ما هي تصنيفات وأنواع أجهزة ووحدات التحكم في الحقائق IEE-Business
وفقاً لنوع الاتصال بين جهاز تحكم FACTS وشبكة الطاقة، يتم تصنيفه كالتالي:
جهاز التحكم المتصل بالسلسلة
جهاز التحكم المتصل بالتوازي
جهاز التحكم المركب سلسلة-سلسلة
جهاز التحكم المركب توازي-سلسلة
أجهزة التحكم المتصلة بالسلسلة
تعمل أجهزة التحكم المتصلة بالسلسلة على تقديم فولتية متسلسلة مع فولتية الخط، عادةً باستخدام أجهزة ممانعة ذات طابع كهربائي أو مغناطيسي. وظيفتها الأساسية هي توفير أو امتصاص الطاقة الرنانة المتغيرة حسب الحاجة.
عندما يكون خط النقل محمل بشكل كبير، يتم تلبية الطلب المتزايد على الطاقة الرنانة بتنشيط العناصر الكهربائية في جهاز التحكم المتصل بالسلسلة. وعلى العكس من ذلك، تحت تحميل خفيف - حيث يؤدي انخفاض الطلب على الطاقة الرنانة إلى زيادة الجهد في نهاية الاستقبال عن الجهد في نقطة الإرسال - يتم استخدام العناصر المغناطيسية لامتصاص الطاقة الرنانة الزائدة، مما يساعد على استقرار النظام.
في معظم التطبيقات، يتم تركيب المكثفات بالقرب من أطراف الخط لتوفير تعويض للطاقة الرنانة المطلوبة. ومن الأجهزة الشائعة لهذا الغرض مكثفات السلسلة المدارة بواسطة ثايوستور (TCSC) وأجهزة التعويض الساكن المتزامنة المتصلة بالسلسلة (SSSC). يظهر التكوين الأساسي لجهاز التحكم المتصل بالسلسلة في الشكل أدناه.
أجهزة التحكم المتصلة بالتوازي
تعمل أجهزة التحكم المتصلة بالتوازي على حقن تيار في نظام الطاقة عند نقطة الاتصال، باستخدام مقاومات متغيرة مثل المكثفات واللفائف - وهي متشابهة في المبدأ مع أجهزة التحكم المتصلة بالسلسلة ولكنها تختلف في طريقة الاتصال.
تعويض الرنانة بالتوازي
عندما يتم توصيل المكثف بالتوازي مع نظام الطاقة، فإن هذه الطريقة تسمى تعويض الرنانة بالتوازي. تعمل خطوط النقل ذات الأحمال المغناطيسية العالية عادةً بمعدل قوة أقل. تعالج المكثفات بالتوازي هذا الأمر من خلال سحب تيار يسبق الجهد المصدر، مما يعوض الحمل المتأخر ويحسن معدل القوة الكلي.
تعويض الرنانة المغناطيسية بالتوازي
عندما يتم توصيل اللوحة بالتوازي، فإن هذه الطريقة تُعرف باسم تعويض الرنانة المغناطيسية بالتوازي. وهو أقل شيوعًا في شبكات النقل ولكنه يصبح حاسمًا للخطوط الطويلة جدًا: تحت ظروف عدم التحميل أو التحميل الخفيف أو فصل الحمل، يتسبب تأثير فرانتي في زيادة الجهد في نهاية الاستقبال عن الجهد في نقطة الإرسال. تقوم أجهزة تعويض الرنانة بالتوازي (مثل المفاعلات) باستيعاب الطاقة الرنانة الزائدة لتخفيف هذا الارتفاع في الجهد.
من أمثلة أنظمة أجهزة التحكم المتصلة بالتوازي معدات تعويض الفار (SVC) وأجهزة التعويض الساكن المتزامن (STATCOM).
أجهزة التحكم المركبة سلسلة-سلسلة
في أنظمة النقل المتعددة الخطوط، تستعمل أجهزة التحكم المركبة سلسلة-سلسلة مجموعة من أجهزة التحكم المتصلة بالسلسلة التي تعمل بشكل منسق. يتيح هذا التكوين تعويض الرنانة المتسلسلة الفردية لكل خط، مما يضمن الدعم المناسب لكل دائرة.
