تحقق الطاقة الحقيقية عملاً مفيدًا بينما تدعم الطاقة التفاعلية الجهد الذي يجب التحكم فيه من أجل موثوقية النظام. للقدرة التفاعلية تأثير عميق على أمان أنظمة الطاقة لأنها تؤثر على الفولتية في جميع أنحاء النظام.
أهمية القوة التفاعلية:
يعد التحكم في الجهد في نظام الطاقة الكهربائية أمرًا مهمًا للتشغيل السليم لمعدات الطاقة الكهربائية لمنع التلف مثل ارتفاع درجة حرارة المولدات والمحركات ، لتقليل خسائر النقل والحفاظ على قدرة النظام على الصمود ومنع انهيار الجهد.
انخفاض القدرة التفاعلية يؤدي إلى انخفاض الجهد و زيادته تؤدي إلى ارتفاع الجهد. قد يحدث انهيار الجهد عندما يحاول النظام خدمة حمل أكثر بكثير مما يمكن أن يدعمه الجهد.
إذا اصبح الجهد الكهربي منخفضًا جدًا ، فسيتم فصل بعض المولدات تلقائيًا لحماية نفسها. يحدث انهيار الجهد عندما تؤدي الزيادة في الحمل أو انخفاض مرافق التوليد أو النقل إلى انخفاض الجهد ، مما يؤدي إلى مزيد من الانخفاض في الطاقة التفاعلية من المكثف وشحن الخط ، ولا يزال هناك مزيد من الانخفاض في الجهد. إذا استمر خفض الجهد ، فسوف يتسبب ذلك في تعثر عناصر إضافية ، مما يؤدي إلى مزيد من الانخفاض في الجهد وفقدان الحمل. والنتيجة في كل هذه الانخفاضات التدريجية وغير القابلة للسيطرة في الجهد هي أن النظام غير قادر على توفير الطاقة التفاعلية المطلوبة لتزويد متطلبات الطاقة التفاعلية.
العلاقة بين العناصر الثلاثة للقوة، القوة النشطة، (وات) القوة الظاهرة القدرة التفاعلية (VA) والقوة التفاعلية
(VAr)
إنتاج واستهلاك القدرة التفاعلية.
جميع المعدات الكهربائية التى تحتوى على ملفات تعتبر مستهلكة للـ Q مثل المحركات والمحولات . أما المعدات التى تنتج الـــ Q فهما نوعان :
- الأول هو المولداتGenerators Synchronous.
- والثانى هو المكثفات.
علما بأن المولدات يمكن أن تكون منتجة للـــ Q إذا كان فى حالة Over Excited ، كما يمكن أن تكون مستهلكة للـ Q فى حال كونها Under excited ( الشكل أعلاه) .
اما خطوط النقل / كابلات فهى تعتبر مستهلكة للــ Q فى حال كونها محملة Loaded بأعلى من SIL, Surge Impedance Load وتعتبر منتجة للــ Q إذا كان تحميلها خفيف وأقل من SIL.
واضح من الشكل أعلاه أنه كلما انخفض معامل القدرة كلما كانت لدينا مشكلة أكبر فى التحمل الحرارى للــ rotor بسبب ارتفاع قيمة الــ Reactive power التى تتولد فيه ، وهذه صورة أخرى من صور مساوئ معاملات القدرة المنخفضة.
ضروري للتحكم في الجهد والقدرة التفاعلية:
يعد التحكم في الجهد وإدارة الطاقة التفاعلية جانبين من جوانب نشاط واحد يدعم كلاهما الموثوقية ويسهل المعاملات التجارية عبر شبكات النقل.
يتم التحكم في الجهد من خلال إدارة إنتاج وامتصاص الطاقة التفاعلية في نظام طاقة التيار المتردد
هناك ثلاثة أسباب لضرورة إدارة الطاقة التفاعلية والتحكم في الجهد.
