مقدمة:

عانت شبكات النقل في السنوات الأخيرة من تزايد الطلب على الطاقة الكهربائية مما أدى الى ظهور مشاكل مثل زيادة تحميل بعض الخطوط وضعف تحميل البعض الاخر اعتماداً على الممانعة الداخلية لهذه الخطوط وكذلك ظهور اضطرابات في جودة الطاقة الكهربائية وانخفاض موثوقية التغذية الكهربائية.

في هذا المجال وبهدف ضمان التوزيع الأمثل للاستطاعات الفعلية والردية في شبكات نقل الطاقة بالإضافة الى تحسين أداء هذه الشبكات في مجالي الاستقرار والحالات العابرة وظهور الحاجة الى ربط الشبكات التي لها أنظمة عمل مختلفة , أدى ذلك الى ظهور تجهيزات معتمدة في بنيتها على عناصر الكترونيات القدرة أدرجت ضمن شبكات التوتر العالي عرفت هذه التجهيزات باسم متحكمات أنظمة نقل التيار المتناوب المرنة (FACTS ) Flexible AC Transmission System وهي عبارة عن معوضات قادرة على التحكم بظروف الشبكة بطريقة سريعة جداً والتي تستخدم في أنظمة نقل التيار المتناوب لتحسين استقرار التوتر وزيادة الاستطاعة المنقولة و تحسين استقرار نظام القدرة في حالتي العمل الدائم والعابر .

تقسم هذه المعوضات الى معوضات تفرعية ومعوضات تسلسلية ومعوضات مشتركة (تسلسلية–تسلسلية) و (تسلسلية–تفرعية).

مفاهيم أساسية :

لا بد من معرفة كيفية سريان الاستطاعة في الشبكة الكهربائية من اجل التعرف على أهمية التحكم بسريان الاستطاعة في الشبكات التفرعية وكذلك الحلقية.

1- سريان الاستطاعة في الخطوط التفرعية :

نفرض لدينا خطي نقل موصولين تفرعياً حيث يتم سريان الاستطاعة من المنطقة التي لها فائض في التوليد الى المنطقة التي لديها عجز في التوليد وفي حال عدم وجود أي نوع من التحكم فإن سريان الاستطاعة سوف يتناسب عكسا مع ممانعات الخطوط وبالتالي يمكن ان يحدث زيادة تحميل للخطوط ذات الممانعة الأقل وهذا ما يحد من تحميل الخطين معاً [3].

الشكل (1) سريان الاستطاعة في الخطوط التفرعية

في حال استبدال احد الخطين بخط نقل بالتيار المستمر عالي التوتر HVDC فإنه يمكن التحكم بسريان الاستطاعة في خط النقل ذي التيار المستمر وبالتالي الوصول بخط تيار المستمر الى حدود تحمله الحرارية , ويمكن ان يستفيد خط النقل المتناوب التفرعي من سرعة التحكم بخط النقل المستمر من اجل المحافظة على الاستقرار [3].

الشكل (2) نظام مكون من خطي نقل احدهما HVDC

2- سريان الاستطاعة في الأنظمة الحلقية :

من اجل معرفة كيفية توزع الاستطاعة في فروع الشبكات الحلقية نفرض شبكة بسيطة مكونة ثلاث خطوط موصولة بشكل حلقي ومن منطقتي توليد يرسلان الاستطاعة الى حمل مركزي .

بفرض ان الاستطاعة التصميمية للخطوط (AB,BC,AC) هي على الترتيب MW(1000,1250,2000) وكانت ممانعة هذه الخطوط على الترتيب ohm(10,5,10) وفي حال قيام احد المولدين بتوليد 2000 MW والأخر 1000 MW فإن ذلك يؤدي الى تحميل الخطوط على الترتيب حسب ما يلي MW(600,1600,1400) وهذا يعني زيادة تحميل الخط BC في حال وصل سعة تسلسلية الى الخط AC مقدارها 5 ohm تصبح الاستطاعة السارية في الخطوط الثلاثة على الترتيب التالي MW(250,1250,1750) وبالتالي الوصول الى التحميل الكامل الى الخط BC.

الشكل (3) سريان الاستطاعة في الشبكات الحلقية : a) في الحالة الطبيعية  b) في حالة وصل سعة تسلسلية

محددات نقل الاستطاعة العظمى :

تعطى الاستطاعة الفعلية المنقولة عبر خط نقل وذلك بإهمال الضياعات وكذلك بإهمال سعوية الخط بالعلاقة  :

p=(U_1* U_2)/X* sin⁡(δ_1-δ_2)

حيث : U_1 .U_2: الجهود عند نهايات الارسال والاستقبال على الترتيب .

