تنظيم الجهد

في الهندسة الكهربائية ، وخاصة هندسة الطاقة ، يُعدّ تنظيم الجهد مقياسًا لتغير قيمة الجهد بين طرفي الإرسال والاستقبال لمكون ما، مثل خطوط النقل أو التوزيع. ويصف تنظيم الجهد قدرة النظام على توفير جهد ثابت تقريبًا ضمن نطاق واسع من ظروف الحمل . وقد يشير المصطلح إلى خاصية سلبية ينتج عنها انخفاض في الجهد بدرجات متفاوتة تحت ظروف الحمل المختلفة، أو إلى التدخل الفعال باستخدام أجهزة لغرض محدد هو ضبط الجهد.

في أنظمة الطاقة الكهربائية، يُعد تنظيم الجهد كمية لا بُعدية تُعرَّف عند الطرف المستقبل لخط النقل على النحو التالي:

${\displaystyle {\text{نسبة مئوية}}VR={\frac {|V_{nl}|-|V_{fl}|}{|V_{fl}|}}\times 100}$^{[ 1 ]}

حيث V _{_nl} هو الجهد عند عدم وجود حمل، و V_fl هو الجهد عند الحمل الكامل. نسبة تنظيم الجهد لخط نقل مثالي، أي خط نقل ذو مقاومة ومفاعلة _{صفريتين} ، تساوي صفرًا لأن V _{_nl} تساوي V_{_fl} نتيجةً لعدم وجود انخفاض في الجهد على طول الخط. لهذا السبب، عادةً ما تكون قيمة تنظيم الجهد المنخفضة مفيدة، إذ تشير إلى أن الخط أقرب إلى الحالة المثالية.

يمكن تصور صيغة تنظيم الجهد على النحو التالي: "لنفترض أن الطاقة يتم توصيلها إلى حمل بحيث يكون الجهد عند الحمل هو الجهد المقنن للحمل V _Rated ، إذا اختفى الحمل بعد ذلك، فإن الجهد عند نقطة الحمل سيرتفع إلى V _nl ."

يحدث تنظيم الجهد في خطوط النقل نتيجةً لممانعة الخط بين طرفي الإرسال والاستقبال. تتميز خطوط النقل بطبيعتها بوجود قدر من المقاومة والحث والسعة، مما يؤدي إلى تغيير الجهد باستمرار على طول الخط. يتغير كل من مقدار الجهد وزاوية طوره على طول خط النقل الحقيقي. يمكن نمذجة تأثيرات ممانعة الخط باستخدام دوائر مبسطة، مثل تقريب الخط القصير (الأقل دقة)، وتقريب الخط المتوسط ​​(الأكثر دقة)، وتقريب الخط الطويل (الأكثر دقة).

يتجاهل تقريب الخط القصير سعة خط النقل، ويُنمذج مقاومته ومفاعلته كمقاومة وملف حث موصولين على التوالي. وتكون معاوقة هذا التركيب R + jωL أو R + jX. يوجد تيار خط واحد I = I_{_S} = I_{_R} في تقريب الخط القصير، وهو يختلف عن تقريبي الخط المتوسط ​​والطويل. يأخذ تقريب الخط المتوسط ​​الطول في الحسبان الممانعة التفرعية ، والتي عادةً ما تكون سعةً خالصة، وذلك بتوزيع نصف الممانعة عند طرفي الإرسال والاستقبال للخط. يُشار إلى هذا التكوين غالبًا باسم -π الاسمي. أما تقريب الخط الطويل، فيأخذ قيم المعاوقة والممانعة المجمعة هذه ويوزعها بانتظام على طول الخط. ولذلك، يتطلب تقريب الخط الطويل حل المعادلات التفاضلية، وينتج عنه أعلى درجة من الدقة. ^{[ 2 ]}

في معادلة تنظيم الجهد، يُمثل V _{بدون حمل} الجهد المقاس عند طرفي الاستقبال عندما يكون طرف الاستقبال دائرة مفتوحة. في هذه الحالة، يكون نموذج الخط القصير بأكمله دائرة مفتوحة، ولا يمر تيار في الدائرة المفتوحة، لذا I = 0 أمبير، ويكون انخفاض الجهد عبر الخط، وفقًا لقانون أوم V _{انخفاض جهد الخط} = IZ جهد _الخط ، مساويًا لـ 0 فولت. وبالتالي، يكون جهد طرفي الإرسال والاستقبال متساويًا. هذه القيمة هي ما سيكون عليه الجهد عند طرف الاستقبال إذا لم يكن لخط النقل أي مقاومة. لن يتغير الجهد إطلاقًا بسبب الخط، وهو سيناريو مثالي في نقل الطاقة.

يمثل V _{_fullload} الجهد عبر الحمل عند طرف الاستقبال عند توصيل الحمل وتدفق التيار في خط النقل. وبما أن V_{_{line drop}} = IZ_{_line} لا يساوي الصفر، فإن الجهد عند طرفي الإرسال والاستقبال لخط النقل غير متساويين. ويمكن إيجاد التيار I_line بحل قانون أوم باستخدام معاوقة الخط والحمل مجتمعتين.${\textstyle I={\frac {V_{S}}{Z_{line}+Z_{load}}}}$ثم يُعطى جهد المقاومة (VR) عند _{الحمل الكامل بالعلاقة التالية:}${\textstyle V_{S} - {\frac {V_{S}Z_{line}}{Z_{line}+Z_{load}}}}$.

