الملخص
يمثل مولد التيار الثابت (HV SVG) أكثر تقنيات تعويض الطاقة التفاعلية تقدما في أنظمة الطاقة الحديثة. مع خوارزميات التحكم المحسنة، يمكنها أيضا إجراء تعويض توافقي. ومع ذلك، كشفت تطبيقات الميدان عن ظاهرة غير بديهية: بينما تنخفض توافقيات التيار والجهد على جانب النظام أثناء التعويض، تزداد توافقيات التيار الجانبي بشكل كبير. تستكشف هذه الورقة هذه القضية من خلال التحليل النظري، والنمذجة، والمحاكاة، مقدمة رؤى عملية لنشر أنظمة التعويض التوافقي بشكل فعال.
الكلمات المفتاحية: التعويض التوافقي؛ مولد ال var الثابت (SVG)
I. مقدمة
الاستخدام الواسع للأحمال غير الخطية — مثل أفران القوس، وأفران الحث متوسطة التردد، وأفران القوس المغمورة، ومحركات التردد المتغير منخفضة الجهد (VFDs)، والمقومات — أدى إلى مشاكل جودة طاقة متزايدة في شبكات الكهرباء، بما في ذلك التوافقيات، وميض الجهد، والخلل، والجهد الزائد، والجهد المنخفض. لا تهدد هذه الاضطرابات فقط تشغيل المعدات الحساسة عالية الدقة، بل تزيد أيضا من الخسائر في البنية التحتية للنقل والتوزيع. من بين هذه المشاكل، تشكل التوافقيات مخاطر خطيرة بشكل خاص، حيث تقلل من كفاءة الطاقة وتسبب ارتفاع درجة الحرارة، والاهتزاز، والضوضاء، وتقادم العزل، وحتى الأعطال الكارثية في المعدات الكهربائية.
تشمل حلول التخفيف التوافقي الشائعة مرشحات سلبية (FC) ومرشحات الطاقة النشطة (APF). بينما يتم نشر APF عادة عند مستويات جهد منخفضة (مثل 380 فولت أو 660 فولت)، تعتمد أنظمة الجهد المتوسط والعالي (10 كيلوفولت/35 كيلو فولت) غالبا على أنظمة SVG متسلسلة على جسر H مع استراتيجيات تحكم معدلة لتحقيق القدرة التفاعلية المتكاملة والتعويض التوافقي.
تستبدل SVG، المبنية على أجهزة IGBT المتحكم بها بالكامل، المكثفات والمفاعلات الضخمة بإلكترونيات طاقة سريعة التبديل، مما يتيح تعويضا ديناميكيا وسلاسا ودقيقا. من خلال تحسين خوارزمية التحكم الخاصة به، يمكن ل SVG التعويض عن القدرة التفاعلية وقمع التوافقيات في الوقت نفسه.
تقدم هذه الورقة مبدأ التعويض التوافقي في مجموعات SVG، وتقدم تقريرا عن تطبيق واقعي، وتحلل زيادة غير متوقعة في التوافقيات على جانب الحمل من خلال المحاكاة والنمذجة النظرية.
II. مبدأ التعويض التوافقي في SVG
a. التشغيل الأساسي ل SVG
الجدول 1: مبادئ حالة التشغيل
SVG هو معوض طاقة تفاعلية ديناميكية ثابت وسريع الاستجابة. يربط دائرة جسر ذاتية التبديل — تتكون من عدة وحدات جسر H متصلة بالتسلسلات — بالشبكة عبر المفاعلات أو المحولات (الشكل 1). عن طريق ضبط سعة وطور جهد الخرج من الجانب المتردد (أو التحكم المباشر في تيار الخرج)، يقوم SVG بحقن أو امتصاص الطاقة التفاعلية حسب الحاجة.
الشكل 1: مخطط لنظام SVG عالي الجهد المتسلسلة
في تطبيقات الجهد العالي، يتم تقسيم عدة وحدات جسر H إلى حد لكل طور، مع تدرج الرقم حسب مستوى الجهد. يتم إرسال إشارات التحكم عبر الألياف الضوئية لضمان عزل الجلفاني ومناعة الضوضاء (الشكل 2).
