في إنتاج مناجم الفحم، تُولّد معدات مثل أجهزة الجرّ الثايرستورية والمحوّلات كبيرة الحجم عددًا كبيرًا من الأحمال غير الخطية. يمكن أن يصل التيار التوافقي إلى آلاف الأمبيرات، مما يؤدي إلى معدل تشويه تيار الشبكة يتجاوز 50%. هذا لا يُسبب فقط فقدانًا في الطاقة بسبب ارتفاع درجة الحرارة وتقصير عمر المعدات، بل يُؤدي أيضًا إلى خلل في نظام الحماية، مما يُشكّل مخاطر محتملة على السلامة. بصفته جهازًا أساسيًا للتحكم في التوافقيات، يُمكن لمرشح الطاقة النشط (APF) التحكم في معدل تشويه تيار الشبكة بنسبة تصل إلى 5%، ويعتمد أداؤه على تصميم معلماته الأساسية. تُركّز هذه المقالة على المعلمتين الرئيسيتين لجهد ناقل التيار المستمر ومفاعل الإدخال لمرشح الطاقة النشط (APF)، وتُحلّل منطق التحسين المُدمج مع بيانات المحاكاة والبيانات التجريبية لتوفير مرجع للتشغيل المستقر لشبكات الطاقة في مناجم الفحم.
1. فهم أساسيات APF: الطوبولوجيا والمكونات الأساسية
في السيناريوهات الصناعية، يُستخدم مُرشِّح APF ثنائي المستوى على نطاق واسع. يعتمد هيكله على مصدر طاقة تيار متردد ثلاثي الطور كمدخل، ويربط شبكة الطاقة والأحمال غير الخطية عبر مفاعل إدخال، ويستخدم مكثف تيار مستمر لتخزين الطاقة، ومكثف مرشح تمرير عالي للترشيح المساعد. وبالتعاون مع ذراع الجسر المُكوَّن من أجهزة تبديل الطاقة، يُحقق إلغاءً دقيقًا للتيارات التوافقية.
من منظور علاقات العمل، يجب أن يفي تشغيل مُفاعل الجهد المُباشر (APF) بمنطقين أساسيين: 1. يتناسب حاصل ضرب معدل تغير تيار التعويض ثلاثي الأطوار الصادر من مُفاعل الجهد المُباشر (APF) ومفاعل الدخل مباشرةً مع القيمة المُصححة لحالة تبديل ذراع الجسر، وجهد ناقل التيار المستمر، والقوة الدافعة الكهربائية للشبكة؛ 2. يعتمد حاصل ضرب مكثف جانب التيار المستمر في معدل تغير جهد ناقل التيار المستمر على العلاقة بين حالة تبديل كل ذراع جسر طور وتيار الطور المُقابل. من بين هذه العوامل، يُحدد مُفاعل الدخل سرعة تتبع مُفاعل الجهد المُباشر (APF) للتوافقيات، ويُوفر جهد ناقل التيار المستمر "دعمًا للطاقة" لتيار التعويض، ويُستخدم مكثف جانب التيار المستمر لموازنة تقلبات الجهد، مع مراعاة كل من استقرار التشغيل وتكلفة المعدات.
2. المعلمة الرئيسية الأولى لـ APF: تأثير جهد ناقل التيار المستمر على التعويض
يُعد جهد ناقل التيار المستمر لـ APF "أساس الطاقة" لإخراج تيار التعويض، مما يؤثر بشكل مباشر على سرعة تتبع التيار ودقة إلغاء التوافقيات. من خلال مقارنة المحاكاة والتجربة، يتضح تأثيره على أداء APF بوضوح.
2.1 العلاقة المتوازنة بين الجهد وسرعة التتبع
في حال ثبات جهد الشبكة وقيمة مفاعل الإدخال، تزداد سعة تغيير التيار لمرشح الطاقة (APF) بزيادة جهد ناقل التيار المستمر: فعندما يكون الجهد 1020 فولت، لا يستغرق التيار سوى 4 دورات أخذ عينات ليتتبع الأمر التوافقي بالكامل؛ وعندما ينخفض الجهد إلى 720 فولت، يمتد وقت التتبع إلى 5 دورات أخذ عينات. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن الجهد العالي جدًا سيؤدي إلى زيادة تجاوز التيار، مما يؤدي بدوره إلى تقلبات فورية في شبكة الطاقة ويؤثر على استقرار تعويض مرشح الطاقة (APF).
