أثر تصميم الملفات النشطة على الكفاءة العامة لشبكات توزيع السلطة

أثر تصميم الملفات النشطة على الكفاءة العامة لشبكات توزيع السلطة

وتؤثر كفاءة شبكات توزيع الطاقة تأثيرا مباشرا على موثوقية تكلفة واستدامة توصيل الكهرباء، حيث أن الشبكات الحديثة تواجه أعباء متزايدة من الأجهزة غير المتناهية، مثل محركات التردد المتغير، والإضاءة بالأجهزة المتفجرة المرتجلة، وقضايا نوعية الطاقة الكهربائية مثل التناسق، واختلالات القوى التفاعلية، وشقوقات الفولط، وقد ظهرت أجهزة الرش الصنع الناشطة كتقنية حاسمة لمواجهة هذه الاضطرابات.

أساسيات الأفلام النشطة في نظم الطاقة

أجهزة التصفية العاملة هي أجهزة إلكترونية لتوليد الطاقة تقوم بضخ التيارات أو فولتات في الشبكة الكهربائية لإلغاء المكونات غير المرغوب فيها، وتعويض عن الطاقة الرجعية، وتثبيت ملامح الفولطية، وتتألف من محول كهربائي (عادة ما يكون من مصادر فولتية)، ووحدة مراقبة، ومحول أو محمول، وتضع أجهزة التحكم في أجهزة التحكم في أجهزة القياس الفوري أو الفولطية، وتقارن طريقة الاشارات الفوقية.

التمييز الرئيسي بين الأفلام النشطة والعاطفية

ويمكن أن تؤدي مرشحات سريعة - مجهزة بمحركات أو أجهزة لاسترجاع محركات أو أجهزة لاصقة مقاومة - مصممة على ترددات متجانسة محددة، وتوفر تعويضات ثابتة، وهي متغيرات بسيطة وغير مكلفة، ولكنها تنجم عن انحراف عنصري أو تواتر، وتكيف مع تناقض النظام، ومرونة معالجة الارتداد.

التأهّبات المشتركة للمرشحين العاملين

• Shunt Active Filters (SAF):] Connected in parallel with the load, they inject harmonic currents equal in magnitude but contrary in phase to abolish line harmonics. SAFs are the most widely deployed due to simple installation and scalability. They are effective for current-source harmonics and can also provide reactive power compensation for voltage.
• Series Active Filters (SeAF):] Inserted in series between the source and load, they act as a controlled voltage source to block harmonic currents and regulate voltage. SeAFs excel at isolating downstream loads from source-side harmonics and can mitigate voltage dips higher. However, they carry full current protection.
• Hybrid Active Filters:] Combine a small-rated active filter with a tuned passive filter. The active part address changing harmonics while the passive filter handles dominant fixed harmonics. This topology reduces the required active filter capacity, lowering cost and losses while maintaining high performance.

آليات تحسين الكفاءة في شبكات التوزيع

ويعزز إدماج مرشحات نشطة كفاءة النظام الصافي من خلال مسارات مترابطة متعددة، وتفصل الفروع التالية كل آلية بأمثلة كمية.

تخفيض الخسائر في الأرواح (فقدان في عام 2000)

كما أن التيارات الهرمونية تزيد من التدفق الحالي للماء الجذري من خلال الموصلات والمحولات والمتحولات دون المساهمة في قوة حقيقية مفيدة، ومن ذلك مثلا أن التحميل الذي يُستبدل فيه بنسبة 30 في المائة من التشويهات المباشرة المتسقة في الوقت الراهن يمكن أن يرفع مستوى المقياس القياسي لمعدلات الحرارة بنسبة 4 إلى 5 في المائة مقارنة بحالات الارتداد المميت، مما يؤدي إلى زيادة الخسائر في السلوكيات الخفيفة بنسبة تتراوح بين 8 و10 في المائة.

