APF في UPQC: الحل الأساسي لتحسين جودة شبكة الطاقة المترددة

في شبكات الطاقة الصناعية ذات التيار المتردد، غالبًا ما يُسبب الاستخدام الواسع النطاق لأجهزة إلكترونيات الطاقة، مثل المُقوِّمات والدوائر التي تُتحكم بها الثايرستور، مشاكل في جودة الطاقة، مثل التشوه التوافقي، واختلال توازن القدرة التفاعلية، وتقلبات الجهد. لا تُفاقم هذه المشاكل خسائر المعدات فحسب، بل قد تُؤدي أيضًا إلى انقطاعات في الإنتاج. يعمل مُرشِّح الطاقة النشط (APF) ، باعتباره المُكوِّن الأساسي لمُكيِّف جودة الطاقة المُوحَّد (UPQC) ، بتناغم مع مُكيِّف جودة الطاقة المُوحَّد (UPQC) لتوفير حل شامل لمشاكل جودة الطاقة. من خلال الجمع بين بيانات الاختبارات المعملية، تُفصِّل هذه المقالة كيفية تمكين مُكيِّف الطاقة النشط (APF) لـ UPQC من توفير ضمان جودة طاقة مستقر وفعال لشبكات الطاقة ذات التيار المتردد، مُغطِّيةً الموقع الوظيفي لمُكيِّف جودة الطاقة المُوحَّد (APF)، والتصميم الطوبولوجي، وتأثيرات التعويض، والنقاط الرئيسية للتطبيق.

نقاط ضعف شبكة الطاقة المترددة: حلول مستهدفة من A

تواجه شبكات الطاقة الصناعية ذات التيار المتردد مشكلاتٍ معقدة ومتنوعة في جودة الطاقة، يصعب معالجتها بالكامل بجهاز واحد. وبصفتها الوحدة الوظيفية الأساسية في نظام UPQC، يُمكن لـ APF معالجة نقاط الضعف الرئيسية التالية بدقة:

1. التلوث التوافقي: يقلل APF من خسائر

تُولّد الأحمال غير الخطية، مثل المُقوِّمات ومُحوِّلات التردد، توافقياتٍ ذات ترتيبٍ فردي (الثالث، الخامس، السابع، إلخ)، مما يزيد بشكلٍ كبير من التشوه التوافقي الكلي للتيار (THDi). تُظهر الاختبارات المعملية أن التشوه التوافقي الكلي لحمل مُقوِّم جسري بستة نبضات يصل إلى 27%، حيث يُمثل التوافقي الثالث 14.19%، والتوافقي الخامس 21.35%، والتوافقيان الثالث عشر والخامس عشر يتجاوز كلٌ منهما 2%. يُؤدي ارتفاع محتوى التوافقيات إلى زيادة خسائر قلب الحديد في المحركات والمحولات، ويُسرِّع من شيخوخة العزل، ويرفع معدلات فشل المعدات بأكثر من 30%. ومع ذلك، يُمكن لمُقوِّم APF جمع تيار الحمل في الوقت الفعلي، وتوليد تيارٍ مُعاوضٍ بنفس المقدار ولكن في اتجاهٍ مُعاكس لتيار التوافقيات، وإلغاء التوافقيات بشكلٍ أساسي لمنع تلف المعدات الناتج عن التوافقيات.