الشكل 2: مخطط تخطيطي للهيكل الكهربائي لنظام SVG
تراقب SVG باستمرار جهد النظام، وتيار النظام، وتيار الحمل، ثم تضبط خرجها ديناميكيا للحفاظ على القيم المستهدفة للطاقة التفاعلية أو الجهد أو عامل القدرة عند نقطة الاقتران المشترك.
ب. آلية التعويض التوافقي
مبدأ التشغيل لجهاز SVG متوسط الجهد مع قدرة ترشيح نشطة باستخدام التحكم في التيار المستمر موضح في الشكل 3. من هذا الشكل، يمكن اشتقاق المعادلة (1)، مما يشير إلى أن تيار المصدر هو مجموع متجه تيار الحمل وتيار التعويض:
الشكل 3: مبدأ العمل لمولد فارين ثابت باستخدام التحكم بالتيار المستمر
بافتراض أن تيار الحمل يحتوي على تيار التسلسل الإيجابي الأساسي (بما في ذلك المكونات التفاعلية والنشطة الأساسية في التسلسل الموجب)، والتيار السلبي الأساسي، والتيارات التوافقية، يمكن التعبير عنه كالتالي:
لإزالة المكونات الأساسية التفاعلية للتسلسل الموجب والتسلسل السالب الأساسي من تيار المصدر، يجب أن يحقق تيار SVG الخرج المعادلة (3):
وبالتالي، سيحتوي تيار المصدر فقط على المكون النشط الأساسي ذو التسلسل الموجب والتيارات التوافقية، كما هو موضح في المعادلة (4):
لذلك، فإن تحقيق التعويض المطلوب يعتمد على التحكم الدقيق في تيار خرج SVG لتلبية متطلبات المعادلة (3).
من الوصف أعلاه لمبدأ تشغيل SVG، يتضح أنه إذا كان SVG سيحاول كبح توافقيات الحمل بالإضافة إلى تعويض القدرة التفاعلية، فإنه يحتاج فقط إلى توليد التيارات التوافقية المقابلة. وبالتالي، يمكن ل SVG تحقيق هدفين مزدوجين في الوقت نفسه: تعويض التيار التفاعلي وتخفيف التيار التوافقي.
يمكن استخدام خوارزميات كشف توافقي مختلفة لهذا الغرض، مثل الكشف الانتقائي الانتقائي القائم على الإحداثيات الدوراني، وتحويل فورييه السريع (FFT)، ونظرية القدرة التفاعلية اللحظية، وغيرها.
III. الملاحظة الميدانية وتحليل المشكلات
أ. دراسة حالة: مصنع ورق في الصين
يتم تزويد المنشأة بشبكة بجهد 35 كيلو فولت عبر محولين رئيسيين بجهد 10 كيلو فولت (واحد نشط والآخر في وضع الاستعداد). تخدم ناقلة 10 كيلوفولت ~60 وحدة تغذية ووحدتين ذاتية التوليد. تشمل الأحمال غير الخطية الرئيسية مقومات ثاني أكسيد الكلور، ومقومات الكلور-القلويات، وVFDs، التي تولد توافقيات خامسة وسابعة سائدة، مع تجاوز الخامسة حدود المنفعة.
الشكل 4: مخطط النظام الأساسي لمصدر الطاقة في الموقع
تم تركيب ناقل SVG بجهد 10 كيلو فولت / 5 ميفارت على ناقل 10 كيلو فولت لتخفيف الهارمونيك الخامس. تظهر بيانات ما بعد التكليف (الجدول 2):
الجدول 2: تأثيرات التعويض التوافقي
بينما انخفضت التوافقيات على جانب النظام، ارتفع إجمالي تيار التوافقي الخامس من 93 أمبير إلى 152 أمبير — بزيادة 63٪ — رغم حد تعويض SVG البالغ 96 أمبير.
أكدت قياسات الجهد التوافقي نجاحا في الكبت عند ناقل 10 كيلو فولت (الشكل 5)، مستبعدة الرنين أو التعويض الزائد.