تُوضَّح تأثيرات هذا التعديل على مقدار الجهد وزاوية الطور باستخدام مخططات المتجهات التي تُحدد قيم V_{_R} و V_{_S، بالإضافة إلى مُركِّبات انخفاض الجهد V_line} المقاومة والحثية . تُعرض ثلاثة سيناريوهات لمعامل القدرة ، حيث: (أ) يُغذي الخط حملاً حثياً، لذا يتأخر التيار عن جهد الاستقبال، (ب) يُغذي الخط حملاً حقيقياً بالكامل، لذا يكون التيار وجهد الاستقبال متوافقين في الطور، و(ج) يُغذي الخط حملاً سعوياً، لذا يتقدم التيار على جهد الاستقبال. في جميع الحالات، تُسبب مقاومة الخط R انخفاضاً في الجهد متوافقاً في الطور مع التيار، بينما تُسبب مفاعلة الخط X انخفاضاً في الجهد يتقدم على التيار بمقدار 90 درجة. تُجمع هذه الانخفاضات المتتالية في الجهد لتُساوي جهد الاستقبال، وذلك بتتبعها عكسياً من V_{_R} إلى V_{_S} في دائرة تقريب الخط القصير. يساوي المجموع الاتجاهي لـ V _{_R} وانخفاضات الجهد V_{_S} ، ويتضح من المخططات أن V_{_S} لا يُساوي V_{_R} لا في المقدار ولا في زاوية الطور.

تُظهر المخططات أن زاوية طور التيار في الخط تؤثر بشكل كبير على تنظيم الجهد. في الشكل (أ)، يؤدي تأخر التيار إلى زيادة كبيرة في قيمة جهد طرف الإرسال مقارنةً بجهد طرف الاستقبال، مع تقليل فرق زاوية الطور بينهما. أما في الشكل (ج)، فيسمح تقدم التيار بأن تكون قيمة جهد طرف الإرسال أصغر من قيمة جهد طرف الاستقبال، مما يؤدي إلى زيادة الجهد على طول الخط بشكل غير متوقع. في الشكل (ب)، لا يؤثر التيار المتوافق في الطور إلا قليلاً على قيمة الجهد بين طرفي الإرسال والاستقبال، ولكنه يُحدث تغييراً ملحوظاً في زاوية الطور.

تُستخدم خطوط النقل الحقيقية عادةً لتغذية الأحمال الحثية، وهي المحركات الموجودة بكثرة في الأجهزة الإلكترونية والآلات الحديثة. يؤدي نقل كمية كبيرة من القدرة التفاعلية Q إلى الأحمال الحثية إلى تأخر تيار الخط عن الجهد، ويتميز تنظيم الجهد بانخفاض في قيمته. أما عند نقل كمية كبيرة من القدرة الحقيقية P إلى الأحمال الحقيقية، فيكون التيار متوافقًا في الطور مع الجهد في الغالب. في هذه الحالة، يتميز تنظيم الجهد بانخفاض في زاوية الطور وليس في قيمته.

في بعض الأحيان، يُستخدم مصطلح تنظيم الجهد لوصف العمليات التي يتم من خلالها تقليل الكمية VR ، وخاصة فيما يتعلق بالدوائر والأجهزة الخاصة لهذا الغرض (انظر أدناه).

تُوصَف جودة تنظيم الجهد في النظام بثلاثة معايير رئيسية:

تهدف شركات الكهرباء إلى تزويد عملائها بجهد كهربائي محدد، مثلاً 220 فولت أو 240 فولت. مع ذلك، وبسبب قوانين كيرشوف ، يتغير مقدار الجهد، وبالتالي جهد الخدمة المقدم للعملاء، على طول الموصل، مثل مغذي التوزيع (انظر: توزيع الطاقة الكهربائية ). وبحسب القانون والممارسات المحلية، قد يُعتبر جهد الخدمة الفعلي ضمن نطاق سماحية، مثل ±5% أو ±10%، مقبولاً. وللحفاظ على الجهد ضمن هذا النطاق في ظل ظروف الحمل المتغيرة، تُستخدم عادةً أنواع مختلفة من الأجهزة: ^{[ 3 ]}

• مغير جهد الحمل (LTC) في محول المحطة الفرعية ، والذي يغير نسبة اللفات استجابة لتيار الحمل وبالتالي يضبط الجهد المزوّد عند طرف الإرسال للمغذي؛
• منظمات الجهد ، وهي عبارة عن محولات مزودة بمغيرات جهد لضبط الجهد على طول خط التغذية، وذلك لتعويض انخفاض الجهد مع المسافة؛
• المكثفات ، التي تقلل من انخفاض الجهد على طول خط التغذية عن طريق تقليل تدفق التيار إلى الأحمال التي تستهلك الطاقة التفاعلية .