تخفيف الحرارة والتسخين في المعدات

وتستهدف عمليات التحويل عمليات الارتداد، وتزيد التيارات الهرمونية من خسائر التآكل والهستير في النواة، فضلا عن الخسائر المزروعة في الرياح، وتعجل التدفئة الإضافية في تدهور العزل، وتخفض معدل الحياة المتحولة بنسبة تصل إلى 50 في المائة تحت التشويه الضاري الشديد، وتتسبب الرشقات النشطة في انخفاض مستويات التنظيف الحركييف عن 5 في المائة (في إطار المعايير الدولية للارتقاء)

التعويض عن الطاقة التفاعلية وتحسين عوامل القوة

ويعمل العديد من شبكات التوزيع مع عوامل تقلب الطاقة بسبب الحمولات المحفزة (المحركات والمحولات والمفاعلات) مما يتطلب تدفقاً مستمراً إضافياً، وزيادة الخسائر في خطوط الكهرباء، والحد من قدرة المحولات والكابلات على توليد الطاقة الحقيقية، ويمكن للمرشحات العاملة أن تولد أو تستوعب الطاقة الرجعية في الوقت الحقيقي، مع الحفاظ على عامل طاقة شبه الوحدة، وعلى عكس المصارف التي تستخدم في التحميل، فإنها لا تنتج تغيرات في الارتطام، ويمكن أن تستجيب للعقوبات الفورية.

تنظيم التدفّق والاستقرار

ويؤدي تيار الهارمونات المتدفقة من خلال ازدحام النظام إلى تشويه في نقطة الانقلاب المشترك، كما أن التدفق المفرط للفولط يمكن أن يؤدي إلى سوء استخدام الإلكترونيات الحساسة، وزيادة الخسائر في مصارف الخزانات، ويؤدي إلى عدم استقرار الفولط في الشبكات الضعيفة، كما أن المرشّحات النشطة، ولا سيما أنواع السلسلة، يمكن أن تؤدي إلى تحسين الكميات المحتوية على محركات متحركة على محرك مركب.

تخفيض عدد الموظفين المحايدين

وفي إطار نظم رباعيات ثلاثية المراحل، يوجد نسق ثلاثي (3، 9، 15) في السلوك المحايد، مما قد يتجاوز القدرة الحالية للمرحلة، مما يؤدي إلى زيادة تسخين الموصلات المحايدة، وزيادة الخسائر، ومخاطر الحريق، ويمكن للمرشحين النشطين الأربعة (بربط بين العاصمة وأربعة أقدام) أن يلغيوا فعلياً توزيع الأنسجة ثلاثية، مما يقلل من سرعة استخدام الكابلات المحايدة إلى الصفر.

اعتبارات التصميم المتعلقة بأثر الكفاءة القصوى

وتتوقف المكاسب الفعلية للكفاءة من مرشحات نشطة اعتمادا كبيرا على خيارات التصميم التي يتم اختيارها أثناء المواصفات والتركيب، ويجب أن تُحدَّد المعايير التالية على النحو الأمثل لتحقيق أفضل عائد للاستثمار.

التقييم والتوسيع

ويجب تقييم مرشح نشط لمعالجة أسوأ حالات الطلب الحالي والمتكرر على الطاقة من الحمولة المرتبطة بالشحن، حيث يؤدي الإفراط في زيادة تكاليف رأس المال والخسائر الاحتياطية (بما أن اللافتر يعمل في ظل ظروف أعلى من حيث الكآبة)، بينما يؤدي النقص إلى عدم كفاية التعويض والتشويهات المتبقية، ومن الناحية العملية، فإن المهندسين يقاسون المرشّح إلى 125-15 في المائة من الحد الأقصى للسيارات المرهونة التي تقاس، مما يُسِّن بدرجة عالية من أجل التوسع في المستقبل.

Control Algorithm and Dynamic Response

وتقضي استراتيجية المراقبة بأن سرعة ودقة استجابة المرشح للتغيرات في الحمولة، وأن يؤدي المتحكمون المتقدمون الذين يستخدمون أجهزة التحكم التناسبية أو أجهزة التحكم التوقعية النموذجية إلى تحقيق أوقات تقل عن دورة واحدة (16.7 مترا عند 60 درجة هرتز) مما يقلل من الإفراط في استخدام الشبكات المتطورة والارتفاعات الحالية، وأن استخدام أجهزة تجهيز الإشارات الرقمية والصفائف ذات الترددات العالية.

