ما الأدوار التي تؤديها وحدات التوليد الثابتة للطاقة التفاعلية (SVG) في تعويض القدرة التفاعلية لأنظمة الطاقة؟

كيف يعمل الـSVG: المبدأ التشغيلي الأساسي والتحكم في التيار العكسي

مولدات الفولتية التفاعلية الثابتة، والمعروفة عادةً باسم SVGs، تعمل بشكلٍ مختلف عن الطرق التقليدية في إدارة القدرة التفاعلية. وتعتمد هذه الأجهزة على مكونات شبه موصلة تُسمى الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs) لإنتاج أو استهلاك التيار التفاعلي (المقاس بوحدة الفولت أمبير التفاعلي VARs) دون وجود أي أجزاء ميكانيكية متحركة. وطريقة تنفيذها لهذه المهمة ذكيةٌ فعلاً. فهي تُنشئ تيارات كهربائية مُعاكسة باستخدام تقنية تُعرف باسم تعديل عرض النبضة (PWM). وعندما يتسبب حمل حثي في انزياح الطور نحو التأخر، يرسل جهاز SVG تياراً سعوياً لموازنة الوضع. أما في حالة الأحمال السعوية التي تتسبب في أنواع مختلفة من المشكلات، فيقوم الجهاز بالعكس تماماً. ويحدث كل هذه العملية بسرعةٍ هائلةٍ أيضاً، بحيث تقترب أنظمة الطاقة من معامل القدرة المثالي خلال جزء ضئيل جداً من الثانية.

الانعكاس المبني على الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBT) لمصدر الجهد لتوليد الفولت أمبير التفاعلي (VAR) فورياً

الابتكار الأساسي هو معمارية محول مصدر الجهد المُعتمِد على ترانزستورات الغاطس ذات البوابة العازلة (IGBT). ويتم من خلال التبديل السريع لجهد الحافلة المستمرة عبر أزواج الترانزستورات (IGBT) المتصلة بشكل مضاد-متوازي تكوين موجات تيار متناوب ثلاثية الطور بدقة، بحيث تكون هذه الموجات خارجةً عن جهد الشبكة بزاوية طورية قدرها 90° بالضبط — مما يمكّن من التحكم الدقيق والمستمر في إنتاج القدرة التفاعلية بنسبة تتناسب طرديًا مع جهد النظام. ومن أبرز المزايا التي تتفوق بها هذه التقنية على الحلول التقليدية ما يلي:

• القضاء على مخاطر الرنين التوافقي المتأصلة في مجموعات المكثفات
• التعديل السلس والتدريجي دون انقطاع عبر النطاق الكامل من الوضع السعوي إلى الوضع الحثي
• إخراج تيارٍ مستقلٍ عن الجهد — على عكس أنظمة التعويض الثابتة الخاضعة للتحكم بالثايرستورات (SVCs)

استجابة ديناميكية دون جزء من المillisecond مقارنةً بالقيود المفروضة على التبديل الميكانيكي

تستجيب وحدات التعويض الاستاتيكية للطاقة التفاعلية (SVGs) خلال ١–٥ ملي ثانية — أي أسرع بـ ١٠٠–٣٠٠ ضعف من المكثفات المُدارة بالثايرستورات (التي تتطلب ٣٠٠–٥٠٠ ملي ثانية)، وأسرع بعدة رتب من حيث الترتيب من المفاتيح الميكانيكية، التي تعاني من تأخير يتراوح بين ٢٠–٤٠ دورة بسبب حركة التلامس الفيزيائي وقيود إعادة الإشعال. وهذه السرعة الأقل من دورة واحدة تُعدُّ ضروريةٌ لما يلي:

• منع انهيار الجهد أثناء بدء تشغيل المحركات أو انقطاع المولدات
• التخفيف من الوميض في تطبيقات أفران القوس واللحام
• استقرار الجهد وسط تقلبات سريعة في توليد الطاقة الشمسية/الريحية

وبشكلٍ بالغ الأهمية، تقوم أنظمة SVG بالانتقال بين الوضع السعوي والوضع الحثي دون انقطاع — مما يوفّر احتياطيات عكسية غير منقطعة أثناء اجتياز الأعطال (FRT)، وهي قدرة لا تمتلكها الأنظمة الميكانيكية.