X: مفاعلة الخط .

δ_1 , δ_2 : زوايا توتر الارسال والاستقبال على الترتيب .

الشكل (4) نظام بسيط مكون من محطتين وخط نقل

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 [5] .

يوجد حدود للاستطاعة العظمى المنقولة عبر خط النقل , نتيجة للمحددات Limitations تقسم هذه المحددات الى ثلاث أنواع رئيسية :

• حدود حرارية .
• حدود العازلية .
• حدود الاستقرار .

يمكن التغلب على الحدود الحرارية باستبدال النواقل بأخرى ذات قيم مناسبة للتيارات الأعلى .

عند تصميم خطوط النقل يؤخذ بعين الاعتبار إمكانية زيادة جهد العمل فوق 10% ولكن يجب التأكد من ان زيادات الجهود العابرة تقع ضمن الحدود المسموحة .

حدود الاستقرار : تحد مشكلة الاستقرار من نقل الاستطاعة العظمى حيث هناك عدة اشكال للاستقرار:

• الاستقرار العابر Transient stability.
• الاستقرار الديناميكي Dynamic stability.
• الاستقرار في الحالة الدائمة Steady-state stability.
• انهيار الجهد .
• انهيار التردد .
• الرنين تحت التواقتي Subsynchronous resonance.

الشكل (5) حدود التشغيل لخطوط نقل القدرة من اجل عدة مستويات من التوتر

الاستقرار العابر هو مقدرة نظام القدرة الكهربائية على المحافظة على التزامن بين آلاته بعد تعرضه إلى اضطراب خطير مثل تطبيق مفاجئ لحمل كبير أو انقطاع توليد أو حصول عطل على النظام تسبب معظم هذه الاضطرابات زيادة في زاوية الدائر النسبية للمولدات [1] .

يقع الرنين تحت التواقتي (Subsynchronous resonance) في المجال  [10 – 50 HZ]من اجل التردد 60HZ وذلك عندما يؤدي وصل سعة تسلسلية الى خط النقل , يحدث هذا الرنين عندما تتوافق احد ترددات الرنين الميكانيكية لمحور وحدة التوليد ذات العنفات المتعددة مع التردد 60HZ مطروحاً منه تردد الرنين الكهربائي الحاصل بين السعة التسلسلية ومفاعلة الخط ان استمرار وجود هذا الرنين يؤدي تضرر محور وحدة التوليد.

الأنظمة المرنة لنقل التيار المتناوب Flexible AC Transmission :

أدى تطور نظام القدرة الحديث إلى تعقيد متزايد في دارسة أنظمة القدرة، وقدم تحديات جديدة أيضاً لاستقرار أنظمة القدرة، وبشكل خاص لجوانب الاستقرار الساكن والعابر, مكّن التطور الحديث في عناصر إلكترونيات القدرة الكهربائية من استخدام متحكمات أنظمة نقل التيار المتناوب FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System) في أنظمة القدرة الكهربائية، وهي متحكمات قادرة على التحكم بظروف الشبكة بطريقة سريعة جداً ويمكن أن تستخدم هذه الميزة لأنظمة نقل التيار المتناوب لتحسين استقرار التوتر، واستقرار نظام القدرة في حالتي العمل الدائم والعابر لنظام القدرة الكهربائي .

تم تعريف مصطلح أنظمة نقل التيار المتناوب المرنة  FACTS من قبل IEEE PES على انها : 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 .

تستطيع هذه التجهيزات حقن جهد على خط النقل بأي زاوية كما يمكن ان تقوم بحقن او امتصاص تيار من قبل الشبكة .

الشكل (6) حقن جهد على التسلسل مع خط النقل

أهمية أنظمة FACTS :

تستطيع متحكمات FACTS الحديثة من خلال الاستخدام الأمثل لعناصر الكترونيات القدرة مع العناصر الساكنة الأخرى من الحصول على مجموعة من المنافع والفوائد :

• التحكم بالاستطاعة السارية حسب الطلب.
• زيادة إمكانية تحميل خطوط النقل حتى حدود التحمل الحراري.
• تحسين الاستقرار العابر من خلال الحد من قيم تيارات الأعطال وتخميد الاهتزازات الكهروميكانيكية في الأنظمة الكهربائية.
• الربط الامن بين الخطوط والشبكات ذات الترددات المختلفة وبالتالي خفض احتياطي التوليد في الجهتين.
• تقليل الاستطاعة الردية السارية وبالتالي السماح بتمرير استطاعة فعلية اكبر.
• الاستثمار الأفضل لمجموعات التوليد.

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