الشكل 5: توافقيات جهد ناقل 10kV قبل (اليسار) وبعد (اليمين) التعويض
ب. تحليل السبب الجذري
تنبع هذه الظاهرة من مقاومة داخلية غير مهملة ((Z_1)) لنظام الإمداد الضعيف نسبيا. يعتمد التيار التوافقي في الحمل على:
جهد الشبكة ((V))
مقاومة المصدر ((Z_1))
مقاومة التحميل ((Z_2))
قبل التعويض، يسبب التيار التوافقي الذي يمر عبر (Z_1) تشوها في الجهد عند نقطة الاتصال. بعد تعويض SVG، يعود تيار توافقي أقل إلى المصدر، مما يقلل من تشويه الجهد ويزيد فعليا من سعة الدائرة القصيرة الظاهرة للشبكة. وبالتالي، فإن نفس الحمل غير الخطي يسحب تيارا توافقيا أكبر بسبب تحسين جودة الجهد—وهو تأثير موثق جيدا يسمى "تضخيم توافقي" في الشبكات الضعيفة.
الشكل 6: المخطط التخطيطي لمبدأ تعويض SVG التوافقي
IV. التحقق من صحة المحاكاة
تم بناء نموذج Simulink لنظام 10 كيلو فولت (الشكل 7)، مع تنفيذ وحدة تحكم SVG كدالة S مبنية على C (الشكل 8). تكون الحمل من مقوم ثنائي ثلاثي الطور مع مفاعلات إدخال ومخرج RC.
الشكل 7: محاكاة سيمولينك لتعويض الشبكة التوافقية SVG بجهد 10 كيلو فولت
الشكل 8: إعدادات وحدة دالة S
تم اختبار سيناريوهين:
(1) نسبة مقاومة المصدر إلى الحمل = 1:10
الشكل 9: شكل موجة نتيجة المحاكاة بنسبة مقاومة 1:10
ارتفع تيار الحمل التوافقي من 81.63٪ إلى 85.09٪ THD
انخفضت التوافقيات في جهد النظام والتيار بشكل كبير
الجدول 3: مقارنة بين توافقيات التغذية الأمامية قبل وبعد تعويض التوافقيات مع نسبة المعاوقة 1:10
(2) نسبة المقاومة = 1:1 (شبكة أضعف)
الشكل 10: شكل موجة نتيجة المحاكاة بنسبة مقاومة 1:1
ارتفع تيار الحمل التوافقي إلى 105.31٪ THD
يؤكد أن الشبكات الأضعف تزيد من تضخيم التوافقي على جانب الحمل
تظهر الموجات (الأشكال 9–10) بوضوح تشويه تيار الحمل الصاعد رغم وجود موجات أنظف على جانب النظام.
الجدول 4: مقارنة بين توافقيات التغذية الأمامية قبل وبعد تعويض التوافقيات مع نسبة المقاومة 1:1
خامسا: الخاتمة
تظهر هذه الدراسة أنه بينما تقلل وحدات SVG عالية الجهد التوافقيات على جانب النظام بشكل فعال، إلا أنها قد تزيد عن غير قصد من التيارات التوافقية على جانب الحمل في سيناريوهات الشبكة الضعيفة بسبب تحسين جودة الجهد. يزداد التأثير حدة مع انخفاض نسبة مقاومة المصدر إلى مقاومة الحمل.
لذلك، عند تصميم أنظمة التعويض التوافقي:
لا تقم بقياس سعة SVG فقط بناء على توافقيات الحمل المقاسة
ضع في الاعتبار قوة الشبكة (سعة الدائرة القصيرة) وخصائص المعاوقة
فكر في حلول هجينة (مثل SVG + مرشحات سلبية) للتطبيقات الحرجة
توفر هذه النتائج إرشادات قيمة لنشر التخفيف التوافقي القائم على SVG بأمان وفعالية في أنظمة الطاقة الصناعية.
.jpg?imageView2/1/format/webp)
مرحبا بكم في Inquire