2. اختلال توازن القدرة التفاعلية: يُحسّن مُعامل

تستهلك الأحمال الصناعية (مثل المحركات غير المتزامنة والمفاعلات) كميات كبيرة من الطاقة التفاعلية، مما يؤدي إلى انخفاض معامل قدرة الشبكة. تشير البيانات المخبرية إلى أن معامل القدرة ثلاثي الأطوار لحمل غير خطي من نوع RL هو 0.96 (الطور أ)، و0.90 (الطور ب)، و0.83 (الطور ج) على التوالي، مع أقل قيمة أقل بكثير من المعيار 0.9 المطلوب للمستخدمين الصناعيين. لا يُعرّض انخفاض معامل القدرة المؤسسات لغرامات رسوم الكهرباء فحسب، بل يزيد أيضًا من تيار الشبكة، مما يزيد من خسائرها بنحو 35%. يمكن لمرشح القدرة التلقائي (APF ) (وخاصةً مرشح القدرة التلقائي المجزأ في UPQC) اكتشاف الطلب على الطاقة التفاعلية في الوقت الفعلي، وإخراج تيار التعويض التفاعلي بسرعة، وزيادة معامل القدرة بشكل موحد إلى أكثر من 0.95، مما يتجنب الغرامات ويقلل خسائر الشبكة.

3. مشاكل الجهد: يضمن APF إمدادًا

غالبًا ما تعاني شبكات الطاقة المترددة من انخفاض الجهد وتقلباته وعدم تماثل ثلاثي الأطوار. تُظهر المحاكاة المخبرية أنه عند انخفاض جهد الشبكة بنسبة 10% (مدة 200 مللي ثانية)، تتعطل المعدات الدقيقة (مثل أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة). وإذا انخفض جهد الطور B بنسبة 20% والطور C بنسبة 40%، فإن ذلك يُسبب أيضًا اختلالًا في تيار الحمل ثلاثي الأطوار وضوضاء تشغيل غير طبيعية للمحرك. يُمكن لمُرشِّح الجهد المتسلسل في UPQC حقن جهد تعويضي بسرعة في الشبكة من خلال مُحوِّل حقن متسلسل لتعويض انخفاض الجهد وتقلباته، مما يُثبِّت جهد جانب الحمل ضمن ±2% من القيمة المُصنَّفة، ويضمن التشغيل المستمر لمعدات الإنتاج.

II. جوهر طوبولوجيا UPQC: التقسيم الوظيفي والمنطق التعاوني لـ APF

UPQC هو في الأساس نظام متكامل من "مرشح طاقة متسلسل + مرشح طاقة تحويلي"، مع تفاعل طاقة يتحقق عبر وصلة تيار مستمر. يُحدد التصميم الطوبولوجي والتقسيم الوظيفي لمرشح الطاقة المتسلسل فعالية إدارة جودة الطاقة بشكل مباشر.

1. الأدوار المزدوجة لـ APF: التعاون بين التكوينات التسلسلية والتحويلية

يتكون UPQC من عاكسي مصدر جهد (VSI)، يعملان كمرشح جهد متتالي ومرشح جهد تحويلي على التوالي. وظائفهما المحددة هي كما يلي:

• مُرشِّح القدرة التفاعلية التحويلي : يُوصَل على التوازي مع الحمل، ويجمع تيار الحمل، ويفصل التيار التوافقي عن التيار التفاعلي باستخدام نظرية القدرة التفاعلية اللحظية، ثم يُضخ تيار التعويض العكسي في الشبكة. تشمل وظائفه الأساسية: تصفية توافقيات الحمل (تخفيض معامل القدرة التوافقي من 27% إلى 2.38%)، وتعويض القدرة التفاعلية (زيادة معامل القدرة إلى أكثر من 0.95)، وموازنة التيارات ثلاثية الطور (تحسين تماثل التيار إلى أكثر من 98%).
• مُرشِّح جهد الشبكة التسلسلي (APF) : متصل بالشبكة عبر محول حقن تسلسلي، ويجمع إشارات جهد الشبكة. عند اكتشاف توافقيات الجهد، أو انخفاضها، أو عدم تماثلها، يُولِّد ويُضخّ جهدًا مُعاوضًا بسرعة في الشبكة لضمان استقرار شكل موجة جهد الحمل. على سبيل المثال، إذا احتوى جهد الشبكة على 10% من التوافقية الثالثة، يُمكن لمُرشِّح الجهد التسلسلي حقن جهد التوافقية الثالثة العكسي، مما يُقلِّل التشوه التوافقي الكلي للجهد (THDu) في جانب الحمل من 11.36% إلى 1.89%.
• ميزة التعاون : لا يستطيع مرشح APF واحد حل مشكلة واحدة إلا (على سبيل المثال، لا يستطيع مرشح APF التحويلي التعامل مع انخفاض الجهد). ومع ذلك، فإن مرشحات APF التسلسلية والتحويلية في UPQC تحقق التكامل في الطاقة من خلال مكثفات التيار المستمر، مما يتيح إدارة متزامنة لمشاكل التيار والجهد، ويغطي جميع سيناريوهات تحسين جودة الطاقة.