التبديل في التردي وعلم الميول

وتنتج ارتفاع معدلات التحول (10-20 كيلوهرتز) عن مستويات منخفضة من التناسق في إطار نظام التعويض بالحقن، مما يقلل من الحاجة إلى تصفية النواتج وتحسين دقة الإلغاء، غير أن ارتفاع مستويات تحويل الترددات يزيد من الخسائر في اللافقارات (الاختصار والخسائر في أسعار الصرف).

التكامل مع المهدِّئات وخصائص اللوازم

وبالإضافة إلى ذلك، فإن مرشحات النشاط تؤدي وظيفتها على الوجه الأمثل عندما تكون مدمجة عند النقطة التي يكون فيها التشويه المتناسق هو أعلى درجة في الجانب الثانوي من المحولات التي تخدم مجموعة من مجموعات التحميل غير الخطي، وقد لا يؤدي وضع مرشحات بعيدة جدا عن المجرى )مثلا في حالة الاستخفاف( إلى معالجة المشاكل الوئامية المحلية، بينما يمكن أن يؤدي وضعها بالقرب من نقطة ضعف إلى تقريبها من أدوات تصميم التصفية مثل الارتباطلات.

دراسة حالة: المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة في مرفق صناعي

(أ) مثال على العالم الحقيقي يساعد على توضيح أثر تصميم الرش النشط: ] انخفاض في تكاليف التشغيل في المصانع المتوسطة الحجم بنسبة 6 إلى 6 مراحل للكهرباء، وشهدت عوامل توليد الطاقة المتباينة انخفاضاً بنسبة 0.75 في المائة، وتجاوزت نسبة الخسائر في الطاقة السنوية في المحول الرئيسي من 2 إلى 2 في المائة، حيث بلغت نسبة الارتفاع عن الارتداد إلى 300 في المائة.

التحديات التي تواجه الحد من التبني على نطاق واسع

وعلى الرغم من مزاياها التقنية، تواجه مرشحات نشطة عقبات تعوق نشرها، ولا سيما في شبكات التوزيع الأصغر والمناطق النامية.

التكاليف الرأسمالية الأولية

أما الرش الفع َّال فهي أكثر تكلفة بكثير من مصارف التصفية السلبية، إذ تتراوح تكاليفها بين ١٠٠ و ٣٠٠ دولار لكل كيلو فولط أمبير من القدرة على التعويض، وبالنسبة لتركيب ٥٠٠ كيلو فولت أمتار، فإن الرشاقة العاملة قد تكلف ٠٠٠ ٥٠ دولار - ٠٠٠ ١٥ دولار، في حين أن المصرف السلبي قد يكلف ٠٠٠ ١٥ دولار - ٠٠٠ ٣٠ دولار، وتتوقف فترة الانتكاسب على وفورات الطاقة وتحسينها؛ وتفتقر مرافق كثيرة إلى تخطيط رأس المال أو طويل الأجل لتبرير تكاليف التصميم الموحد.

التعقيد والتكافل

ويتطلب تركيب مرشح نشط قياسات شاملة للمواقع وتحليلات متناسقة ونمذجة للنظام، ويمكن أن يؤدي التركيب غير الصحيح إلى عدم الاستقرار، لا سيما في الشبكات الضعيفة ذات القدرة المنخفضة على استخدام الدوائر القصيرة، ويجب أن تُراعى خوارزميات المراقبة في عوامل القصور المحددة وديناميات الحمولة التي تتطلب مهندسين مهرة، وفي حالات كثيرة، تتدهور معايير الأداء في المرشيح بمرور الوقت إذا لم تُحدَّث ملامح الشحن.

مسائل الموثوقية والإعالة

وتحتوي مرشحات النشاط على أجهزة الكترونيات للطاقة )الأجهزة الكهربائية، وأجهزة التحكم، وأجهزة التحكم( التي لها فترات محدودة من الحياة، وحساسية للعوامل البيئية )اللحوم، والغبار، والرطوبة( ويمكن أن يؤدي عدم وجود مرشح نشط إلى زيادة نوعية الطاقة إذا توقف تشغيلها دون تجاوز سليم، كما أن التصميمات الرادبة أو التلويث الهجينية تخفف من هذا الخطر، ولكنها تزيد من تعقيدات وتكاليفها.

