تحليل القدرة التفاعلية في نظام القوى الكهربائية

القدرة التفاعلية هي قوة تخيليّة، لكنها لا تزال ضرورية في نظام الطاقة، وخاصةً إذا كانت الطاقة التفاعلية زائدة في نظام الطاقة؛ فقد يرتفع الجهد، وفي حالة النقص في القدرة التفاعلية قد يكون الجهد منخفضاً، لذلك سيتم توضيح في هذا الطرح الجوانب المختلفة للقوة التفاعلية، وما هو دورها في نظام الطاقة وكيف يمكن حقنها في نظام الطاقة.

أساسيات الجهد والقوة التفاعلية في نظام القوى الكهربائية:

من المستحسن أن يكون الجهد في نظام الطاقة (1) لكل وحدة، وهو ما يسمى بنظام (pu)، وفي كل مكان (ولكن من المستحيل للغاية الحفاظ عليه)، لذلك؛ فإن التحكم في القدرة التفاعلية وحجم الجهد عبارة عن كلمات مرتبطة تقريباً، وبالمثل؛ فإن التحكم في الطاقة النشطة وزاوية الجهد الكهربائي هي كلمات مرتبطة تقريباً.

لذلك ضع في اعتبارك، وكما هو موضح في الشكل التالي، حيث تكون الحافلة الأولى متصلة بحافلة لانهائية مع خط نقل طويل، بشكل عام؛ فإنها تتدفق الطاقة النشطة من “زاوية الجهد العالي” إلى زاوية الجهد المنخفض وتتدفق الطاقة التفاعلية من حجم الجهد العالي إلى مقدار الجهد المنخفض، لذلك يتضح في الشكل بأنه ستتدفق القوة النشطة والمتفاعلة من الركن 1 إلى الركن 2 (في حالات قليلة تعتمد على عوامل أخرى أيضاً).

تحليل القدرة التفاعلية في المولد المتزامن:

يجب الوضع في الاعتبار دائرة مكافئة بسيطة للمولد المتزامن (SG) كما هو موضح في الشكل التالي، كما أن جهدها الطرفي هو (1∠0)، أو يمكننا القول أن (SG) متصل مباشرة بحافلة لانهائية.

كما وتجدر الإشارة هنا إلى أن القدرة التفاعلية هي قوة خيالية لذلك يمكن أن توفرها شركة (SG) أو تمتصها، خاصةً إذا كان (Ef) أقل من “1” (أي Ef <Vt)؛ فيمكن القول أنه يعمل عند الإثارة المنخفضة (أي أن التيار المستمر في ملفه الميداني منخفض)، وفي هذه الحالة، قد يستهلك (SG) طاقة تفاعلية، وخاصةً إذا كان (Ef) أكثر من “1” (أي Ef> Vt)، عندها يمكن القول أنه يعمل بإثارة عالية (أي أن التيار المستمر في ملفه الميداني مرتفع)، وفي هذه الحالة، قد توفر (SG) طاقة تفاعلية.

كما أن القوة النشطة تسمى القوة الحقيقية، حيث توفر الشركة المزودة لـ (SG) دائماً القوة النشطة، لذلك؛ فإنه يمكن فهم سبب زيادة زاوية الدوار في حالة المولد المتزامن وهي ناقصة في حالة المحرك المتزامن.

المعادلة هي  “المدخلات = المخرجات + الخسائر”، وهي صالحة لأي جهاز، وذلك بالنسبة لـ (SG)، حيث أن المعادلة هي “الإدخال الميكانيكي = الناتج الكهربائي (الطاقة النشطة) + الخسائر”، وكما هو مكتوب أعلاه، إذا كان (SG) يعمل بإثارة عالية فقد يولد طاقة تفاعلية، أي أن (SG) ستزود الطاقة التفاعلية للنظام.

لكن في الواقع، ما يحدث هو مجرد تبادل للطاقة بين المولد والحمل، لذلك لنفترض أن الحمل عبارة عن محرك تحريضي؛ فعندها سيكون هناك تبادل للطاقة بين (SG & Induction Motor)، أو يمكننا القول إن (SG) تولد طاقة تفاعلية وأن المحرك التعريفي يستهلك الطاقة التفاعلية، لكنها مجرد اتفاقيات؛ فالطاقة التفاعلية خيالية وبالتالي لا يمكن توليد الطاقة أو استهلاكها.

ففي كتب نظام الطاقة، لحساب القوة المعقدة؛ فإنه تم ذكر الصيغة (S = VI *)، لذلك إذا تم استخدام الصيغة (S = V * I)؛ فيمكن العثور على نفس النتيجة باستثناء أن علامة القوة التفاعلية سيتم عكسها، لذلك؛ فقد انتهى علماء الهندسة الكهربائية من الصيغة (S = VI *) وتجاهلوا الصيغة الثانية، لكن يبقى السؤال لماذا اختاروا الصيغة الأولى بدلاً من الثانية؟.