2. التصنيف الطوبولوجي لـ APF: التكيف مع سيناريوهات

بناءً على الموضع النسبي لـ APF والحمل، يتم تقسيم UPQC إلى نمطين رئيسيين لتلبية احتياجات السيناريوهات الصناعية المختلفة:

• طوبولوجيا UPQC-L : يقع مُرشِّح APF التسلسلي بالقرب من جانب الحمل، ويقع مُرشِّح APF التحويلي بالقرب من جانب الشبكة. يمنع هذا الطوبولوجيا المحول من تحمل التيارات التوافقية والقدرة التفاعلية، ويقلل من خسائر المحول، ويطيل عمره الافتراضي، وهو مناسب للمنشآت الصناعية القديمة ذات سعة المحولات المحدودة.
• طوبولوجيا UPQC-R : يكون مُرشِّح التيار المتناوب (APF) المُتفرِّع قريبًا من جانب الحمل، بينما يكون مُرشِّح التيار المتناوب المُتفرِّع (APF) المُتفرِّع قريبًا من جانب الشبكة. ولأن مُرشِّح التيار المتناوب المُتفرِّع أقرب إلى الحمل، فإنه يتميز بسرعة استجابة أعلى (≤50 ميكروثانية) لتغيرات تيار الحمل، مما يجعله مناسبًا لحالات تقلبات الحمل المتكررة (مثل آلات اللحام، وخطوط إنتاج مكابس التثقيب).
• التكيف ثلاثي الطور بأربعة أسلاك : بالنسبة للشبكات التي تحتاج إلى توصيل الأحمال أحادية الطور وثلاثية الطور (على سبيل المثال، سيناريوهات إمداد الطاقة المختلطة في المناطق الصناعية)، يرسم UPQC خطًا محايدًا من خلال مقسم الجهد في رابط التيار المستمر، مما يضمن أن التوافقيات والطاقة التفاعلية التي تولدها الأحمال أحادية الطور (على سبيل المثال، الإضاءة، والمحركات الصغيرة) يمكن أيضًا تعويضها بدقة بواسطة APF .

ثالثًا: تأثيرات تعويض APF: تم التحقق منها من خلال بيانات

وقد أثبتت الاختبارات المعملية المكثفة التأثيرات التعويضية الممتازة لـ APF في أنظمة UPQC، مع البيانات الرئيسية على النحو التالي:

1. الترشيح التوافقي: يقلل APF بشكل كبير من THD

استُخدم مُقوِّم جسر سداسي النبضات كحمل غير خطي في الاختبار. بدون مُقوِّم الجهد (APF)، كان جهد الحمل (THDu) 11.36% (10% للتوافقية الثالثة، 5% للتوافقية الخامسة، 2% للتوافقية السابعة)، وكان تيار (THDi) 27% (14.19% للتوافقية الثالثة، 21.35% للتوافقية الخامسة، 2.26% للتوافقية الثالثة عشرة). بعد تشغيل مُقوِّم الجهد (APF ):

التوافقيات الجهدية: انخفضت نسبة THDu إلى 1.89%، مع انخفاض التوافقي الثالث إلى 0.42%، والخامس إلى 1.62%، والسابع إلى 1.50%. وكانت نسبة كل توافقي أقل من 2%.

