الأنواع الرئيسية لمتحكمات FACTS :

تصنف متحكمات FACTS بشكل أساسي الى اربع أصناف :

1- المتحكمات التسلسلية Series Controllers :

يمكن ان تكون المتحكمات التسلسلية عبارة ممانعة تسلسلية متغيرة (ملف او مكثف) او منابع متغيرة تعتمد على عناصر الكترونيات القدرة تقوم هذه المتحكمات بحقن جهد على التسلسل مع الخط بما في ذلك حالة وصل ممانعة تسلسلية متغيرة حيث ان حاصل جداء هذه الممانعة مع التيار الذي يمر بها يمثل جهداً تسلسلياً محقوناً الى الخط وفي حال كون هذا الجهد على التعامد مع تيار الخط فإن هذه المتحكمات تقوم بحقن او سحب استطاعة ردية.

الشكل (1) متحكم تسلسلي

2- المتحكمات التفرعية Shunt Controllers :

يمكن ان تكون المتحكمات التفرعية عبارة عن ممانعة متغيرة او منبع متغير او مزيج من الحالتين تقوم هذه المتحكمات بحقن تيار الى نقطة الوصل بما في ذلك حالة وصل ممانعة تفرعية متغيرة الى الخط حيث يتسبب ذلك بمرور تيار متغير وهو ما يماثل حالة حقن تيار متغير وفي حال كون التيار متعامد مع جهد الخط فإن هذه المتحكمات تقوم بتزويد او استهلاك استطاعة ردية متغيرة.

الشكل (2) متحكم تفرعي

3- المتحكمات المشتركة التسلسلية – التسلسلية Combined series-series Controllers :

يمكن ان تكون عبارة مجموعة من المتحكمات التسلسلية المنفصلة والتي يتحكم بها بشكل منسق في نظام مكون من مجموعة من خطوط النقل .

كما يمكن ان تكون عبارة عن متحكم موحد unified حيث تؤمن تعويض للاستطاعة الردية بشكل مستقل لكل خط إضافة لإمكانية نقل الاستطاعة الفعلية بين الخطوط عبر وصلة طاقة وبالتالي إمكانية موازنة سريان الاستطاعة الفعلية والردية بين الخطوط .

ان مصطلح موحد unified يعني ان مرابط جهة التيار المستمر لكل المبدلات موصولة مع بعضها من اجل نقل الاستطاعة الفعلية.

الشكل (3) متحكم موحد تسلسلي – تسلسلي

4- المتحكمات المشتركة التسلسلية – التفرعية Combined series-shunt Controllers :

يمكن ان تكون عبارة عن مجموعة من المتحكمات التسلسلية والتفرعية المنفصلة والتي يتحكم بها بشكل منسق او باستخدام المتحكم الموحد بالاستطاعة السارية الذي يتألف من عناصر تسلسلية وأخرى تفرعية .

تقوم هذه المتحكمات بحقن تيار الى النظام عبر الجزء التفرعي فيما يقوم الجزء التسلسلي بحقن جهد على التسلسل مع خط النقل .

عندما يتم وصل المتحكمات التسلسلية والتفرعية بشكل موحد يمكن عندها الحصول على تبادل لاستطاعة الفعلية عبر وصلة طاقة مستمرة.

الشكل (4) متحكم موحد تسلسلي – تفرعي

تختلف أهمية الأنواع المتعددة لمتحكمات FACTS بحسب الهدف من التحكم فإذا كان الهدف هو التحكم بالتيار او بالاستطاعة السارية عبر خط النقل وتخميد الاهتزازات فإن استخدام المتحكم التسلسلي افضل بعدة مرات من المتحكم التفرعي من اجل نفس الاستطاعة حيث يقوم متحكم FACTS الموصول تسلسلياً الى الخط بالتأثير على هبوط الجهد في الخط وبالتالي التأثير مباشرة على التيار والاستطاعة السارية.

يستخدم المتحكم التفرعي كمنبع تيار يقوم بحقن او استجرار التيارات الى الخط لذلك يعتبر المتحكم الفرعي وسيلة جيدة من اجل التحكم بجهد نقطة الوصل بينه وبين الخط عبر حقن تيار ردي (متقدم او متأخر) او مزيج من التيارات الردية والفعلية بهدف الحصول على تحكم بالجهد ذي فاعلية اكبر وكذلك من اجل تخميد اهتزازات الجهد .

