نظام نقل تيار متردد مرن

في الهندسة الكهربائية ، يُعد نظام نقل التيار المتردد المرن ( FACTS ) مجموعة من الأجهزة الإلكترونية المصممة للاستخدام في أنظمة نقل التيار المتردد لتحسين تدفق الطاقة والتحكم فيه، وتوفير دعم ديناميكي للجهد. تُعتبر أجهزة FACTS بدائل لحلول الشبكة الكهربائية التقليدية، وتُستخدم في الحالات التي لا يكون فيها إنشاء خطوط نقل أو محطات فرعية إضافية مجديًا اقتصاديًا أو لوجستيًا.

بشكل عام، تُحسّن أجهزة FACTS القدرة والجهد بثلاث طرق مختلفة: تعويض الجهد التفرعي (بديلًا عن وظيفة المكثفات أو المحاثات )، وتعويض المعاوقة التسلسلي (بديلًا عن المكثفات التسلسلية )، أو تعويض زاوية الطور (بديلًا عن التحكم في انخفاض الجهد في المولد أو محولات إزاحة الطور ). بينما تستطيع المعدات التقليدية الأخرى القيام بكل ذلك، تستخدم أجهزة FACTS إلكترونيات طاقة سريعة بما يكفي للتبديل في أقل من دورة واحدة بدلًا من ثوانٍ أو دقائق. كما أن معظم أجهزة FACTS ديناميكية، وتدعم الجهد عبر نطاق واسع بدلًا من التشغيل والإيقاف فقط، وهي متعددة الأرباع، أي أنها قادرة على توفير واستهلاك القدرة التفاعلية ، وأحيانًا حتى القدرة الحقيقية . كل هذا يمنحها طبيعتها "المرنة" ويجعلها مناسبة تمامًا للتطبيقات ذات المتطلبات غير المعروفة أو المتغيرة.

نشأت عائلة أنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS) في البداية من تطوير تقنية تحويل ونقل التيار المستمر عالي الجهد (HVDC)، والتي تستخدم إلكترونيات الطاقة لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر (DC) لتمكين عمليات نقل طاقة كبيرة وقابلة للتحكم. ^{[ 1 ]} وبينما ركزت تقنية HVDC على التحويل إلى تيار مستمر، استخدمت أجهزة FACTS التقنية المطورة للتحكم في الطاقة والجهد في نظام التيار المتردد. النوع الأكثر شيوعًا من أجهزة FACTS هو مُعَوِّض القدرة التفاعلية الثابت (SVC)، والذي يستخدم الثايرستورات لتبديل والتحكم في المكثفات والمفاعلات المتوازية، على التوالي.

عندما انتصر التيار المتردد في حرب التيارات الكهربائية في أواخر القرن التاسع عشر، وبدأت شبكات الكهرباء بالتوسع وربط المدن والولايات، برزت الحاجة إلى تعويض القدرة التفاعلية. ^{[ 2 ]} ورغم ما قدمه التيار المتردد من مزايا في التحويل وتقليل التيار، إلا أن طبيعة التناوب بين الجهد والتيار أدت إلى تحديات إضافية تتعلق بالسعة والحث الطبيعيين لخطوط النقل . فقد استهلكت الخطوط ذات الأحمال العالية قدرة تفاعلية بسبب حث الخط، ومع ازدياد جهد النقل خلال القرن العشرين، وفر الجهد العالي قدرة تفاعلية سعوية. ولأن تشغيل خط النقل عند مستوى مقاومة الاندفاع فقط لم يكن مجديًا، ^{[ 2 ]} فقد برزت الحاجة إلى وسائل أخرى لإدارة القدرة التفاعلية.