• التوافقيات الحالية: انخفضت THDi إلى 2.38%، مع انخفاض التوافقي الثالث إلى 0.42%، والخامس إلى 1.62%، والثالث عشر إلى 0.19%، وهو ما يتوافق تمامًا مع متطلبات جودة الطاقة وفقًا لمعيار PN-EN 50160.​

2. توازن القدرة التفاعلية والتيار: يعمل نظام APF على تحسين معلمات

بالنسبة للحمل غير المتوازن من نوع RL، بدون مُرشِّح طاقة مُؤقت (APF)، كانت معاملات القدرة ثلاثية الطور 0.96 و0.90 و0.83، مع فرق تيار ثلاثي الطور يتجاوز 20%. بعد تشغيل مُرشِّح الطاقة المُؤقت :

معامل القدرة: تم زيادة جميع معامل القدرة ثلاثية الطور إلى ما يزيد عن 0.95، مما يلبي معيار معامل القدرة للمستخدمين الصناعيين وتجنب غرامات رسوم الكهرباء؛

• توازن التيار: أصبحت أشكال موجات التيار ثلاثية الطور متماثلة، حيث انخفض فرق التيار ثلاثي الطور إلى أقل من 3%. انخفضت خسائر الخط بنحو 30%، وظل جهد وصلة التيار المستمر ثابتًا دون تقلبات واضحة.

3. إدارة الجهد: يعمل APF على استقرار الجهد على جانب الحملقا

م المختبر بمحاكاة مشاكل الجهد المختلفة للتحقق من قدرة التعويض لـ APF :

انخفاض الجهد: عندما انخفض جهد الشبكة بنسبة 10% (المدة: 200 مللي ثانية)، قامت سلسلة APF بحقن جهد تعويضي في غضون 20 مللي ثانية، مما أدى إلى استقرار جهد جانب الحمل عند أكثر من 99% من القيمة المقدرة دون إيقاف تشغيل المعدات؛

• تقلب الجهد: بعد فرض تقلب جهد 2.5 هرتز وسعة 20% على الشبكة، قامت سلسلة APF بتعويض التقلب بسرعة، والتحكم في سعة تقلب الجهد على جانب الحمل في حدود ±2%؛
• عدم التماثل ثلاثي الطور: عند محاكاة انخفاض الجهد بنسبة 20% في الطور B و40% في الطور C، حققت سلسلة APF تعويضًا مستقلاً عن ثلاث مراحل، مما أدى إلى زيادة تماثل الجهد ثلاثي الطور على جانب الحمل إلى أكثر من 98% وضمان تشغيل المحرك بسلاسة دون ضوضاء غير طبيعية.

رابعًا. نقاط التطبيق الرئيسية لـ APF: ضمان التشغيل المستقر لـ UPQC

لإعطاء الدور الكامل لـ APF في UPQC، يجب ملاحظة النقاط الرئيسية التالية للتطبيق بناءً على استنتاجات الممارسة الفنية:

1. اختيار الطوبولوجيا: مطابقة خصائص

• إذا كانت سعة المحول محدودة أو بحاجة إلى زيادة، يُفضّل استخدام طوبولوجيا UPQC-L. يعزل مُصنِّع APF التسلسلي التوافقيات الحملية والقدرة التفاعلية لتقليل حمل المحول.
• إذا كان الحمل يتقلب باستمرار (مثل مكابس التثقيب عالية التردد في خطوط الإنتاج)، فيجب اختيار طوبولوجيا UPQC-R. يُمكّن وجود مُرشِّح APF المُحوّل بالقرب من الحمل من استجابة أسرع للتيار.
• بالنسبة للشبكات ثلاثية الطور ذات الأربعة أسلاك، يجب استخدام طوبولوجيا UPQC مع خط محايد لضمان إمكانية حل مشكلات جودة الطاقة للأحمال أحادية الطور بشكل فعال بواسطة APF .