علاوة على ذلك، يمكن لهذه الأنظمة تسهيل نقل الطاقة الحقيقية بين الخطوط عبر رابط طاقة مخصص. أو قد تعتمد على تصميم موحد للمتحكم حيث يتم ربط المحطات المباشرة للمحولات معًا - وهذا التكوين يمكّن مباشرة من نقل الطاقة الحقيقية إلى خطوط النقل. مثال بارز على هذا النوع من النظام هو جهاز التحكم في تدفق الطاقة بين الخطوط (IPFC).
أجهزة التحكم المركبة توازي-سلسلة
هذا النوع من أجهزة التحكم يدمج مكونين وظيفيين: جهاز التحكم بالتوازي الذي يحقن الجهد بالتوازي مع النظام، وجهاز التحكم المتصل بالسلسلة الذي يحقن التيار في السلسلة مع الخط. من المهم أن يعمل هذان المكونان بشكل منسق لتحقيق أقصى قدر من الأداء. مثال بارز على هذا النوع من النظام هو جهاز التحكم الموحد في تدفق الطاقة (UPFC).
أنواع أجهزة FACTS
تم تطوير مجموعة متنوعة من أجهزة FACTS لتلبية احتياجات التطبيقات المختلفة. فيما يلي نظرة عامة على أجهزة التحكم الأكثر شيوعًا في FACTS، مرتبة حسب نوع الوظيفة:
أجهزة التعويض المتصلة بالسلسلة:
أجهزة التعويض المتصلة بالتوازي:
أجهزة التعويض المركبة سلسلة-سلسلة:
أجهزة التعويض المركبة توازي-سلسلة:
لنفحص كل جهاز تعويض بإيجاز:
مكثف السلسلة المدار بواسطة الثايوستور (TCSC)
يقدم TCSC ممانعة كهربائية متسلسلة في نظام الطاقة. يتكون هيكله الأساسي من بنك مكثفات (مكون من عدة مكثفات متصلة بالسلسلة والتوازي) متصل بالتوازي مع ردود فعل مدار بواسطة الثايوستور. يتيح هذا التصميم تعديلًا سلسًا ومتنوعًا للممانعة الكهربائية المتسلسلة.
يقوم الثايوستور بتوجيه الممانعة النظام من خلال التحكم في زاوية الإشعال، مما يضبط الممانعة الكلية للدائرة. يظهر الرسم البياني البسيط لـ TCSC في الشكل أدناه.
ردود فعل السلسلة المدار بواسطة الثايوستور (TCSR)
TCSR هو جهاز تعويض متصل بالسلسلة يقدم ممانعة مغناطيسية قابلة للتعديل بشكل سلس. يشبه تصميمه تصميم TCSC، مع الاختلاف الرئيسي أنه يتم استبدال المكثف باللوحة.
توقف اللوحة عن التوصيل عندما تصل زاوية الإشعال للثايوستور إلى 180 درجة، وتبدأ في التوصيل عندما تكون زاوية الإشعال أقل من 180 درجة. يظهر الرسم البياني الأساسي لردود فعل السلسلة المدار بواسطة الثايوستور (TCSR) في الشكل أدناه.
مكثف السلسلة الموجه بواسطة الثايوستور (TSSC)
TSSC هو تقنية تعويض متسلسلة مماثلة في المبدأ لـ TCSR ولكن مع اختلاف تشغيلي رئيسي: بينما يحقق TCSR التحكم في الطاقة من خلال ضبط زوايا الإشعال للثايوستور (ما يسمح بتنظيم تدريجي)، يعمل الثايوستور في TSSC بطريقة بسيطة "تشغيل/إيقاف" دون ضبط زاوية الإشعال. هذا يعني أن المكثف إما متصل تمامًا بالخط أو غير متصل تمامًا.
هذا التشغيل المبسط يقلل من التعقيد والتكلفة للثايوستور والأداة العامة. الرسم البياني الأساسي لـ TSSC متطابق مع ذلك لـ TCSC.