في حال الوصل المشترك للمتحكمات التسلسلية والتفرعية يؤمن ذلك افضل مميزات عمل للمتحكمين معاً أي تحكم فعال بالتيار والاستطاعة الفعلية السارية وكذلك تحكم بالجهد .

المعوض التزامني الساكن Static Synchronous Compensator (STATCOM):

يعتبر المعوض التزامني الساكن واحد من متحكمات FACTS الرئيسية حيث يربط على التفرع مع الشبكة يتكون من مبدلة غالباً ذات منبع جهد (voltage source converter) التي تبدو مفضلة على المبدلات ذات منبع تيار [3].

يتم استخدام متحكم STATCOM من اجل زيادة سعة الخطوط على نقل الاستطاعة والتحكم بالتوتر وتحسين الاستقرار العابر لنظام القدرة .

يدخل في تركيب STATCOM عناصر الكترونيات القدرة مثل الثايروستورات GTO  او ترانزستورات IGBT , يتم التحكم بجهد خرج المبدلة من اجل ضمان سريان التيار الردي المطلوب وذلك من اجل أي جهد متناوب للشبكة الكهربائية يمكن أن يُتحكم بتبادل الاستطاعة الردية بين المبدل ونظام القدرة الكهربائي بتغيير طويلة توتر خرج المبدل الثلاثي الطور فإذا كانت طويلة توتر خرج المبدل أكبر من طويلة توتر عقدة ربط المعوض STATCOM مع نظام القدرة عندئذٍ يتدفق التيار خلال مفاعلة المحولة من المبدل الى نظام القدرة ويولد المبدل استطاعة ردية سعوية [1].

الشكل (5) الدارة المكافئة لمعوض STATCOM مع مميزة الفولط – امبير

من المميزات الهامة لمتحكم STATCOM ان الاستطاعة الردية الاحتياطية مستقلة عن جهد الشبكة  حيث نلاحظ من الشكل (5) ان القيم العظمى للتيارات مستقلة عن الجهد وهذا يعني ان متحكم STATCOM يحافظ على كامل مقدرته العملية حتى في ظروف عمل الطوارئ الأكثر شدة.

يمكن ان تحوي معوضات STATCOM على مصدر لتخزين الاستطاعة الفعلية في جهة التيار المستمر للمبدلة بحيث يحوي التيار المحقون الى الشبكة على الاستطاعة الفعلية .

يمكن ايضاً تصميم STATCOM لكي يعمل كمرشح فعال من اجل امتصاص توافقيات التيار من الشبكة.

تحسين الاستقرار العابر باستخدام معوض STATCOM :

الاستقرار العابر هو مقدرة نظام القدرة الكهربائي على المحافظة على التزامن بين آلاته بعد تعرضه إلى اضطراب خطير مثل تطبيق مفاجئ لحمل كبير أو انقطاع توليد أو حصول عطل على النظام أي حدوث تغير فجائي في ثوابت الشبكة الكهربائية او شروط تشغيلها تسبب معظم هذه الاضطرابات زيادة في زاوية الدائر النسبية للمولدات وتكون استجابة النظام لهذه الزيادة وفق علاقة غير خطية بين الاستطاعة وزاوية الحمل تعطى بالعلاقة التالية [1] :

P_s=(V_s *V_r)/X*sin⁡δ

حيث : P_s : الاستطاعة عند الاستقبال .

V_s , V_r: توتر الارسال و توتر الاستقبال على الترتيب.
X : ممانعة الخط .
δ : الزاوية بين توتر الارسال وتوتر الاستقبال .

