كيفية القيام بتصحيح معامل القدرة؟

كيف يتم تصحيح معامل القدرة؟

مقدمة لتصحيح معامل القدرة: الأهمية والتصميم

أدى التكامل المتزايد للأنظمة الكهروضوئية (PV) في الشبكة إلى خلق تحديات لمقدمي الخدمات. أحد المخاوف الأساسية هو أن العديد من إلكترونيات الطاقة المستخدمة في هذه الأنظمة تستهلك طاقة تفاعلية، مما يؤدي إلى انخفاض عامل الطاقة وعدم استقرار النظام. ونتيجة لذلك، اكتسبت أساليب تصحيح معامل القدرة اهتماما متجددا. توضح هذه المقالة الطريقتين الأكثر استخدامًا لتعويض الطاقة التفاعلية.

فهم عامل القدرة

يعد عامل القدرة (PF) مقياسًا أساسيًا لكفاءة نظام الطاقة. وهو يمثل نسبة القدرة الحقيقية، المعبر عنها بالواط (P)، إلى القدرة الظاهرة، المعبر عنها بالفولت أمبير (S). القدرة الظاهرة هي مزيج من القدرة الحقيقية والقدرة التفاعلية، والتي يتم قياسها بوحدة فولت أمبير التفاعلية (VAR أو Q).

يؤثر عامل الطاقة على الكفاءة الإجمالية للنظام، حيث تشير عوامل الطاقة المنخفضة إلى استخدام أقل كفاءة للطاقة. يمثل عامل القدرة واحد (الوحدة) العملية الأكثر كفاءة، في حين أن الأحمال الحثية تسبب عامل قدرة متأخرا، وتخلق الأحمال السعوية عامل قدرة رائد. عادة ما تحافظ الأحمال المقاومة على عامل قدرة موحد.

الشكل 1. (أ) عامل الطاقة الرائد. (ب) - عامل القدرة المتأخر

تصحيح معامل القدرة: الحاجة والفوائد

يهدف تصحيح معامل القدرة (PFC) إلى تقريب عامل القدرة من الوحدة قدر الإمكان. يمكن أن يؤدي عامل الطاقة الضعيف إلى ارتفاع تكاليف الطاقة، وانخفاض عمر المعدات، والحاجة إلى بنية تحتية كهربائية كبيرة الحجم مثل الكابلات والمحولات. على سبيل المثال، المعدات الصناعية مثل المحركات الحثية، ومصابيح القوس، والآلات التي تعمل بأحمال منخفضة غالبًا ما تعاني من عامل طاقة منخفض ومتأخر. ولمراعاة ذلك، تفرض المرافق عادةً رسومًا أعلى على المستهلكين ذوي معامل الطاقة الضعيف، وذلك باستخدام الحد الأقصى للطلب أو تعريفة KVA.

المعدات التي تعمل بمعامل طاقة منخفض تكون عرضة للسخونة الزائدة، مما يؤدي إلى تقليل العمر التشغيلي. ولذلك يسعى كل من المرافق والمستهلكين إلى تحسين عامل الطاقة وتحقيق قدر أكبر من استقرار النظام وتوفير التكاليف.

مبدأ تصحيح معامل القدرة

المبدأ الأساسي لجميع طرق PFC بسيط: بالنسبة لكل حمل حثي يسبب تأخر عامل القدرة، يجب توصيل حمل سعوي بعامل قدرة رائد على التوازي لتقريب عامل القدرة من الوحدة.

الشكل 2. تمثل S1 قدرة الحمل، وQ1 هي القدرة التفاعلية المتأخرة، ويشير cosθ1 إلى عامل القدرة. ومن خلال إضافة الحمل الرئيسي مع الطاقة التفاعلية Q2، يشكل النظام S3، الذي يمثل الطاقة الإجمالية. يؤدي هذا إلى تقليل القدرة التفاعلية المتأخرة الإجمالية إلى Q3، مما يحسن عامل قدرة النظام إلى cosθ3، مما يجعله أقرب إلى الوحدة عند P بعد التصحيح.