كانت المولدات التزامنية شائعة الاستخدام آنذاك، وكانت قادرة على توفير بعض الدعم للطاقة التفاعلية، إلا أنها كانت محدودة بسبب زيادة الفاقد الناتج عنها. كما تراجعت فعاليتها مع نقل الأحمال بعيدًا عن مصادرها عبر خطوط نقل الجهد العالي. وقد سدت بنوك المكثفات والمفاعلات الثابتة والمتوازية هذه الحاجة من خلال نشرها حيثما دعت الحاجة. وعلى وجه الخصوص، وفرت المكثفات المتوازية التي يتم تشغيلها بواسطة قواطع الدائرة وسيلة فعالة لإدارة متطلبات الطاقة التفاعلية المتغيرة نتيجة لتغير الأحمال. ^{[ 3 ]} ومع ذلك، لم تكن هذه الطريقة خالية من القيود.

المكثفات والمفاعلات المتوازية أجهزة ثابتة، لا يمكن تشغيلها أو إيقافها إلا. وقد استلزم ذلك إما دراسة دقيقة للحجم المطلوب بدقة، ^{[ 4 ]} أو قبول تأثيرات غير مثالية على جهد خط النقل. وقد برزت الحاجة إلى حل أكثر ديناميكية ومرونة مع صمام قوس الزئبق في أوائل القرن العشرين. يشبه صمام قوس الزئبق أنبوب التفريغ ، فهو مقوم عالي القدرة ، قادر على تحويل جهود التيار المتردد العالية إلى تيار مستمر. ومع تطور التكنولوجيا، أصبح عكس التيار ممكنًا أيضًا، ووجدت صمامات الزئبق استخدامًا في أنظمة الطاقة ووصلات التيار المستمر عالية الجهد. عند توصيلها بمفاعل، يمكن استخدام أنماط تبديل مختلفة لتغيير الحث الفعال المتصل، ^{[ 5 ]} مما يسمح بتحكم أكثر ديناميكية. استمرت صمامات القوس في الهيمنة على إلكترونيات الطاقة حتى ظهور أشباه الموصلات الصلبة في منتصف القرن العشرين. ^{[ 6 ]}

مع استبدال أشباه الموصلات للصمامات المفرغة، ابتكر الثايرستور أولى أجهزة FACTs الحديثة في مُعَوِّض القدرة التفاعلية الثابت (SVC). ^{[ 7 ]} وباعتباره قاطع دارة فعالًا يُمكن تشغيله في أجزاء من الثانية، فقد سمح بالتبديل السريع بين بنوك المكثفات. وعند توصيله بمفاعل، سمح التبديل في دورة فرعية بتغيير الحث الفعال. كما حسّن الثايرستور نظام التحكم بشكل كبير، مما مكّن مُعَوِّض القدرة التفاعلية الثابت من اكتشاف الأعطال والاستجابة لها لدعم النظام بشكل أفضل. ^{[ 8 ]} هيمن الثايرستور على عالم FACTs وHVDC حتى أواخر القرن العشرين، عندما بدأت ترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBT) في منافسة قدراته. ^{[ 9 ]}

تعتمد النظرية الأساسية لكيفية تأثير أجهزة FACTS على نظام التيار المتردد على تحليل كيفية انتقال الطاقة بين نقطتين في هذا النظام. وهذا الأمر بالغ الأهمية لكيفية عمل شبكة الكهرباء ذات التيار المتردد، حيث تحتوي الشبكة على العديد من العقد (المحطات الفرعية) التي تفتقر إلى مصادر ( مولدات ) أو أحمال . يجب حساب تدفق الطاقة والتحكم فيه عند كل عقدة (حافلة المحطة الفرعية) لضمان عدم منع تصميم الشبكة وبنيتها وصول الكهرباء المولدة إلى الأحمال، ^{[ 10 ]} إذ أن خطوط النقل، عندما يصل طولها إلى عشرات أو مئات الأميال، تضيف مقاومة كبيرة وانخفاضًا ملحوظًا في الجهد إلى النظام.