عندما يتعرض نظام القدرة الى عطل كهربائي، ينقص العزم الكهرومغناطيسي فجأةً و كذلك يمكن أن تنقص كمية الاستطاعة المرسلة بشكل ملحوظ، بينما تبقى الاستطاعة الميكانيكية ثابتة، لذلك يتسارع دائرالمولد وتزداد δ من δ_1 إلىδ_2 .
يمتص المولد الاستطاعة المسرعة المبينة بالمساحةA_1 في الشكل (a-6) مخزناً بذلك طاقة حركية على محوره بعد إزالة العطل في النقطة المتعلقة بالزاوية δ_2 تزيد الاستطاعة الكهربائية المرسلة عن الاستطاعة الميكانيكية ويبدأ دائر المولد بالتباطؤ إلى أن تصل الزاوية δ الى δ_max و يتحقق استقرار النظام عندما يحدث توازن بين الاستطاعة المسرعة الممثلة بالمساحة A_1 والاستطاعة المبطئة الممثلة بالمساحة A_2 نسمي المساحة بين منحني الاستطاعة وخط الاستطاعة الميكانيكية بهامش الاستقرار العابر ويرمز له A_margine , يقوم المعوض STATCOM بدعم توتر الشبكة عند هبوطه بسبب حدوث الأعطال، وبالتالي يحسن قدرة خط النقل على نقل الاستطاعة بعدما انخفضت أيضاً نتيجة العطل، وبذلك يجعل الاستطاعة المبطئة مساوية على الأقل للاستطاعة المسرعة عند قيم δ_max أقل مما هي عليه قبل ربط STATCOM كما في الشكل (6-b) وبالتالي يحسن استقرار مولدات النظام عند زوايا دائر أصغر نسبيا بالمقارنة مع حالة ما قبل ربط المعوض ويتحسن الاستقرار العابر لنظام القدرة الكهربائي ككل بوجود STATCOM.

(a)                                                    (b)

الشكل (6) منحني استطاعة الحمل  a) بدون باستخدام b   STATCOM) مع استخدام STATCOM

معوض الاستطاعة الردية الساكن Static Var compensator(SVC):

هو مولد او مستهلك للاستطاعة الردية موصول على التفرع مع الشبكة يمكن ضبط خرجه من اجل تبادل التيار السعوي او التحريضي من اجل التحكم ببارامترات محددة لنظام القدرة.
يعتبر نظام SVC مصطلح عام يشمل كل من نظام المفاعلة المتحكم بها ثايرستورياً (TCR) او نظام المفاعلة المقادة ثايرستورياً (TSR) وكذلك يشمل نظام المكثف المقاد ثايرستورياً (TSC) او خليط من التركيبات السابقة .

الشكل (7) الاشكال المختلفة لمعوضات SVC مع مميزة الفولط – امبير

المفاعلة المتحكم بها ثايرستورياً (TCR) Thyristor Controlled Reactors : عبارة عن جهاز يوصل على التفرع أساسه مفاعلة تحريضية يتم تغيير قيمة المفاعلة بشكل مستمر (ناعم) عن طريق التحكم بزاوية قدح الثايرستور.

المفاعلة المقادة ثايرستورياً (TSR) Thyristor Switched Reactors : عبارة عن جهاز يوصل على التفرع أساسه مفاعلة تحريضية يتم تغيير قيمة المفاعلة بشكل خطوي تدريجي عن طريق حالتي التوصيل الكامل او عدم التوصيل للثايرستور.

يتكون هذا الجهاز من الوصل التفرعي لمجموعة من المفاعلات التحريضية التي توصل وتفصل اثناء العمل بواسطة قواطع ثايرستورية بدون أي تحكم بزوايا القدح من اجل الوصول الى درجة التغيير المطلوبة في الاستطاعة الردية , يتم استخدام قواطع ثايرستورية بدون تحكم بزوايا القدح من اجل تخفيض في التكاليف والضياعات.

المكثف المقاد ثايرستورياً Thyristor Switched Capacitors (TSC) : عبارة عن جهاز يوصل على التفرع أساسه مكثف تتم قيادته بواسطة ثايرستور حيث يتم تغيير القيمة الفعالة للمكثف بشكل خطوي تدريجي عن طريق حالتي التوصيل الكامل او عدم التوصيل للثايرستور.

يعتمد نظام SVC على الثايرستور كما يحوي على تجهيزات منفصلة حيث تقوم المفاعلة المقادة او المتحكم بها ثايرستورياً بامتصاص استطاعة ردية اما المكثف المقاد ثايرستورياً يستخدم من اجل تزويد استطاعة ردية .

يمكن اعتبار نظام SVC كبديل منخفض التكلفة عن نظام STATCOM.

الشكل (8) اثر معوضات SVC على استقرار التوتر

المعوض التزامني التسلسلي الساكن Static Synchronous Series Compensator (SSSC) :

يعتبر هذا المعوض من متحكمات  FACTS التي توصل تسلسلياً مع الشبكة وهو عبارة عن مولد ساكن يعمل كمعوض تسلسلي حيث يعمل على حقن جهد خرج قابل للتحكم بشكل مستقل متعامد مع تيار الخط في نظام القدرة بهدف رفع او تخفيض هبوط الجهد الردي الكلي عبر خط النقل وبالتالي التحكم بالاستطاعة الكهربائية المنقولة.