يوجد جيل جديد من الأجهزة لتنظيم الجهد الكهربائي، يعتمد على تقنية الحالة الصلبة، في المراحل الأولى من التسويق التجاري. ^{[ 4 ]}

تتضمن عملية تنظيم توزيع الكهرباء "نقطة تنظيم": وهي النقطة التي يحاول عندها الجهاز الحفاظ على جهد ثابت. يلاحظ العملاء الأبعد عن هذه النقطة تأثيرًا متوقعًا: جهد أعلى عند الأحمال الخفيفة، وجهد أقل عند الأحمال العالية. أما العملاء الأقرب إلى هذه النقطة فيلاحظون تأثيرًا معاكسًا: جهد أعلى عند الأحمال العالية، وجهد أقل عند الأحمال الخفيفة.

يمثل توليد الطاقة الموزعة ، وخاصة الخلايا الكهروضوئية المتصلة على مستوى التوزيع، عدداً من التحديات الكبيرة لتنظيم الجهد.

تعمل معدات تنظيم الجهد التقليدية على افتراض أن جهد الخط يتغير بشكل متوقع مع المسافة على طول المغذي . تحديدًا، ينخفض ​​جهد المغذي مع ازدياد المسافة من المحطة الفرعية بسبب مقاومة الخط، ويقل معدل انخفاض الجهد كلما ابتعدنا عن المحطة الفرعية . ^{[ 5 ]} ومع ذلك، قد لا يصح هذا الافتراض في حال وجود مصادر توليد موزعة. على سبيل المثال، سيشهد مغذي طويل ذو تركيز عالٍ من مصادر التوليد الموزعة في نهايته حقنًا كبيرًا للتيار عند النقاط التي يكون فيها الجهد عادةً في أدنى مستوياته. إذا كان الحمل منخفضًا بدرجة كافية، فسيتدفق التيار في الاتجاه المعاكس (أي باتجاه المحطة الفرعية)، مما ينتج عنه منحنى جهد يزداد مع المسافة من المحطة الفرعية. قد يُربك منحنى الجهد المعكوس هذا أنظمة التحكم التقليدية. في أحد هذه السيناريوهات، قد تختار مُغيرات جهد الحمل، التي تتوقع انخفاض الجهد مع المسافة من المحطة الفرعية، نقطة تشغيل تتسبب في الواقع في تجاوز الجهد على طول الخط حدود التشغيل. ^{[ 6 ]}

تتفاقم مشكلات تنظيم الجهد الكهربائي الناجمة عن وحدات التوليد الموزع على مستوى التوزيع بسبب نقص معدات مراقبة الشبكة الكهربائية على طول خطوط التوزيع. ويُصعّب النقص النسبي في المعلومات المتعلقة بجهود وأحمال التوزيع على شركات الكهرباء إجراء التعديلات اللازمة للحفاظ على مستويات الجهد ضمن حدود التشغيل. ^{[ 7 ]}

على الرغم من أن أنظمة التوليد الموزع تُشكّل تحديات كبيرة لتنظيم الجهد على مستوى التوزيع، إلا أنه عند دمجها مع إلكترونيات الطاقة الذكية ، يُمكنها أن تُساهم في تعزيز جهود تنظيم الجهد. ^{[ 8 ]} ومن الأمثلة على ذلك أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصلة بالشبكة عبر محولات مزودة بنظام تحكم في الجهد والقدرة التفاعلية (VAR ). في دراسة مشتركة أجراها المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) ومعهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI) ، عند إضافة نظام تحكم في الجهد والقدرة التفاعلية (VAR) إلى مغذي توزيع يحتوي على 20% من الطاقة الشمسية الكهروضوئية، انخفضت تقلبات الجهد اليومية على المغذي بشكل ملحوظ. ^{[ 9 ]}

أحد تطبيقات تنظيم الجهد هو المحول . تتسبب المكونات غير المثالية للمحول في تغير الجهد عند مرور التيار. في حالة عدم وجود حمل، أي عندما لا يمر تيار عبر الملفات الثانوية، يُعطى V_{_nl} بالنموذج المثالي، حيث V _{_S} = V_{_P} * N_{_S} / N_{_P} . بالنظر إلى الدائرة المكافئة وإهمال مكونات التوازي، وهو تقريب معقول، يمكن إسناد جميع المقاومات والمفاعلات إلى الجانب الثانوي، ومن الواضح أن جهد الملف الثانوي في حالة عدم وجود حمل يُعطى بالفعل بالنموذج المثالي. في المقابل، عندما يُحمّل المحول بكامل طاقته، يحدث انخفاض في الجهد عبر مقاومة الملفات، مما يؤدي إلى انخفاض جهد طرفي الحمل عن المتوقع. وفقًا للتعريف أعلاه، يؤدي هذا إلى تنظيم جهد غير صفري يجب مراعاته عند استخدام المحول. ^{[ 2 ]}

• منظم الجهد
• توزيع الطاقة الكهربائية
• منظم تحويلة