بالنظر إلى حافلتين، لكل منهما مقدار الجهد وزاوية الطور الخاصة بهما ، ومتصلتين بخط نقل ذي معاوقة، فإن التيار المتدفق بينهما يُعطى بواسطة ^{[ 11 ].}

${\displaystyle {\bar {I}}={\frac {{\bar {V}}_{s} - {\bar {V}}_{r}}{{\bar {Z}}_{L}}}}$

يُعطى تدفق القدرة الظاهرية، وبالتالي القدرة الحقيقية والقدرة التفاعلية، بالصيغة التالية:

${\displaystyle {\bar {S}}={\bar {V}}{\bar {I}}^{*}=P+jQ}$

بدمج هاتين المعادلتين، نحصل على تدفق القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة كدالة للجهد والمعاوقة. يمكن القيام بذلك بسهولة نسبية، ويتم ذلك في برامج تحليل تدفق الحمل والقدرة ، ولكنه ينتج عنه معادلات يصعب فهمها. يمكن إجراء تقريبين لتبسيط الأمور: افتراض خط نقل عديم الفقد (وهو افتراض مناسب نظرًا لاستخدام موصلات ذات مقاومة منخفضة جدًا عادةً)، وإهمال أي سعة على الخط (وهو افتراض معقول لخطوط 200 كيلوفولت وما دون). هذا يقلل معاوقة الخط إلى مجرد مفاعلة، وينتج عنه القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة.

${\displaystyle P_{s}=P_{r}=P={\frac {V_{s}V_{r}}{X_{L}}}\sin(\delta )}$

${\displaystyle Q_{s}=-Q_{r}=Q={\frac {V_{r}}{X_{L}}}[V_{s}\cos(\delta )-V_{r}]}$

أين

${\displaystyle V_{s}}$يمثل مقدار جهد طرف الإرسال، عند الناقل الأول

${\displaystyle V_{r}}$يمثل مقدار جهد طرف الاستقبال عند الناقل الثاني

${\displaystyle X_{L}}$هي مفاعلة خط النقل بين الحافلات

${\displaystyle \delta }$يمثل فرق زاوية الطور بين جهد طرف الإرسال وجهد طرف الاستقبال

يتضح من المعادلات السابقة وجود ثلاثة متغيرات تؤثر على تدفق القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة على خط النقل: ^{[ 12 ]} مقدار الجهد عند كل نقطة توصيل، ومفاعلة الخط بين نقطتي التوصيل، وفرق زاوية طور الجهد بين نقطتي التوصيل. تعمل جميع أجهزة FACTs وفق مبدأ أساسي مفاده أن تغيير واحد أو أكثر من هذه المتغيرات سيؤدي إلى تغيير تدفق القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة على خط النقل. بعض أجهزة FACTs تُغير متغيرًا واحدًا فقط، بينما تتحكم أجهزة أخرى في المتغيرات الثلاثة جميعها.

تجدر الإشارة، وسيتم توضيح ذلك بشكل أكبر أدناه، إلى أن أجهزة FACTs لا تقوم بإنشاء أو إضافة طاقة حقيقية إلى النظام، فهي ببساطة تؤثر على معلمات الدائرة بين نقطتين للتأثير على كيفية ووقت تدفق الطاقة.

نظراً لقدرة أجهزة FACTs على تغيير ما يصل إلى ثلاثة معايير للتأثير على تدفق الطاقة (الجهد، والمعاوقة، و/أو زاوية الطور)، فإنها تُصنف عادةً حسب المعيار الذي تتحكم فيه. ولأن الأجهزة التقليدية للتحكم في الجهد (المكثفات والمحاثات المتوازية) والمعاوقة (المكثفات المتصلة على التوالي ومفاعلات تدفق الحمل) شائعة جداً، فإن أجهزة FACTs التي تستهدف معايير الجهد والمعاوقة تُصنف على التوالي كأجهزة متوازية وأجهزة متصلة على التوالي.

• مُعَوِّض القدرة التفاعلية الثابت (SVC)
• مُعَوِّض التزامن الثابت (STATCOM)
• مكثف متسلسل يتم التحكم فيه بواسطة الثايرستور (TCSC)
• مُعَوِّض السلسلة المتزامن الثابت (SSSC)
• منظم زاوية الطور المتحكم فيه بواسطة الثايرستور (TCPAR)
• وحدة التحكم الموحدة في تدفق الطاقة (UPFC)
• التيار المستمر عالي الجهد (HVDC)
• ملف تعريف العاكس الذكي الشائع