نظم التوصيل المرنة للتيار المتناوب عرفت منذ السبعينات، وسميت بهذا الاسم المختصر (FACTS) للاسم الكامل Flexible AC Transmission System، وكانت معوضات القدرة غير الفعالة الاستاتيكية التي توصل على التوازي أو على التوالي هي بداية هذه النظم، تلتها عناصر جديدة بعضها في مرحلة الاقتراح وبعضها في مرحلة التجريب النهائي، تتكون نظم التوصيل المرنة من ملفات ومكثفات محكومة بدوائر ثايرستور أو من دوائر إلكترونية بحتة محكومة بنظم تحكم متقدمة.
ما هي الـ FACTS في الكهرباء؟
تُعَدُّ أنظمة نقل التيار المتردد المرنة Flexible AC Transmission System (FACTS) هي تقنيات تعتمد على استخدام معدات إلكترونية عالية القدرة، مثل الثايرستور وأساليب التحكم المتطورة، وذلك لزيادة مقدرة خطوط النقل الكهربائية بحيث تستطيع نقل قدر أكبر من القدرة الكهربائية، ويمكن أن تصل هذه الزيادة إلى قرب الحدود القصوى للتحمل الحراري لتلك الخطوط. ولتحقيق هذه النتيجة، تقوم أنظمة نقل الطاقة المرنة بالتحكم في ثلاث عناصر رئيسية، وهي الجهد وزاوية الطور والمعاوقة، ومن ثم تتحكم في تدفق القدرة الكهربائية والتيارات في خط النقل، وتقلل الفواقد وتحافظ على مستوى الجهد.
وتتميز أنظمة نقل التيارات المرنة بالعديد من المزايا بالمقارنة مع وسائل التحكم في تدفق النقل الكهربائي الأخرى، ومنها:
- الاستمرارية، حيث تعتمد على معدات إلكترونية فائقة السرعة.
- مرونة التحكم في “بارامترات” وجهود الخطوط.
- تحسين استقرار نظام النقل الكهربائي.
- تقليل الأضرار البيئية.
- أكثر فعالية وتحتاج صيانة أقل.
وظيفة الـ FACTS
تعمل نظم التوصيل المرنة للتيار المتناوب على تغيير مسارات ومقدار القدرة الفعالة وغير الفعالة في الخطوط وعند الباسبارات وعند مخارج محطات التوليد الكهربائية بطرق إلكترونية وبتشغيل نظم تحكم سريعة وفعالة بدون الحاجة لتشغيل مفاتيح دوائر كهربائية تعمل ميكانيكيا ودون الحاجة لفصل أو وصل خطوط أو أحمال معينة ودونما تغيير في قدرات التوليد الفعالة وغير الفعالة.
وهى تغني عن إنشاء خطوط جديدة لنقل القدرات أو تخفيف، الأحمال أثناء لحظات الذروة أو أثناء فترات الاضطرابات. وهذا يؤدى إلى زيادة في القدرات المنقولة مما يعنى عدم الاحتياج لإنشاء محطات توليد جديدة (فضلا عن ضبط الجهد دائمًا في حدود معينة) ناهيك عن خفض التيار في الخطوط والفقد فيها.
أنواع أجهزة الـ FACTS
نتكون عائلة ال FACTS من الكثير من الأنواع لكلٍ منها وظيفته ومكوناته وأغراضه في الاستخدام، بعضها مازال في طور الاقتراح وبعضها الآخر تم استخدامه عمليًا وانتشر في كل الشبكات الكهربية وبعضها الآخر ثم تصنيع نماذج منه وتم تركيبه للتجريب. وفيما يلي أهم أنواع الـ FACTS.
جهاز التعويض الـ SVC
المعوض الاستاتيكي للقدرة غير الفعالة (SVC Static VAR Compensator) هو جهاز يستخدم لضبط جهد المنظومة الكهربائية في نقاط محددة منها، ولخمد التارجحات وتحسين استقرار المنظومة. يتكون المعوض الاستاتيكي عادةً من مجموعة مكثفات توصل بتوازي مع ثايرستور تُستخدم في توليد القدرة غير الفعالة، وأيضًا تساهم في سحبها. وتحسين استقرار المنظومة الكهربائية.
إلا أن لهذا النوع من المعوضات سلبيات تتركز في
- التكلفة العالية مقارنة بأجهزة منظومة نقل التيار المتردد المرنة الأخرى.
- عدم القدرة على توليد قدرة غير فعالة أكبر من حد معين عند الجهد المعتاد للشبكة الكهربية. لأن أقصى تيار سعوي يمكنها سحبه مرتبط بسعة المكثف وجهد الشبكة.
- عدم القدرة على التحكم في الجهد في حالات الجهد المنخفض. لأن القدرة غير الفعالة للمكثفات تتناسب مع مربع الجهد.
جهاز التعويض STATCOM
تم تطوير المعوض الاستاتيكي التزامني Static Synchronous Compensator (STATCOM) كتحسين لجهاز SVC. وهو عبارة عن عاكسات (Inverters) لكنها لا تستخدم الثايرستور العادي، وإنما تستخدم نوعًا حديثًا أسرع وأسهل في التحكم به، وهو الـ GTO (Gate Turn Off). والأهم من ذلك هو عدم استخدام مكثفات ولا Reactors، وفي نفس الوقت يمكنه إنتاج واستهلاك قدرة غير فعالة.
