في تشغيل شبكات الجهد المنخفض (مثل الورش الصناعية، وأنظمة توزيع الطاقة الزراعية، وإمدادات الطاقة في المجمعات التجارية)، يُعدّ تعويض القدرة التفاعلية مقياسًا أساسيًا لتحسين معامل القدرة، وتقليل خسائر الخطوط، وتحسين جودة الطاقة. حاليًا، تُستخدم بنوك المكثفات المتوازية على نطاق واسع لتعويض القدرة التفاعلية في شبكات الجهد المنخفض. يُحدد اختيار أساليب تعويض القدرة التفاعلية المناسبة والحساب الدقيق لسعة تعويض القدرة التفاعلية بشكل مباشر الفوائد الاقتصادية لنظام التعويض والكفاءة التشغيلية الإجمالية للشبكة. تتناول هذه المقالة بالتفصيل الحلول العملية لتعويض القدرة التفاعلية في شبكات الجهد المنخفض من أربعة أبعاد رئيسية:
- القيمة الأساسية لتعويض القدرة التفاعلية
- مقارنة بين ثلاث طرق مثالية لتعويض القدرة التفاعلية
- طريقة حساب دقيقة لسعة تعويض القدرة التفاعلية
- استراتيجية تطبيق شاملة لتعويض القدرة التفاعلية
1. تعويض القدرة التفاعلية: الدعم الأساسي لتشغيل
في شبكات الجهد المنخفض، تستهلك الأحمال الحثية، مثل المحركات والمحولات وآلات اللحام، طاقة تفاعلية كبيرة، مما يؤدي إلى انخفاض معامل القدرة. لا يقتصر هذا على زيادة خسائر النحاس في خطوط النقل، بل يشغل أيضًا سعة المحول (بسبب الطاقة التفاعلية)، مما يحد من نقل الطاقة الفعالة. يعالج تعويض الطاقة التفاعلية هذه التحديات بتوفير طاقة تفاعلية في الموقع (تتطلبها الأحمال الحثية) عبر مجموعات مكثفات متوازية. تتجلى قيمته الأساسية في ثلاثة جوانب:
1. تحسين معامل القدرة لتجنب العقوبات المتعلقة بالقدرة
وفقًا لقواعد أعمال إمداد الطاقة ، يخضع المستخدمون الصناعيون الذين يقل معامل قدرتهم عن 0.9 لغرامات تعديل معامل القدرة. ويمكن تجنب هذه الغرامات تمامًا بزيادة معامل القدرة إلى ما بين 0.9 و0.95 عبر تعويض القدرة التفاعلية. وفي بعض المناطق، قد يحصل المستخدمون الذين يتجاوز معامل قدرتهم 0.95 على خصومات أو مكافآت على فواتير الكهرباء.
2. تقليل خسائر الخطوط لتحقيق أقصى استفادة من
تتناسب خسائر الخطوط طرديًا مع مربع التيار التفاعلي. يُقلل تعويض القدرة التفاعلية من انتقال التيار التفاعلي، مما يُقلل خسائر الخطوط. على سبيل المثال:
خذ بعين الاعتبار شبكة كهرباء منخفضة الجهد مجهزة بمحول بقوة 1000 كيلو فولت أمبير وتعمل لمدة 8000 ساعة سنويًا.
- بعد تنفيذ تعويض الطاقة التفاعلية، يمكن أن يصل توفير الكهرباء السنوي إلى 50000-150000 كيلووات ساعة، وهو ما يعادل 30000-90000 يوان صيني (أو حوالي 4200-12600 دولار أمريكي) في توفير تكاليف الكهرباء (بناءً على متوسط أسعار الكهرباء الصناعية).
3. تحرير سعة المحولات لتقليل تكاليف
يُقلل تعويض القدرة التفاعلية من شغل الأحمال التفاعلية لسعة المحول. على سبيل المثال:
- محول 1000 كيلو فولت أمبير مع معامل قدرة 0.8 يوفر 800 كيلو وات فقط من الطاقة النشطة.