2.2 التحقق من نطاق الجهد الأمثل
لتحديد جهد التشغيل الأمثل لـ APF، قمنا بضبط تردد أخذ العينات وتردد التبديل لـ APF على 12.5 كيلوهرتز، ومفاعل الإدخال على 1.5 مللي أمبير، وجهد الشبكة على 360 فولت. اختبرنا تأثير التعويض على التوافقيات المميزة من رتبة 6 كيلوهرتز ± 1 (الخامس، السابع، الحادي عشر، إلخ) عند جهد مختلف.
- 650 فولت: معدل التشوه الإجمالي هو 3.88%، ومعدلات التشوه للتوافقيات الخامسة والسابعة والحادية عشرة هي 1.52% و1.41% و1.42% على التوالي؛
- 720 فولت: معدل التشوه الإجمالي هو 3.58%، ومعدل التشوه لكل توافقي أقل من 1.3%، وينخفض تيار الشبكة (لكل قيمة وحدة) إلى 0.6156، مما يُظهر أفضل تأثير تعويض؛
- 790 فولت: يرتفع معدل التشوه الإجمالي مرة أخرى إلى 3.74%، وترتفع بعض المكونات التوافقية.
ومن هذا يمكن ملاحظة أن حوالي 720 فولت هو النطاق الأمثل لـ APF لموازنة سرعة تتبع التيار ودقة التعويض، والتي يمكنها التكيف بدقة مع احتياجات التحكم في التوافقيات المميزة 6k±1-order في شبكة الطاقة في مناجم الفحم.
3. المعلمة الرئيسية 2 من APF: النقاط الرئيسية لاختيار مفاعل الإدخال
مفاعل الإدخال في مُحسِّن الجهد الكهربي (APF) يُعادل "مُخزِّن تيار"، وظيفته الأساسية هي كبح تموج تيار التعويض وتثبيت معدل تغير التيار. سيؤثر الاختيار الخاطئ بشكل مباشر على أداء مُحسِّن الجهد الكهربي:
3.1 التأثير ثنائي الاتجاه لقيمة المفاعل على APF
من الممكن استنتاج من العلاقة الرئيسية للدائرة APF أن مفاعل الإدخال يتناسب عكسياً مع معدل التغير الحالي:
- صغير جدًا (1mH): يتمتع APF بسرعة تتبع سريعة للتيارات التوافقية المفاجئة (لا يلزم سوى 3 دورات وحدة)، ولكن تموج التيار يزداد بشكل كبير، وتزداد المكونات عالية التردد في طيف التردد، مما يؤدي إلى انخفاض "نقاء" تيار التعويض؛
- كبير جدًا (3 مللي أمبير): على الرغم من أنه يمكنه تصفية التموجات عالية التردد بشكل فعال وأن تأثير التتبع في المنطقة غير المفاجئة مستقر، إلا أن قدرة الاستجابة للتيارات المفاجئة تضعف، ويكون التيار عرضة لذروة "أذن القط"، مما يؤدي إلى ضعف أداء التعويض الديناميكي؛
- ١.٥ ملي أمبير: يُوازن بين مزايا التتبع السريع والتموج المنخفض. بعد التعويض، يبلغ معدل التشوه الكلي لتيار الشبكة ٣.٤٢٪ فقط، ولا توجد قمم واضحة، مما يجعله الخيار الأمثل.
3.2 تحسين طريقة الاختيار: طريقة قيمة الجهد المتوسط
تُصمَّم طرق اختيار المفاعلات التقليدية (مثل طريقة تحويل الإحداثيات وطريقة تحديد أعلى توافقية) في الغالب لتوافقية واحدة، متجاهلةً متطلبات التعويض الشاملة للتوافقيات متعددة الترددات. بناءً على "طريقة قيمة الجهد الأدنى"، نقترح "طريقة قيمة الجهد المتوسط". بدمج معدل تغير تيار الحمل (القيمة القصوى حوالي 7.0) ومعلمات عمل APF، نحصل على علاقة الاختيار: يجب أن تكون قيمة المفاعل أقل من أو تساوي نسبة "4 أضعاف جهد ناقل التيار المستمر" إلى حاصل ضرب "9 أضعاف معدل تغير تيار الحمل، ونسبة 2 أضعاف الجذر التربيعي لـ 3 إلى π، والتردد الزاوي للشبكة، وحاصل ضرب الجذر التربيعي لـ 3/2 في تيار الحمل".