جيم - التفاعل مع الأشخاص ومخاطرهم

وفي حين أن مرشحات الوصل العاملة أقل عرضة للتشبث من مرشحات سلبية، فإنها لا تزال قادرة على التفاعل مع الخصائص التي تتميز بها الشبكة من حيث القدرة الاستيعابية، وفي بعض الترددات، فإن الازدحام في إنتاج مرشح ما قد يقترن بازدراء النظام لخلق صدى موازي أو سلسلة، مما يضخم بدلا من إلغاء التناسق، كما أن مخططات التحكم المتقدمة التي تستخدم استراتيجيات فعالة لضبط العينات وتفادي الارتداد الارتداد الارتها.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم الملفات النشطة لتحقيق الكفاءة

فالبحوث والتطوير يدفعان مرشحين نشطين نحو انخفاض التكلفة، وزيادة الكفاءة، والإدماج الأذكى مع النماذج الجديدة للشبكات.

التكامل مع (سمارت غريد) و(إيوت)

وسيجهز الجيل القادم من مرشحات التشغيل بالوصلات البينية للاتصالات (مثلا، مودبوس، وDNP3، وIEC 61850)، والمجسات الضمنية التي تغذي البيانات إلى النظم المركزية لإدارة الطاقة، مما يتيح الصيانة المتوقعة، والتنقية عن بعد، والتنسيق مع الأصول الأخرى للشبكة مثل تخزين البطاريات وأجهزة التداول المتجددة، مثلا، يمكن للمرشحين النشطين أن يعملوا كمولد الافتراضي المتزامن أثناء أنشطة.

موصلات نسقية واسعة النطاق (SiC, GaN)

وعلى الرغم من أن كربون السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) MSFETs and diodes توفر سرعة تحويل أعلى، وتخفض على مستوى المقاومة، وتحسن الأداء الحراري من الأداء التقليدي للسيليكون IGBTs. ويمكن للمرشحين النشطين الذين يستخدمون أجهزة السيكبتر أن يعملوا على تبديل الترددات فوق 50 كيلوهرتز مع انخفاض طفيف في حجم الإنتاج، مقارنة بنسبة 95 في المائة.

نموذج للمراقبة الافتراضية والتعويضات المقدمة من شركة AI

فالخوارزميات المتقدمة في مجال الرقابة - مثل الرقابة المحدودة - تضع نموذجاً للرقابة التنبؤية، كما يمكن للتعلم القائم على الشبكة العصبية أن يحققا أقصى قدر من التعويض في الوقت الحقيقي من خلال النظر في أهداف متعددة: القضاء على الانسجام، ودعم الطاقة الاستباقية، والتقليل إلى أدنى حد من الخسائر، ويمكن لنماذج التعلم الآلات التنبؤ بملامسونية الحمولة، والتعديل الاستباقي لعملية التسريح، والحد من نسبة 99 في المائة من نماذج البحوث التي تظهر تحت تأثير التحميل العالي.

الهيكلان النموذجي والمقعد

ويقوم المصنعون بتطوير مرشحات نشطة نموذجية تتيح زيادة القدرة تدريجياً، ويمكن أن توازي وحدة قاعدة 100 ألف وحدة أخرى بحيث تصل إلى 600 ألف أو أكثر، مع وجود رقابة مركزية على تقاسم الحمولة، مما يقلل التكلفة الأولية ويتيح التوسع في زراعة الحمولة، كما أن الوحدات القابلة للتداول تحسن الموثوقية وتبسيط الصيانة، وتقترن بأجهزة قياسية للتصميمات الصغيرة يمكن الوصول إليها.

خاتمة

إن تصميم مرشحات نشطة يؤثر تأثيرا كبيرا على الكفاءة العامة لشبكات توزيع الطاقة عن طريق الحد من الخسائر في الأورام، والتخفيف من التدفئة المتجانسة، وتحسين عامل الطاقة، وتحقيق الاستقرار في التطويع، واختيار الطبقات (السلسلة أو الهجينة) وخوارزمية التحكم، وتكنولوجيا التحويل، واستراتيجية التكامل، يحددان حجم تحسين الكفاءة والجدوى الاقتصادية، بينما تتطور التحديات مثل ارتفاع التكلفة، وتعقيد الرقابة، والارتقاء بمستوى الكفاءة