يتم ذلك عن طريق استخدام دوائر تحكم في الـ Inverter، حيث يتم إنتاج جهد وتيار من بطاريات ومجموعة صغيرة من المكثفات، بحيث يكون الـ Phase angle بين الجهد والتيار إما 90 درجة Lead أو 90 درجة Lag، وهذا يعني أننا ننتج قدرة غير فعالة Inductive or Capacitive بدون استخدام مكثفات أو ملفات.
وهذه هي الميزة الأهم لأجهزة الـ STATCOM، حيث يترتب عليها ميزات أخرى مثل صغر الحجم والحاجة لمساحة أقل، حيث لا نحتاج لملفات أو مكثفات سوى بنسبة 12% من المكثفات التي كانت تستخدم في الـ SVC، وهي هنا لإكمال دائرة الـ Inverter. ويتميز الـ STATCOM أيضًا بأنه لا يتأثر بجهد الشبكة عند توليد القدرة غير الفعالة، وهذه الأجهزة مستخدمة منذ الثمانينيات.
جهاز التعويض SSSC
المعوضات الثابتة الموصلة على التوالي SSSC (Static synchronous series compensator) تعتمد على Inverter موصلًا على التوالي كمصدر للجهد المتحكم فيه، للتحكم في تدفق القدرة عبر خط النقل. يُعد الـ(SSSC) أكثر فاعلية وأكثر قدرة على التحكم بالمقارنة مع المكثفات المتصلة على التوالي (Series Compensator)، ويمكنه العمل كمفاعل حثي لتعطيل تدفق القدرة، كما يمكنه عكس اتجاه انتقال القدرة عن طريق تغيير زاوية الطور.
وهناك أيضًا ميزة أخرى للـ (SSSC)، إذ أنه لا يعتمد في تحكمه على مقدار التيار الذي يمر في الدائرة، وبالتالي يمكن له التحكم في نطاق أوسع من حالات تدفق التيار في خط النقل، كما أن لديه قدرات جيدة في خمد التذبذبات والتعامل مع ظاهرة (Synchronous Resonance) التي تظهر عند استخدام المكثفات المتصلة على التوالي.
منظم سريان القدرة الموحد UPFC
منظم سريان القدرة الموحد Unified Power Flow Controller (UPFC) هو مزيج بين المعوضات (STATCOM) والمعوضات (SSSC)، يتكون من اثنين ac/dc converters. يتم توصيل أحدهما على التوالي والآخر على التوازي مع خط النقل لتسمح بتدفق ذو اتجاهين للقدرة الفعالة. ويمكن استخدامها لضبط سريان القدرة والتحكم في الجهد والاستقرار وخمد الاضطرابات العابرة والديناميكية (steady state stability, dynamic stability, transient stability) وأجهزة الـ UPFC قادرة على تزويد وامتصاص الطاقة الفعالة وغير والفعالة.
وبفضل القدرات المتميزة لهذا المنظم الموحد، أصبحت طفرة حقيقية وواحداً من أهم أجهزة المنظومة المرنة. فهو يقدم تحكماً فورياً وآنياً في كل من الجهد، فرق زاوية الطور، والمعاوقة، أو في أي تمازج بينها، بينما تعتمد كل أجهزة المنظومة المرنة الأخرى على التحكم في واحدة من هذه المتغيرات.
يوضح الجدول مقارنة بين الأنواع المختلفة من المعوضات ومدى تأثيرها على الشبكة في الظروف المختلفة.
خطوات تحديد جدوى استخدام الـ FACTS
- يجب إجراء دراسات تفصيلية للشبكة الكهربائية لتحديد الحالات القصوى التي يمكن أن تؤثر على تشغيلها، بما في ذلك المشاكل المتعلقة بالجهد مثل مشكلة انهيار الجهد، ومشكلات سريان القدرة، وظاهرة الرنين للموجات ذات الترددات تحت التوافقية.
- ينبغي أيضًا دراسة مدى تأثير القدرة المنقولة عبر الخطوط الكهربائية على تحسين اتزان الشبكة وتحسين استخدامها والاستفادة من سعة خطوطها.
- وأخيراً، ينبغي تحديد النوع والسعة المناسبة من أجهزة منظومة نقل التيار المتردد المرنة FACTS.
مستقبل أجهزة FACTS
من المؤكد أن الاعتماد المتزايد على إلكترونيات القدرة وزيادة تصنيع المعدات الإلكترونية وظهور أنواع جديدة من الثايرستورات وزيادة قدرتها وتياراتها بالإضافة إلى التطور في نظم الإشعال، سوف يؤدي إلى زيادة استخدام أنواع جديدة من منظومات التوصيل المرنة في المستقبل القريب. وبالتالي، يمكن الاستغناء عن بعض المكونات التقليدية مثل الملفات والمكثفات والمقاومات في هذه المنظومات، بحيث تقتصر المكونات الأساسية المنظومات الـ FACTS على المعدات الإلكترونية.
المراجع
- ا.د محمود جيلاني، المرجع في هندسة القوى الكهربائية.
- د. محمد زكي الصادق
- مهندس يحيى حسن عمر
