكثفات موازية مع خط النقل عند نقطة الاستقبال. توفر هذه المجموعات الطاقة غير الفعالة الإضافية اللازمة، مما يقلل بشكل فعال من انخفاض الجهد عند نقطة الاستقبال.
يزداد الجهد عند نقطة الاستقبال مع زيادة السعة الخط.
عندما يكون خط النقل محمل خفيفاً (أي أن الحمل أقل من SIL)، يكون الطلب على الطاقة غير الفعالة أقل من الطاقة غير الفعالة التي يولدها خط النقل. في هذه الحالة، يكون الجهد عند نقطة الاستقبال أعلى من الجهد عند نقطة الإرسال - وهو ما يعرف بظاهرة فرانتي.
لمنع ذلك، يتم توصيل المفاعلات الموازية مع خط النقل عند نقطة الاستقبال. تقوم هذه المفاعلات باستيعاب الطاقة غير الفعالة الزائدة من الخط، مما يضمن أن يبقى الجهد عند نقطة الاستقبال عند قيمته المحددة.