أولاً ، تم تصميم كل من معدات نظام الطاقة و الأجهزة المتوفرة في منزل المستهلك ضمن نطاق من الفولتية ، عادةً في حدود ± 5٪ من الجهد الاسمي. عند الفولتية المنخفضة ، تعمل أنواع كثيرة من المعدات بشكل سيئ ، وتوفر المصابيح إضاءة أقل ، ويمكن أن ترتفع درجة حرارة المحركات الحثية وتتلف ، ولن تعمل بعض المعدات الإلكترونية عندها. قد تؤدي الفولتية العالية إلى إتلاف المعدات وتقصير عمرها.
ثانيًا ، تستهلك الطاقة التفاعلية موارد النقل والتوليد. لتعظيم مقدار الطاقة الحقيقية التي يمكن نقلها عبر خطوط نقل مزدحمة ، يجب تقليل تدفقات الطاقة التفاعلية إلى أدنى حد. وبالمثل ، يمكن أن يحد إنتاج الطاقة التفاعلية من قدرة الطاقة الحقيقية للمولد.
ثالثًا ، يؤدي تحريك القدرة التفاعلية على نظام النقل إلى خسائر حقيقية في الطاقة. يجب توفير كل من السعة والطاقة لتعويض هذه الخسائر.
التحكم في الجهد معقد بسبب عاملين إضافيين.
أولاً ، يعتبر نظام النقل نفسه مستهلكًا غير خطي للطاقة التفاعلية ، اعتمادًا على تحميل النظام. عند التحميل الخفيف جدًا ، يولد النظام طاقة تفاعلية يجب امتصاصها ، بينما في التحميل الثقيل يستهلك النظام قدرًا كبيرًا من الطاقة التفاعلية التي يجب استبدالها. تعتمد متطلبات الطاقة التفاعلية للنظام أيضًا على تكوين التوليد والنقل.
وبالتالي ، تختلف متطلبات رد الفعل للنظام مع تغير مستويات الحمل وأنماط الحمل والتوليد. يتكون نظام الطاقة السائبة من العديد من المعدات ، يمكن لأي منها أن يفشل في أي وقت. لذلك ، تم تصميم النظام لتحمل فقدان ايمعده ومواصلة العمل دون التأثير على المستهلكين. أي أن النظام مصمم لتحمل حالة طوارئ واحدة. يمكن أن يكون لفقدان المولد أو خط النقل الرئيسي تأثير مركب يتمثل في تقليل الإمداد التفاعلي وفي نفس الوقت إعادة تكوين التدفقات بحيث يستهلك النظام طاقة تفاعلية إضافية.
يجب أن يكون جزء على الأقل من الإمداد التفاعلي قادرًا على الاستجابة بسرعة لمتطلبات الطاقة التفاعلية المتغيرة و الحفاظ على الفولتية المقبولة في جميع أنحاء النظام. وهكذا ، مثلما يتطلب النظام الكهربائي احتياطيات طاقة حقيقية للاستجابة لحالات الطوارئ ، كذلك يجب أن يحتفظ باحتياطيات طاقة تفاعلية.
يمكن أن تكون الأحمال أيضًا حقيقية ومتفاعلة. يمكن تقديم الجزء التفاعلي للحمل من نظام النقل. تتحمل الأحمال التفاعلية مزيدًا من انخفاض الجهد وخسائر تفاعلية في نظام النقل أكثر من الأحمال الحقيقية ذات الحجم المماثل (MVA).
تشغيل النظام له ثلاثة أهداف عند إدارة الطاقة التفاعلية والفولتية.
أولاً ، يجب أن تحافظ على الفولتية الكافية في جميع أنحاء نظام النقل والتوزيع لكل من الظروف الحالية والطوارئ.
ثانيًا ، يسعى لتقليل ازدحام تدفقات الطاقة الحقيقية. ثالثًا ، يسعى لتقليل خسائر الطاقة الحقيقية.
المفهوم الأساسي للقوة التفاعلية
لماذا نحتاج إلى قوة رد الفعل:
الطاقة النشطة هي الطاقة التي يتم توفيرها لتشغيل محرك أو تدفئة منزل أو إضاءة مصباح كهربائي. توفر القدرة التفاعلية وظيفة مهمة لتنظيم الجهد.