في مجال اكتشافه، إذا كان جهد التيار المستمر (أو تيار مستمر) مرتفعاً؛ فإن (SG) سيوفر المزيد من الطاقة التفاعلية، لذلك؛ فإنه ربما تعتقد أن طاقة التيار المستمر لتصفية المجال يتم تحويلها إلى طاقة تفاعلية، لكنها فكرة خاطئة كبيرة بين الطلاب.

لذلك يرجى ملاحظة أن المزيد من جهد التيار المستمر في لف الحقل يعني المزيد من تيار التيار المستمر، كما وسيتم استهلاك هذه الطاقة كخسائر (I2R) في مقاومة لف المجال “R”، كذلك لن يتم تحويل أي طاقة تيار مستمر في الدائرة الميدانية إلى طاقة تفاعلية.

ومع زيادة تيار التيار المستمر وزيادة الطاقة التفاعلية التي توفرها (SG)؛ فهذا يعني أن تبادل الطاقة للمولد يزداد مع الحمل، وفي حالة ارتفاع التيار المستمر في لف الحقل، سيكون التدفق في محاثة لف المجال مرتفعاً، كما وسيساعد على توليد طاقة تفاعلية بواسطة (SG).

تعويض التحويلة والتعويض المتسلسل:

يتم استخدام المصطلحين “تعويض التحويلة” و “تعويض السلسلة” بشكل شائع في نظام الطاقة، حيث يتحكم “تعويض التحويلة” في القوة التفاعلية و “تعويض السلسلة” يتحكم في القوة النشطة، كما قد يكون تعويض التحويل مكثفاً بسيطاً في تحويلة خط النقل أو أي أجهزة (Shunt FACTS)، لذلك قد يكون تعويض السلسلة مكثفاً بسيطاً في سلسلة مع خط النقل.

لذلك يجب الاعتماد على العلاقة التالية:

تعد المعادلة السابقة صيغة مشهورة جداً، لذلك؛ فإن “X” هو تفاعل خط النقل، وهذه الصيغة مشتقة بافتراض أن مقاومة خط النقل لا تكاد تذكر، لذلك إذا تم إدخال مكثف سلسلة بسيط في خط النقل (أو بين الناقل 1 والركن 2 في الشكل الأول)؛ فيمكننا القول إنه تعويض متسلسل.

ومن خلال التحكم في قيمة مكثف السلسلة، يمكننا التحكم في “X”، وبالتالي يمكن التحكم في “P”، كما يمكنك أيضاً رؤية “P” مرتبطة بـ “δ”، وكما هو مكتوب سابقاً؛ فإن التحكم في “P” و “زاوية الجهد” هما كلمات مرتبطة ارتباطاً وثيقاً.

طرق حقن الطاقة التفاعلية في نظام القوى الكهربائية:

إذا كان الجهد في نظام النقل أقل من (1 pu)؛ فيجب حقن الطاقة التفاعلية في النظام. طرق مختلفة لحقن أو امتصاص الطاقة التفاعلية في نظام الطاقة مذكورة أدناه:

• التحكم في إثارة (DC) لـ( SG)، وكما هو موضح أعلاه.

• مكثفات التحويل (لتزويد الطاقة التفاعلية وزيادة الجهد).

• محاثات التحويل (لاستهلاك الطاقة التفاعلية ولتخفيض الجهد الكهربائي)، وفي حالة تأثير “Ferranti” (أي عندما يكون الحمل أقل جداً وقد يكون الجهد النهائي المستقبِل مرتفعاً)، كما يتم استخدامه.

• (TCR-FC) أو (TCR-TSC) (إنها أجهزة FACTS تعتمد على الممانعة).

(STATCOM)، وهي عبارة عن أجهزة (FACTS)، بحيث تعتمد على محول مصدر الجهد، كما أن (STATCOM) أو (Static Synchronous Compensator) هو جهاز إلكتروني للطاقة يستخدم أجهزة تبديل القوة مثل (IGBT) و (GTO) وما إلى ذلك للتحكم في تدفق الطاقة التفاعلية من خلال شبكة الطاقة وبالتالي زيادة استقرار شبكة الطاقة.

كما أن (STATCOM) هي وحدة تحكم (FACTS) تحويلية، أي أنها متصلة في تحويلة مع الخط. في الأيام الأولى كان اسمها (STATCON) بدلاً من( STATCOM)، حيث إنه عضو في عائلة أجهزة نظام نقل التيار المتردد المرن (FACTS) ولديه الكثير من الإمكانات البحثية.

لذلك سيؤدي تثبيت (STATCOM) في نقطة مناسبة أو أكثر في الشبكة إلى تعزيز استقرار الجهد والحفاظ على شكل جهد سلس في ظل ظروف الشبكة المختلفة، كما أن قدرتها على أداء التصفية النشطة مفيدة جداً لتحسين جودة الطاقة.