- بعد التعويض (زيادة معامل القدرة إلى 0.95)، يرتفع خرج الطاقة النشط إلى 950 كيلو وات، مما يلغي الحاجة إلى توسيع سعة المحول لتلبية متطلبات الحمل المتزايدة.
ثانيًا: ثلاث طرق مثالية لتعويض القدرة التفاعلية لشبكات الجهد المنخفض
يُصنف تعويض القدرة التفاعلية في شبكات الجهد المنخفض بشكل أساسي إلى ثلاثة أنواع: تعويض القدرة التفاعلية المركزي، وتعويض القدرة التفاعلية المجمع، وتعويض القدرة التفاعلية الفردي. تختلف كل طريقة في السيناريوهات المُطبقة والأداء، مما يتطلب مرونة في الاختيار بناءً على بنية الشبكة وتوزيع الأحمال.
1. تعويض القدرة التفاعلية المركزية: حل عالمي لتطبيقات
1.1 التعريف
تُركَّب مجموعات المكثفات على ناقل الجهد المنخفض (مثل ناقل 380 فولت) في محطة فرعية مخصصة للمستخدم أو غرفة توزيع. يُعوِّض هذا النظام مركزيًا خسائر الطاقة التفاعلية في المحولات وخطوط النقل عالية الجهد، ويُشكِّل "التكوين الأساسي" لتعويض الطاقة التفاعلية لشبكة الجهد المنخفض.
1.2 الخصائص الأساسية
1.3 السيناريوهات القابلة للتطبيق
- المستخدمون الصناعيون الذين لديهم قدرة محولات كبيرة ( 500 كيلو فولت أمبير وما فوق ) وخطوط توزيع الجهد المنخفض القصيرة (الورش ضمن مسافة 500 متر من المحطة الفرعية).
- السيناريوهات ذات الأحمال المركزة، مثل أنظمة الري الزراعية وشبكات الصناعة الريفية.
1.4 المعلمات الرئيسية
- قدرة تعويض القدرة التفاعلية: 1/3–2/3 من متوسط الطلب على القدرة التفاعلية للشبكة (لتجنب التعويض الزائد).
- معامل القدرة المستهدف: 0.9–0.95 (صناعي) ؛ 0.85–0.9 (زراعي) .
2. تعويض القدرة التفاعلية المجمعة: حل مقسم إلى مناطق لنقاط الأحمال المتعددة
2.1 التعريف
تُركَّب مجموعات المكثفات في صناديق توزيع الورش أو فروع خطوط الجهد المنخفض الرئيسية (بناءً على توزيع الأحمال التفاعلية). يُنشئ هذا نظام "تعويض موزع متعدد العقد"، يُوازن بين مزايا التعويض المركزي والفردي.
2.2 الخصائص الأساسية
مثال: قام مصنع للآلات بتثبيت مجموعات مكثفات مجمعة في صناديق التوزيع الخاصة بورش الختم واللحام، مما أدى إلى تقليل خسائر الخطوط الفرعية بنسبة 22% مقارنة بالتعويض المركزي.
2.3 السيناريوهات القابلة للتطبيق
- شبكات الجهد المنخفض ذات الورش المتعددة والأحمال المتفرقة (على سبيل المثال، المصانع الكبيرة والمتنزهات الصناعية) والحمل المستقر لكل ورشة.
- الشبكات ذات خطوط التوزيع الطويلة ذات الجهد المنخفض (الورش > 500 متر من المحطة الفرعية )، حيث يفشل التعويض المركزي في تغطية الأحمال النهائية.
2.4 المعلمات الرئيسية
- نقطة التعويض المثالية: 2/3 من إجمالي طول الخط (تعظيم كفاءة توفير الطاقة، حتى 88%+ ).
- قدرة التعويض: 1/2–4/5 من الطلب الكامل للتعويض لخط الفرع (الطلب الكامل = القدرة على رفع عامل القدرة إلى 1).