عندما يكون جهد ناقل التيار المستمر 720 فولت ويكون تيار تعويض APF 20 أمبير (يقابل تيار حمل يبلغ حوالي 66.7 أمبير)، تكون قيمة المفاعل المحسوبة حوالي 1.5 مللي هيرتز، وهو ما يتوافق تمامًا مع نتائج المحاكاة ويمكن أن يتكيف مع سيناريو الحمل المعقد لمناجم الفحم.
4. التحقق التجريبي: التأثير العملي لتحسين معاملات APF
للتحقق من اكتمال تحسين المعاملات، قمنا ببناء منصة تجريبية لمحاكاة شبكة كهرباء منجم الفحم: جهد الشبكة ثلاثي الطور هو 380 فولت، ومفاعل جانب APF هو 1.5 مللي أمبير، وجهد ناقل التيار المستمر هو 720 فولت، وتردد أخذ العينات/التبديل هو 12.5 كيلوهرتز، واستُخدمت مقاومة 8Ω لمحاكاة الحمل غير الخطي، واستُخدم معالج الإشارة الرقمية TMS320X2812 كنواة تحكم. تُجمع البيانات من خلال مستشعرات LEM ومحللات التوافقيات FLUKE.
4.1 التعويض التقليدي: انخفاض كبير في معدل التشويه
عندما يتم تشغيل APF وإيقاف تشغيله تحت التصحيح غير المنضبط، تظهر البيانات ما يلي: عندما لا يتم وضع APF موضع الاستخدام، يصل معدل تشويه تيار الشبكة إلى 25٪؛ بعد وضعه موضع التشغيل، ينخفض المعدل إلى 3.9٪، ويكون شكل الموجة الحالية سلسًا بدون تقلبات واضحة، مما يُظهر تأثير إلغاء التوافقيات الكبير.
4.2 التغيير المفاجئ في الحمل: استجابة ديناميكية مستقرة
عند محاكاة سيناريو التغيير المفاجئ في الحمل في مناجم الفحم (زيادة الحمل المفاجئة: المقاومة من 16Ω إلى 8Ω؛ انخفاض الحمل المفاجئ: المقاومة من 8Ω إلى 16Ω)، تظهر النتائج أن وقت استجابة النظام لـ APF أقل من 20 مللي ثانية (دورة تردد الطاقة 1)، فإن جهد ناقل التيار المستمر مستقر دون انخفاض أو تجاوز واضح، ويمكنه التكيف مع طلب التشغيل المتكرر وإيقاف تشغيل معدات منجم الفحم.
5. الاستنتاج: تحسين معلمات APF يحمي شبكة طاقة مناجم الفحم
مُفاعل APF هو جهاز أساسي للتحكم التوافقي وتعويض القدرة التفاعلية في شبكات كهرباء مناجم الفحم. يكمن سر تحسين أدائه في التحكم الدقيق في معلمتين أساسيتين: 1. يتم اختيار جهد ناقل التيار المستمر عند 720 فولت لموازنة سرعة تتبع التيار ودقة التعويض؛ 2. مفاعل الإدخال هو 1.5 مللي هيرتز لمراعاة الاستجابة الديناميكية وقمع التموج. بعد التحسين، يمكن لمفاعل APF التحكم في معدل تشوه تيار الشبكة في حدود 4% وزمن الاستجابة الديناميكية في حدود 20 مللي ثانية، مما يلبي تمامًا متطلبات السلامة الإنتاجية في مناجم الفحم.
في المستقبل، ومع زيادة قدرة معدات مناجم الفحم، سيستمر تطوير طوبولوجيا واستراتيجية التحكم في مولد الطاقة المعزز (APF)، إلا أن تحسين المعايير الأساسية سيظل أساسًا لتحسين الأداء. سنواصل تعميق البحث والتطوير في تقنية مولد الطاقة المعزز (APF)، وتوفير حلول حوكمة شبكات الطاقة أكثر كفاءة وموثوقية لمناجم الفحم والمجالات الصناعية الأخرى.
هل ترغب في الحفاظ على معدل التشوه الحالي لشبكة كهرباء منجم الفحم لديك مستقرًا عند أقل من 4%؟ اترك رسالة تتضمن مواصفات جهازك وسيناريو مشروعك لتلقي دليل اختيار مرشحات الجهد العالي (APF) وحلول شراكة حصرية. شركة هينجرونج للكهرباء المحدودة تساعد شبكات الطاقة على العمل بأمان وكفاءة!