ان نظام SSSC يشبه نظام STATCOM ماعدا انه يحقن جهد خرج متناوب على التسلسل مع خط النقل , يمكن ان يصمم متحكم SSSC على أساس مبدلة ذات منبع جهد او منبع تيار عادة ما يكون الجهد التسلسلي المحقون صغير جداً مقارنة مع جهد الخط مع عزل عالي جداً عن الأرضي [3].

الشكل (9) الدارة المكافئة لمعوض تسلسلي SSSC

يتميز هذا النظام بعدم استخدامه لملفات ومكثفات حقيقية مع محاكاته لعمل هذه لعناصر مما يضمن تجنب ظهور اهتزازات ناتجة عن الرنين الذي يمكن ان يحدث مع العناصر التحريضية للشبكة .

يتم ضبط نسبة تحويل محولة حقن الجهد التسلسلية مع ما يتناسب مع التصميم الأكثر اقتصادية للمبدلة كما يجب تصميم اولي وثانوي المحولة والمبدلة من اجل تحمل كامل تيار الخط بما في ذلك تيار العطل ما لم يتم إضافة وصلة تقصر نظام SSSC اثناء الأعطال الخطرة .

يمكن وصل نظام تخزين طاقة الى المتحكم التسلسلي من اجل حقن شعاع جهد بزاوية متغيرة على التسلسل مع الخط.

متحكم سريان الاستطاعة بين الخطوط (IPFC) Interline Power Flow Controller :

يعتبر من المتحكمات الحديثة المدخلة في مجال التحكم بالشبكات الكهربائية يتكون هذا النظام من تركيب اثنين او اكثر من المتحكمات التسلسلية التزامنية الساكنة SSSC الموصولة عبر وصلة تيار مستمر مشتركة من اجل تسهيل سريان الاستطاعة الفعلية بين مرابط التيار المتناوب لمتحكمات SSSC

يتم التحكم بالمعوضات المكونة لنظام IPFC لتامين تعويض مستقل للاستطاعة الردية بهدف ضبط سريان الاستطاعة الردية في كل خط للمحافظة على سريان الاستطاعة الردية وفق التوزيع المرغوب بين الخطوط.

الشكل (10) متحكم سريان الاستطاعة بين الخطوط IPFC

متحكم سريان الاستطاعة الموحدUnifed Power Flow Controller (UPFC) :

يتكون من تركيب معوض تزامني ساكن STATCOM مع معوض تسلسلي ساكن SSSC مربوط بعضهما مع البعض عبر وصلة تيار مستمر مشتركة بهدف تمكين السريان ثنائي الاتجاه للاستطاعة الفعلية بين مرابط الخرج التسلسلية لمعوض SSSC ومرابط الخرج التفرعية لمعوض STATCOM يتم التحكم بالمعوضين التسلسلي والتفرعي المكونين لنظام UPFC بهدف تأمين تعويض متزامن تسلسلي لاستطاعتي الخط الفعلية والردية من دون الحاجة الى منبع طاقة خارجي يمكن لنظام UPFC اعتماداً على إمكانية حقنه لجهد تسلسلي بزاوية غير مقادة أن يتحكم بشكل متزامن أو انتقائي بكل من جهد وممانعة وزاوية خط النقل أي يستطيع متحكم UPFC التحكم بالاستطاعتين الفعلية والردية السارية في خط النقل ويمكن ايضاً ان يؤمن وبشكل مستقل تعويضاً تفرعياً للاستطاعة الردية [2].

الشكل (11) متحكم سريان الاستطاعة الموحد UPFC

في نظام UPFC المكون من ربط معوض STATCOM مع معوض SSSC يتم الحصول على استطاعة الفعلية للمعوض التسلسلي من الخط نفسه وذلك عبر المعوض التفرعي STATCOM علماً انه يستخدم المعوض النفرعي من اجل التحكم بجهد الخط وذلك عبر التحكم بالاستطاعة الردية .