جهاز التعويض الساكن المتزامن المتصل بالسلسلة (SSSC)
SSSC هو جهاز تعويض متصل بالسلسلة يستخدم في أنظمة النقل لتنظيم تدفق الطاقة من خلال التحكم في الممانعة المكافئة للخط. الجهد الناتج منه قابل للتحكم بشكل كامل ومستقل عن تيار الخط - من خلال ضبط هذا الجهد الناتج، يمكن تحوير الممانعة الفعالة للخط بدقة.
وظيفيًا، يعمل SSSC كمولد ساكن متزامن متصل بالسلسلة مع خط النقل. غرضه الأساسي هو تعديل الانخفاض في الجهد عبر الخط، وبالتالي التحكم في تدفق الطاقة. يقوم SSSC بحقن جهد متعامد (بالتحويل 90 درجة) مع تيار الخط: إذا كان الجهد المحقون يسبق التيار، فإنه يوفر تعويضًا كهربائيًا؛ وإذا تأخر عنه، فإنه يوفر تعويضًا مغناطيسيًا. يظهر الرسم البياني الأساسي لجهاز التعويض الساكن المتزامن المتصل بالسلسلة في الشكل أدناه.
جهاز تعويض الفار الساكن (SVC)
يتكون جهاز تعويض الفار الساكن (SVC) من بنك مكثفات ثابت متصل بالتوازي مع ردود فعل مدار بواسطة الثايوستور. تتحكم زاوية الإشعال للثايوستور في تشغيل اللوحة، مما يتحكم مباشرة في الجهد عبر اللوحة - وبالتالي في كمية الطاقة التي تسحبها.
يتيح هذا التكوين لـ SVC تعديلًا ديناميكيًا لإخراج الطاقة الرنانة، مما يساعد على استقرار الجهد وتحسين معدل القوة في نظام النقل. يظهر الرسم البياني الأساسي لجهاز تعويض الفار الساكن في الشكل أدناه.
تطبيقات جهاز تعويض الفار الساكن (SVC)
تعتبر أجهزة SVC أجهزة متنوعة تستخدم لتحسين أداء نظام الطاقة، مع وظائف رئيسية تشمل:
وتستخدم أيضًا بشكل واسع في البيئات الصناعية لإدارة الطاقة الرنانة وتحسين جودة الطاقة. فيما يلي نظرة عامة على أكثر تكوينات SVC شيوعًا:
ردود فعل مدار بواسطة الثايوستور (TCR)
يتكون TCR من لوحة متصلة بالسلسلة مع صمام ثايوستور - وبالتحديد، ثايوستورين متصلين بالتوازي المعاكس. يعمل هذان الثايوستوران بشكل متبادل خلال كل نصف دورة من التيار المتردد، مع دارة تحكم تقدم نبضات الإشعال للثايوستورين كل نصف دورة.
تحدد زاوية الإشعال للثايوستور كمية الطاقة الرنانة المتأخرة المقدمة للنظام. تستخدم TCRs بشكل شائع في خطوط النقل ذات الجهد العالي جدًا (EHV)، حيث توفر تعويضًا للطاقة الرنانة أثناء ظروف التحميل الخفيف أو عدم التحميل. يظهر الرسم البياني الأساسي لردود فعل مدار بواسطة الثايوستور في الشكل أدناه.
مكثف موجه بواسطة الثايوستور (TSC)
تحت ظروف التحميل الثقيلة، يزداد الطلب على الطاقة الرنانة بشكل كبير - ويتم تصميم مكثفات TSC لتلبية هذا الطلب المتزايد. تستخدم بشكل شائع في خطوط النقل ذات الجهد العالي جدًا (EHV) خلال فترات التحميل العالي.
يشترك TSC في نفس المبدأ الهيكلي مع TCR، ولكن مع استبدال اللوحة بالمكثف. كما هو الحال في TCR، ينظم TSC كمية الطاقة الرنانة المقدمة لخط النقل من خلال ضبط زاوية الإشعال للثايوستور. يظهر الرسم البياني الأساسي لمكثف موجه بواسطة الثايوستور (TSC) في الشكل أدناه.