طرق تصحيح معامل القدرة

هناك عدة طرق لتحسين معامل القدرة، لكن الطريقتين الأكثر شيوعًا هما بنوك المكثفات والمكثفات المتزامنة.

1. بنوك المكثفات

تتكون بنوك المكثفات من مكثفات متعددة تقوم بتخزين الطاقة وتوفير الطاقة التفاعلية للنظام. يمكن توصيلها إما بتكوين دلتا أو نجمة (واي). يتم تصنيف مكثفات الطاقة بـ KVAR، وهو ما يمثل مقدار الطاقة التفاعلية التي تولدها.

يتم استخدام صيغة لحساب الطاقة التفاعلية (KVAR) التي يوفرها المكثف بناءً على سعته (C)، وجهد النظام (V)، والتردد (f):

KVAR=C×2π×f×V2×10−9\text{KVAR} = C \times 2\pi \times f \times V^2 \times 10^{-9 KVAR =C×2π×f×V2×10 −9

عادة ما يتم تصميم بنوك المكثفات للعمل على مراحل، حيث توفر كل مرحلة مستوى مختلفًا من الطاقة التفاعلية. يساعد هذا النهج المرحلي على تلبية احتياجات الطاقة المتنوعة داخل النظام. تم تجهيز بنوك المكثفات أيضًا بمكونات الحماية، مثل الصمامات والموصلات وقواطع الدائرة الكهربائية، لمنع ارتفاع درجة الحرارة والأعطال الكهربائية.

بالنسبة للأنظمة ذات التشوه الكبير في الجهد، غالبًا ما تتم إضافة مفاعلات التفكيك إلى تصميم بنك المكثف. بالإضافة إلى ذلك، تضمن مقاومات التفريغ تفريغ المكثفات بأمان عند فصلها عن مصدر الطاقة.

من حيث فعالية التكلفة، توفر بنوك المكثفات نظامًا مستقرًا، وتقلل من استهلاك KVAH، وتوفر فترة استرداد جيدة. على سبيل المثال، بمقارنة نظامين بحمل 60 كيلووات لكل منهما ويعملان بمعامل قدرة 0.6 لمدة 10 ساعات يوميًا، فإن النظام المزود ببنك مكثف يعمل على تحسين معامل القدرة إلى الوحدة يوفر بشكل كبير في فاتورة الطاقة السنوية.

2. المكثفات المتزامنة

المكثف المتزامن هو في الأساس محرك متزامن مفرط الإثارة يعمل بدون تحميل. عند توصيله بالتوازي مع الأحمال الأخرى، فإنه يولد الطاقة التفاعلية اللازمة لتحسين عامل طاقة النظام.

يعتمد مستوى الطاقة التفاعلية المولدة على تيار الإثارة للمحرك. في حالة الإثارة المفرطة، يقوم المكثف المتزامن بتوليد طاقة تفاعلية مع عامل طاقة رائد. تساعد وحدة التحكم التلقائية في الإثارة على تنظيم مستوى إثارة المحرك بناءً على احتياجات الطاقة التفاعلية للنظام في الوقت الفعلي.

تتمثل ميزة المكثفات المتزامنة في قدرتها على ضبط كمية الطاقة التفاعلية المولدة بدقة، على عكس بنوك المكثفات التي تعمل في مراحل ثابتة. هذه المرونة مهمة بشكل خاص في أنظمة الطاقة الكبيرة ذات متطلبات الطاقة التفاعلية المتقلبة.

الشكل 3. مخطط مرحلي يوضح إضافة مكثف متزامن مفرط الإثارة إلى الحمل المتأخر.

مقارنة بنوك المكثفات والمكثفات المتزامنة

في حين أن كلا من بنوك المكثفات والمكثفات المتزامنة تخدم أغراضًا مماثلة، إلا أنها تستخدم عادةً في تطبيقات مختلفة. تعد بنوك المكثفات أكثر شيوعًا في البيئات الصناعية والمحطات الفرعية الأصغر، في حين أن المكثفات المتزامنة مناسبة بشكل أفضل لتطبيقات الطاقة العالية، مثل محطات الطاقة التي تتجاوز 200 ميجا فولت أمبير ومحطات تحويل HVDC.