3. تعويض القدرة التفاعلية الفردية: حل دقيق للمعدات عالية القدرة
3.1 التعريف
تُركَّب مجموعات المكثفات مباشرةً بالقرب من الأحمال الحثية عالية القدرة (مثل المحركات/آلات اللحام بقدرة ≥ 10 كيلوواط ) لتعويض خسائر الطاقة التفاعلية للمعدات نفسها. تُعد هذه الطريقة الأكثر كفاءة لتعويض الطاقة التفاعلية في شبكات الجهد المنخفض.
3.2 الخصائص الأساسية
على سبيل المثال: بالنسبة لمحرك بقوة 200 كيلو وات، يقلل تعويض القدرة التفاعلية الفردي من خسائر القدرة التفاعلية السنوية عبر رابط المعدات بالكامل بما يزيد عن 10000 كيلو وات في الساعة ، مع فترة استرداد استثمار تبلغ 1-2 سنة فقط.
3.3 السيناريوهات القابلة للتطبيق
- المحركات عالية القدرة (≥ 10 كيلو وات) تعمل بشكل مستمر ( 8+ ساعات / يوم )، مثل المراوح ومضخات المياه والضواغط.
- الأحمال الخاصة ذات التقلبات الكبيرة ولكن المركزة في القدرة التفاعلية (على سبيل المثال، آلات اللحام، وأفران القوس).
3.4 المعلمات الرئيسية
- حساب سعة التعويض: يجب أن تكون ≤ نتيجة "√3 × الجهد المقدر للمحرك (كيلو فولت) × تيار عدم التحميل للمحرك (كيلو أمبير)" (√3 ≈ 1.732، لتحويل الدائرة ثلاثية الطور).
- تقدير التيار بدون حمل (إذا كانت البيانات غير متوفرة): ~ 30-40% من التيار المقدر (للمحركات ذات معامل القدرة 0.85)؛ ~ 35-45% من التيار المقدر (للمحركات ذات معامل القدرة 0.75-0.8).
ثالثًا. حساب دقيق لقدرة تعويض القدرة التفاعلية
دقة حساب قدرة تعويض القدرة التفاعلية أمر بالغ الأهمية:
- تعويض أقل من اللازم : يفشل في تلبية متطلبات معامل القدرة (لا يزال عرضة للعقوبات).
- التعويض الزائد : يسبب تلف ناقل الحركة العكسي للطاقة التفاعلية والمعدات (على سبيل المثال، انهيار عزل المحرك).
فيما يلي طرق الحساب لكل نوع من أنواع التعويض:
1. قدرة تعويض القدرة التفاعلية المركزية (بناءً على متوسط الحمل الشهري)
الخطوة 1: قياس متوسط معامل القدرة
ركّب عداد طاقة نشط (يسجل الطاقة النشطة شهريًا: كيلوواط/ساعة) وعداد طاقة تفاعلية (يسجل الطاقة التفاعلية شهريًا: كيلوفولت أمبير/ساعة) عند مخرج الجهد المنخفض للمحول. احسب باستخدام:
متوسط معامل القدرة = 1 / √[1 + (القدرة التفاعلية الشهرية / القدرة النشطة الشهرية)²]
مثال : إذا كانت القدرة النشطة الشهرية = 100000 كيلوواط ساعة والقدرة التفاعلية الشهرية = 80000 كيلو فولت أمبير ساعة، فإن معامل القدرة المتوسط ≈ 0.78.
الخطوة 2: تحديد معامل القدرة المستهدف
- المستخدمون الصناعيون: 0.9–0.95
- المستخدمون الزراعيون: 0.85–0.9
الخطوة 3: حساب قدرة التعويض
احصل على "معدل تعويض القدرة التفاعلية" (كيلو فار/كيلو واط) من جداول الصناعة (على سبيل المثال، 0.473 كيلو فار/كيلو واط لمعامل القدرة 0.78 → 0.95).
- حساب متوسط القدرة النشطة: القدرة النشطة الشهرية ÷ 720 ساعة (متوسط وقت التشغيل الشهري).
- قدرة التعويض = متوسط القدرة الفعالة × معدل تعويض القدرة التفاعلية.