نظام SVG لتحسين جودة الطاقة: التوافقيات، عدم التوازن، والامتثال للمعايير

ترشيح التوافقيات في الوقت الفعلي وتصحيح عدم التوازن ثلاثي الأطوار

تعمل تقنية SVG لمكافحة التشويه التوافقي عن طريق إرسال تيارات معاكسة بشكل شبه فوري، مما يلغي تلك الترددات المزعجة الناتجة عن أجهزة مثل محركات التردد المتغير (VFDs). وعند حدوث ذلك في الزمن الحقيقي، فإنها تحافظ على نسبة التشويه التوافقي الكلي (THD) عند أقل من 5%، وهي نسبةٌ بالغة الأهمية لجميع أنواع المعدات الحساسة المنتشرة في أرضية المصنع. ومن المزايا الكبرى الأخرى لقدرة وحدات SVG على معالجة اختلالات جهد الطور الثلاثي عبر طريقة فريدة تُدار بها القدرة العكسية عبر الأطوار. فعلى سبيل المثال، في منشأة تصنيعية تحتوي على عدد كبير من ماكينات القطع بالليزر أحادية الطور إلى جانب معدات أكبر تعمل بثلاثة أطوار، يؤدي غياب التوازن المناسب إلى ارتفاع درجة حرارة المحركات وانقطاعها مبكّرًا. أما عند تركيب وحدات SVG، فقد شاهدنا انخفاضًا حادًّا في اختلال الجهد من نحو 8% إلى ما يزيد قليلًا عن 2%. وعلى عكس أنظمة المرشحات السلبية القديمة، لا داعي للانتظار حتى تُفعَّل المفاتيح أو التعامل مع مشكلات ضبط التردد المزعجة التي تحدّ من الأداء.

الامتثال لحدود معيار IEEE 519–2022 في المنشآت الصناعية عالية التشويه

تحافظ تقنية SVG على امتثال الأنظمة لمعايير IEEE 519-2022 من خلال الإدارة النشطة للتشويهات التوافقية حتى الرتبة الخمسين، حتى في الظروف القاسية الموجودة في أماكن مثل أفران القوس الكهربائي أو داخل مراكز البيانات. وعندما تبدأ جودة الجهد عند نقطة الربط مع الشبكة (PCC) في الانحراف بنسبة تزيد عن 10%، فإن وحدات SVG هذه تحافظ على نسبة إجمالي التشويه التوافقي (THD) ضمن حدود تصل إلى 3.5% أو أقل، وهي نسبة تقلُّ بشكلٍ مريحٍ عن الحد الأقصى البالغ 5% الذي تحدده معظم شركات توزيع الطاقة. ويُعدُّ مثالٌ واقعيٌّ واحدٌ من مصنع لأشباه الموصلات، حيث أدَّى تركيب وحدات SVG إلى خفض المشكلات الناجمة عن التشويهات التوافقية بنسبة تقارب 92% بعد التشغيل، كما وفَّر للمصنع نحو 740,000 دولار أمريكي سنويًّا في صيانة حزم المكثفات، وفقًا لتقرير أصدره معهد بونيمون العام الماضي. وبعيدًا عن مجرد الامتثال للأنظمة واللوائح، فإن هذا النهج الاستباقي يمنع الغرامات المحتملة، ويحمي المحولات من الإجهادات غير الضرورية، ويساعد العمليات على السير بسلاسة دون انقطاعات غير متوقعة.

الـSVG كأداة لتعزيز استقرار الشبكة الكهربائية: دعم الجهد وقدرة التحمل أثناء الأعطال

التنظيم الديناميكي للجهد أثناء اضطرابات الشبكة وأحداث قدرة التحمل أثناء الأعطال

تساعد تقنية الـSVG في الحفاظ على استقرار الشبكات الكهربائية من خلال حقن أو امتصاص القدرة العكسية فورًا تقريبًا عند حدوث انخفاضات أو ارتفاعات مفاجئة في الجهد أو عند وقوع أعطال في النظام. أما المكثفات الميكانيكية فتستغرق حوالي ٣ إلى ٥ دورات قبل أن تبدأ في الاستجابة، بينما تستجيب أنظمة الـSVG فورًا، مما يحافظ على مستويات الجهد ضمن نطاق ±٢٪ من القيمة الطبيعية ويمنع تشغيل أجهزة الحماية بشكل غير ضروري. وعند التعامل مع حالات قدرة التحمل أثناء الأعطال (FRT)، تحتفظ هذه الأنظمة بما يكفي من احتياطيات القدرة العكسية لتلبية المتطلبات الصارمة التي تفرضها الشبكة، مثل تلك المحددة في معيار IEEE 1547-2018. وفي المناطق التي تشكّل فيها طاقة الرياح نسبة كبيرة من مزيج الطاقة المنتجة، فإن استخدام التحكم بالجهد القائم على الـSVG يقلل من انقطاعات التيار الكهربائي بنسبة تصل إلى ٦٠٪ مقارنةً بالأساليب القديمة، وفقًا لبحث نُشر في مجلة Power Systems Research عام ٢٠٢٣.

الحالة الدراسية: دمج مزرعة رياح بجهد ٣٣ كيلوفولت مع نظام تعويض الاستطاعة الرACTIVE القائم على المحولات الثابتة (SVG)

أظهرت مزرعة رياح بجهد ٣٣ كيلوفولت، المكوَّنة من ١٥ توربيناً، الأثر المُثبِّت للشبكة الكهربائية الذي يحققه نظام المحولات الثابتة (SVG). فقبل التركيب، تجاوزت انخفاضات الجهد الناجمة عن الهبات الرياحيَّة ٨٪، ما أدى إلى انفصال التوربينات عن الشبكة. وبعد تركيب نظام SVG بسعة ٥ ميغافولت-أمبير-رACTIVE، حافظ الاحتياطي الرACTIVE على جهد الشبكة ضمن هامش ±١٫٥٪ من قيمته الأساسية خلال ٩٨٪ من حالات التشغيل أثناء الأعطال (FRT). ومن أبرز النتائج المحقَّقة:

• خفض بنسبة ٧٠٪ في حالات انخفاض الجهد دون ٠٫٩ وحدة قياسية (pu) أثناء أعطال الشبكة
• عدم حدوث أي انقطاع في تشغيل توربينات الرياح خلال نوافذ الأعطال التي استمرت ٠٫١٥ ثانية
• الامتثال الكامل لمتطلبات شفرة شبكة الطاقة الأوروبية EN 50549-2:2019 الخاصة بدمج مصادر الطاقة المتجددة

وتؤكِّد هذه الحالة الدراسية الدور المحوري الذي يؤديه نظام المحولات الثابتة (SVG) في تمكين دمج مصادر الطاقة المتجددة بشكلٍ موثوقٍ وعالي الكثافة.

نظام المحولات الثابتة (SVG) مقابل الحلول البديلة: المرونة التشغيلية والقيمة على امتداد دورة الحياة

توفّر تقنية SVG مرونةً أكبر بكثيرٍ مقارنةً بالبنوك التقليدية للمكثفات وأنظمة التحكم بالثايرستور. وعلى عكس الخيارات الميكانيكية التي تُفعِّل القدرة العكسية على مراحلٍ مع تأخيرٍ ملحوظ، فإن أنظمة SVG تتعامل مع القدرة العكسية بشكلٍ مستمرٍ في كلا الاتجاهين تقريبًا فورًا، مما يخلّصنا من تلك الظواهر العابرة المزعجة ومشكلات تذبذب الجهد. وتُشكّل السرعة الفارقَ الأهم في الصناعات التي تتغيّر أحمالها باستمرار، مثل عمليات اللحام ومصانع درفلة الفولاذ. فالتجهيزات القياسية لا تستطيع مواكبة هذه المتطلبات عندما تتجاوز أوقات الاستجابة ١٠٠ ملي ثانية، ما يؤدي إلى عدم استقرار النظام ومشاكل إنتاجية لا يرغب أحدٌ في التعامل معها.

تبرز قيمة المقترح على المدى الطويل حقًا عند النظر إلى هذه الأنظمة. ففي الواقع، تقلل تقنية الـ SVG من الفقد بنسبة تتراوح بين النصف وثلاثة أرباع مقارنةً بنماذج الـ SVC المماثلة. ولماذا؟ لأنها لا تتضمن بعد الآن تسخين الملفات الحثية، كما أننا لسنا بحاجةٍ للتعامل مع مرشحات التوافقيات الخارجية المزعجة تلك أيضًا. وهذا يعني وفورات حقيقية في فواتير الطاقة على المدى الطويل. ومن المزايا الكبيرة الأخرى أنه لا توجد أجزاء متحركة إطلاقًا يجب الاهتمام بها، ولا مكثفات تتآكل مع الزمن وتحتاج إلى استبدال دوري. ويمكن أن تمتد فترات الفحوصات الصيانية ما بين ٣ إلى ٥ سنوات أطول مما نراه في الأنظمة الكهروميكانيكية الأقدم. وقد أبلغت بعض عمليات التعدين عن تحقيق نسبة تشغيل تقترب من ٩٩,٥٪ باستخدام هذه التركيبات، وهو ما يساعد بطبيعة الحال في تجنّب توقفات الإنتاج المُكلفة. علاوةً على ذلك، فإن الحجم الفيزيائي لوحدات الـ SVG يشغل مساحة أقل بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٦٠٪ مقارنةً بالبنوك التقليدية للمكثفات. وهذا يجعلها خيارات مثالية لإعادة تجهيز المرافق القائمة حيث تكون المساحة محدودة للغاية.

أسئلة شائعة

ما هو ملف SVG وكيف يعمل؟

ملف SVG، أو مولِّد المتغيرات الثابتة، هو جهازٌ يُدار به القدرة العكسية دون أجزاء ميكانيكية متحركة. ويستخدم هذا الجهاز ترانزستورات الغاز المزدوج ذات البوابة العازلة (IGBTs) لإنشاء تيارات كهربائية مُعاكسة وتوازن الأحمال الحثية أو السعوية فورًا تقريبًا.

كيف تحسّن أجهزة SVG جودة الطاقة؟

تحسّن أجهزة SVG جودة الطاقة من خلال ترشيح التوافقيات، وتصحيح عدم التوازن في الدوائر الثلاثية الطور، والحفاظ على الامتثال للمعايير الصناعية مثل معيار IEEE 519-2022. كما تساعد في تقليل هبوط الجهد والحفاظ على مستويات إجمالي التشويه التوافقي (THD) عند قيم منخفضة.

ما الفوائد التي تقدمها تقنية SVG مقارنةً بالأساليب التقليدية؟

تقدم تقنية SVG أوقات استجابة أسرع، ومرونة أكبر، وفقدانًا أقل في الطاقة، ومتطلبات صيانة أقل، واستغلالًا أكثر كفاءة للمساحة مقارنةً ببنوك المكثفات التقليدية وأنظمة التحكم بالثايرستور.