2. مطابقة المعلمات: سعة APF وتكييف

• حساب سعة APF : يجب أن تغطي سعة APF التحويلية الحد الأقصى للتيار التوافقي والطلب على القدرة التفاعلية (على سبيل المثال، بالنسبة لتيار توافقي 100 أمبير والطلب على القدرة التفاعلية 200 كيلو فولت أمبير، يجب اختيار سعة 250 كيلو فولت أمبير للاحتفاظ بهامش 10٪ -20٪)؛ يجب أن تتطابق سعة APF المتسلسلة مع الحد الأقصى لسعة تعويض الجهد (على سبيل المثال، إذا كان انخفاض جهد الشبكة 15٪، فيجب أن يكون الجهد المقدر لـ APF ≥ 15٪ من جهد الشبكة)؛
• تصميم معلمات المرشح : يجب أن يُجهَّز مُرشِّح الترددات المنخفضة (APF) بمرشح تمرير منخفض LC لتصفية التوافقيات عالية التردد (مثل المكونات التي تزيد عن 10 كيلوهرتز) الناتجة أثناء عملية التبديل الخاصة به، مما يُجنِّب التلوث الثانوي للشبكة. عادةً ما يُضبَط تردد قطع المرشح على 5-10 أضعاف تردد الشبكة (مثل 250-500 هرتز لشبكة 50 هرتز) لتحقيق التوازن بين تأثير الترشيح واستقرار النظام.

3. استراتيجية التحكم: تحسين سرعة

• اعتماد استراتيجية التحكم المركبة "التغذية الأمامية + التغذية الراجعة": يمكن للتحكم بالتغذية الأمامية تتبع التغييرات في تيار الحمل وجهد الشبكة بسرعة (على سبيل المثال، ضبط تيار التعويض في غضون 0.1 مللي ثانية عندما يتغير تيار الحمل فجأة)، بينما يصحح التحكم بالتغذية الراجعة انحرافات التعويض لضمان دقة التعويض (خطأ ≤ 2٪)؛
• تحسين خوارزمية الكشف عن التوافقيات: يجب إعطاء الأولوية لخوارزمية الكشف القائمة على نظرية القدرة التفاعلية اللحظية لضمان دقة الكشف (خطأ ≤ 1٪) للتوافقيات الرئيسية (الثالثة والخامسة والسابعة وما إلى ذلك)، مما يوفر أساسًا لـ APF لتوليد إشارات تعويض دقيقة.

V. الخاتمة: APF - جوهر UPQC لتحسين

في إدارة جودة الطاقة لشبكات الطاقة الصناعية المترددة، يُعدّ مرشح الطاقة (APF) جوهر UPQC لتحقيق إدارة شاملة لسيناريوهات "الترشيح التوافقي + تعويض القدرة التفاعلية + تثبيت الجهد". تُظهر البيانات المخبرية أن التكامل بين مرشح الطاقة (APF) وUPQC يُقلل بشكل كبير من التشوه التوافقي الكلي (THD)، ويُحسّن معامل القدرة، ويُثبّت جهد الشبكة، مُلبيًا بذلك متطلبات الطاقة عالية الجودة وفقًا لمعيار PN-EN 50160.

إذا كانت شبكة الكهرباء المترددة لديكم تواجه مشاكل مثل التوافقيات الزائدة، أو انخفاض الجهد، أو عيوب معامل القدرة، فلا تترددوا في تزويدنا بمعلومات مثل نوع الشبكة (مثل: ثلاثية الطور، ثلاثية/رباعية الأسلاك)، وخصائص الحمل (مثل: طاقة المقوم، وعدد المحركات)، وأهم نقاط الضعف (مثل: تردد انخفاض الجهد، وقيمة التشوه التوافقي الكلي). ستُخصص لكم شركة هينجرونج للكهرباء المحدودة حلاً حصريًا لتحسين جودة شبكة الكهرباء المترددة، يعتمد على تقنية APF!