- مثال : متوسط القدرة الفعالة = 100,000 كيلوواط ساعة ÷ 720 ساعة ≈ 138.9 كيلوواط؛ سعة التعويض = 138.9 كيلوواط × 0.473 كيلوفارام/كيلوواط ≈ 66 كيلوفارام (تقريبًا إلى السعة القياسية).
2. قدرة تعويض القدرة التفاعلية الفردية (بناءً على خصائص عدم التحميل للمحرك)استخ
دم نفس المنطق مثل "المعلمات الرئيسية" للتعويض الفردي:
سعة التعويض ≤ √3 × الجهد المقدر للمحرك (كيلو فولت) × تيار عدم التحميل للمحرك (كيلو أمبير)
إذا لم تكن بيانات التيار بدون تحميل متاحة، فاستخدم إحدى طريقتي التقدي
طريقة عزم الدوران الأقصى المتعددة :
التيار بدون حمل = التيار المقدر × [sin(φₙ) – cos(φₙ) / (2×b)]
- φₙ = معامل القدرة المقدر للمحرك (على سبيل المثال، sin(0.85) ≈ 0.527)
- ب = أقصى عزم دوران مضاعف (1.8–2.2، من مواصفات المحرك).
الصيغة التجريبية :
التيار بدون حمل = التيار المقدر × cos(φₙ) × [2.26 – (K×cos(φₙ))]
- K = 2.1 (أو 2.15 إذا كان cos(φₙ) > 0.85).
3. قدرة تعويض القدرة التفاعلية المجمعة (بناءً على توزيع حمل الخط)
اتبع المبادئ الأساسية التالية:
- خط فرعي واحد : نقطة التعويض عند 1/2–4/5 من طول الخط؛ السعة = 1/2–4/5 من الطلب الكامل على التعويض.
- خطوط فرعية متعددة : احسب السعة لكل فرع على حدة؛ السعة الإجمالية = مجموع سعات الفروع (يتجنب انتقال الطاقة التفاعلية العكسي بين الفروع).
رابعًا: استراتيجية تطبيق شاملة لتعويض القدرة التفاعلية
لا يمكن لطريقة تعويض واحدة أن تغطي جميع سيناريوهات شبكات الجهد المنخفض. نوصي باستراتيجية هرمية :
- إعطاء الأولوية للتعويضات الفردية
نشر مجموعات مكثفات فردية للأحمال المستمرة عالية الطاقة (محركات ≥ 10 كيلو وات، آلات اللحام) لتقليل الخسائر التفاعلية عبر رابط المعدات بالكامل.
- الملحق مع التعويض المجمع
قم بتثبيت أنظمة مجمعة في صناديق توزيع الورشة لتغطية الأحمال المتوسطة / الصغيرة (محركات 5-10 كيلو واط، والإضاءة، والمقابس) وملء الفجوات التي خلفتها التعويضات الفردية.
- النسخ الاحتياطي مع التعويض المركزي
استخدم التعويض المركزي على ناقل الجهد المنخفض للمحطة الفرعية من أجل:
- تعويض الخسائر التفاعلية للمحولات وخطوط الجهد العالي.
- ضبط السعة بشكل ديناميكي أثناء تقلبات الحمل المحلية (يعمل كنسخة احتياطية للأنظمة المجمعة/الفردية).
النتيجة: لا يوجد تعويض للقدرة التفاعلية يناسب الجميع
تعتمد طريقة تعويض القدرة التفاعلية "الأفضل" على الظروف الخاصة بالشبكة، بما في ذلك:
- نوع الحمل (نسبة الأحمال الحثية، طاقة المعدات).
- طول الخط (مسافة الفرع، الطول الإجمالي للخط الرئيسي).
- ظروف التشغيل (تردد بدء وإيقاف المعدات، نطاق تقلب الحمل).
سواء اخترت التعويض المركزي (الحماية العالمية)، أو المجمع (التحسين المقسم إلى مناطق)، أو التعويض الفردي (كفاءة الدقة)، فإن الهدف الأساسي هو تحقيق التوازن بين الامتثال لمعامل القدرة ، وتقليل خسائر الخطوط ، والتحكم في تكاليف الاستثمار من خلال التصميم العلمي.