يعتبر نظام UPFC متحكم متكامل من اجل التحكم بالاستطاعتين الفعلية والردية الساريتين عبر الخط وكذلك من أجل التحكم بجهد الخط إن إضافة عنصر تخزين طاقة الى الى بنية نظام UPFC ووصله الى مرابط التيار المستمر يؤمن زيادة في فاعلية نظام UPFC في الحالات الديناميكية لنظام القدرة .

النتائج :

• يتم سريان الاستطاعة الفعلية في الشبكات الشعاعية بما يتناسب عكساً مع ممانعة خطوط النقل.
• يمكن الوصول بالاستطاعة المنقولة عبر خط لنقل الى قيمتها العظمى عبر التحكم ببارامترات الخط مثل قيم الجهد عند نهايات الارسال والاستقبال وكذلك التحكم بممانعة الخط والتحكم بزاوية الخط .
• هناك ثلاث اشكال للمحددات الاستطاعة العظمى : حدود حرارية – حدود العازلية – حدود الاستقرار.
• أنظمة FACTS هي أنظمة نقل تيار متناوب تتداخل فيه تجهيزات أساسها الكترونيات القدرة ومتحكمات ساكنة أخرى من اجل تحسين قابلية التحكم بالإضافة لزيادة مقدرة نقل الاستطاعة.
• تتضمن متحكمات FACTS مجموعة من العناصر الثابتة مثل الملفات والسعات والمقاومات مع استخدام عناصر الكترونيات القدرة (ثايرستورات ,ترانزستورات) او مبدلات (مثل المبدلات ذات منبع الجهد) من اجل قيادة هذه العناصر.
• يمكن من خلال استخدام هذه التجهيزات التحكم بالاستطاعة الفعلية السارية في خطوط النقل وكذلك إمكانية حقن او امتصاص الاستطاعة الردية في عقد الشبكة وتحسين الاستقرار.
• تصنف متحكمات FACTS بشكل أساسي الى اربع أصناف : المتحكمات التسلسلية – المتحكمات التفرعية – المتحكمات المشتركة تسلسلية تسلسلية  – المتحكمات المشتركة تفرعية تسلسلية.
• يتم استخدام متحكم STATCOM من اجل زيادة سعة الخطوط على نقل الاستطاعة والتحكم بالتوتر وتحسين الاستقرار العابر لنظام القدرة .
• معوض الاستطاعة الردية الساكن SVC هو مولد او مستهلك للاستطاعة الردية موصول على التفرع مع الشبكة يمكن ضبط خرجه من اجل تبادل التيار السعوي او التحريضي من اجل التحكم ببارامترات محددة لنظام القدرة.
• المعوض التزامني التسلسلي الساكن SSSC هو معوض تسلسلي يعمل على حقن جهد خرج قابل للتحكم بشكل مستقل متعامد مع تيار الخط في نظام القدرة بهدف رفع او تخفيض هبوط الجهد الردي الكلي عبر خط النقل وبالتالي التحكم بالاستطاعة الكهربائية المنقولة.
• متحكم سريان الاستطاعة بين الخطوط IPFC يتكون تركيب اثنين او اكثر من المتحكمات التسلسلية التزامنية الساكنة SSSC الموصولة عبر وصلة تيار مستمر مشتركة من اجل تسهيل سريان الاستطاعة الفعلية بين مرابط التيار المتناوب لمتحكمات SSSC.
• متحكم سريان الاستطاعة الموحد UPFC يتكون من تركيب تزامني ساكن STATCOM مع معوض تسلسلي ساكن SSSC مربوط بعضهما مع البعض عبر وصلة تيار مستمر مشتركة بهدف تمكين السريان ثنائي الاتجاه للاستطاعة الفعلية.

المراجع References:

• م. فادي الماغوط – د.م خالد زيدان – د.م جمال الناصير , تعزيز زمن الفصل الحرج لشبكة IEEE- 9 باستخدام معوضات تزامنية ساكنة مجمعة او موزعة , مجلة جامعة البعث المجلد 93 العدد 52 عام 2017
• Xiao-Ping Zhang, Christian Rehtanz, Bikash Pal , Flexible AC Transmission Systems Modelling and Control
• Narain G. Hingoranl , Laszlo Gyugyi , Understanding FACTS Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems , IEEE Power Engineering Society
• R. Padiyar , FACTS CONTROLLERS IN POWER TRANSMISSION AND DISTRIBUTION , India
• SIEMENS, Discover the World of FACTS Technology Technology