ردود فعل موجه بواسطة الثايوستور (TSR)
يتشابه TSR في التركيب مع ردود فعل مدار بواسطة الثايوستور (TCR) ولكنه يختلف في التشغيل: بينما يضبط TCR التيار من خلال التحكم في زوايا الإشعال للثايوستور (ما يسمح بتحكم في الطور)، يعمل الثايوستور في TSR بطريقة ثنائية "تشغيل/إيقاف" دون تحكم في الطور. هذا يعني أن اللوحة إما متصلة تمامًا بالدائرة أو غير متصلة تمامًا.يؤدي عدم وجود تحكم في زاوية الإشعال إلى تبسيط التصميم، مما يقلل من تكلفة الثايوستور ويقلل من خسائر التحويل. الرسم البياني الأساسي لـ TSR متطابق مع ذلك لـ TCR.
جهاز التعويض الساكن المتزامن (STATCOM)
يعتبر STATCOM جهاز تحويل مصدر جهد مباشر (VSC) يستند إلى الإلكترونيات القوية ويتحكم في أداء نظام النقل من خلال توفير أو امتصاص الطاقة الرنانة - ويمكنه أيضًا توفير دعم للطاقة الحقيقية عند الحاجة. إنه فعال بشكل خاص في خطوط النقل ذات معدل قوة ضعيف وتنظيم جهد سيء، مما يجعله جهازًا شائعًا لتحسين استقرار الجهد في أنظمة الطاقة.
يعمل STATCOM باستخدام مكثف مشحون كمصدر جهد مباشر له، والذي يتم تحويله إلى جهد ثلاثي الأطوار عبر مغير جهد متحكم به. يتم تزامن خرج المغير مع نظام الطاقة الثلاثي الأطوار، ويتم توصيل الجهاز بالتوازي مع خط النقل عبر محول توصيل. من خلال ضبط خرج المغير، يمكن التحكم بدقة في الطاقة الرنانة (والحقيقية) المقدمة بواسطة STATCOM. يظهر الرسم البياني الأساسي لـ STATCOM في الشكل أدناه.
جهاز التحكم في تدفق الطاقة بين الخطوط (IPFC)
IPFC هو تقنية تعويض مصممة لأنظمة النقل المتعددة الخطوط، تتضمن عدة محولات متصلة عبر حافز DC مشترك - يرتبط كل محول بخط نقل منفصل.
قدرة هذه المحولات الرئيسية هي نقل الطاقة الحقيقية، مما يسمح بموازنة الطاقة الحقيقية والرنانة عبر الخطوط المتصلة. يعزز هذا التحكم المنسق الكفاءة والاستقرار العام في شبكات النقل المتعددة الخطوط.يظهر الرسم البياني الأساسي لـ IPFC في الشكل أدناه.
جهاز التحكم الموحد في تدفق الطاقة (UPFC)
يجمع UPFC بين جهاز التعويض الساكن المتزامن (STATCOM) وجهاز التعويض الساكن المتصل بالسلسلة (SSSC) عبر رابط جهد مباشر مشترك، مما يدمج وظائفهما في نظام واحد. يستخدم زوجًا من الجسور القابلة للتحكم في ثلاث مراحل لتوليد التيار، والذي يتم حقنه في خط النقل عبر محول توصيل.
يتميز UPFC بتحسين العديد من جوانب أداء نظام الطاقة، بما في ذلك استقرار الجهد واستقرار زاوية الطاقة وتسكين النظام. يمكنه التحكم بدقة في تدفق الطاقة الحقيقية (الفعالة) والرنانة في خطوط النقل. ومع ذلك، يعمل بشكل مثالي فقط تحت ظروف موجة الجيب المتوازنة وقد لا يعمل بكفاءة أثناء حالات النظام غير الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك، يساعد UPFC على كبح الاهتزازات في نظام الطاقة وتحسين الاستقرار العابر. يظهر الرسم البياني الأساسي لجهاز التحكم الموحد في تدفق الطاقة (UPFC) في الشكل أدناه.