إذا لم يكن الجهد على النظام عالياً بدرجة كافية ، فلا يمكن توفير الطاقة النشطة.
تُستخدم الطاقة التفاعلية لتوفير مستويات الجهد اللازمة للطاقة النشطة للقيام بعمل مفيد.
تعد القدرة التفاعلية ضرورية لنقل الطاقة النشطة من خلال نظام النقل والتوزيع إلى العميل. الطاقة التفاعلية مطلوبة للحفاظ على الجهد لتوصيل الطاقة النشطة (واط) عبر خطوط النقل.
تتطلب أحمال المحرك والأحمال الأخرى طاقة تفاعلية لتحويل تدفق الإلكترونات إلى عمل مفيد.
عندما لا تكون هناك طاقة تفاعلية كافية ، ينخفض الجهد ولا يمكن دفع الطاقة التي تتطلبها الأحمال عبر الخطوط. “
الطاقة التفاعلية هي منتج ثانوي لأنظمة التيار المتردد
تتطلب المحولات وخطوط النقل والمحركات طاقة تفاعلية. تحتاج المحركات الكهربائية إلى طاقة تفاعلية لإنتاج مجالات مغناطيسية لتشغيلها. تقدم المحولات وخطوط النقل الحث والمقاومة كلاهما يعارض تدفق التيار.
يجب رفع الجهد العالي لدفع الطاقة من خلال محاثة الخطوط ما لم يتم إدخال السعة لتعويض الحث
كيف تتحكم القوة التفاعلية في الفولتية:
يتم التحكم في الفولتية من خلال توفير هامش تحكم في القدرة التفاعلية كافٍ لتلبية الاحتياجات من خلال
- مكثف التحويل وتعويضات المفاعلات
- التعويض الديناميكي
- الجدول الزمني المناسب لتوليد الجهد
- يتم التحكم في الفولتية عن طريق التنبؤ بالقدرة التفاعلية وتصحيحها
القدرة التفاعلية وعامل القدرة
الدائرة مقاومة التيار المتردد، يكون التيار والجهد في الطور، كما يمكن إيجاد القدرة في أي لحظة بضرب الجهد بالتيار في تلك اللحظة، وبسبب العلاقة الموجودة في الطور، يمكن للقدرة أن تكون عبارة عن قيم جذر متوسط التربيع تستخدم للعثور على طاقة التيار المستمر والمكافئ أو تأثير التسخين بسبب المقاومة. ومع ذلك، إذا كانت الدائرة تحتوي على مكونات تفاعلية، فإن أشكال الجهد والتيار ستكون “خارج الطور” بمقدار ما تحدده زاوية طور الدوائر، إذا كانت زاوية الطور بين الجهد والتيار عند الحد الأقصى تساوي 90 درجة، فإن قيمة الفولت أمبير ستكون عبارة عن قيم موجبة وسالبة متساوية. بمعنى آخر، تعيد الدائرة التفاعلية قدراً كبيراً من الطاقة إلى الإمداد الرئيسي، كما يتم استهلاكها مما يؤدي إلى أن متوسط الطاقة التي تستهلكها الدائرة يساوي صفراً بالمجمل، حيث يستمر التدفق بنفس كمية الطاقة بالتناوب، من المصدر إلى الحمل والعودة من الحمل إلى المصدر نظراً لأن لدينا جهداً وتياراً ولكن لم يتم تبديد الطاقة، فإن التعبير عن ((P = IV (rms) لم يعد صالحاً وبالتالي يترتب على ذلك أن منتج (volt-amp) في دائرة التيار المتردد لا يعطي بالضرورة الطاقة المستهلكة.
حدود القدرة التفاعلية :
القوة التفاعلية لا تسافر بعيدًا.عادة ما يكون ضروريًا لإنتاجه بالقرب من الموقع الذي يحتاج إليه
المصدر القريب من موقع الحاجة هو في وضع أفضل بكثير لتوفير الطاقة التفاعلية مقابل تلك التي تقع بعيدًا عن موقع الحاجة. ترتبط مصادر الطاقة التفاعلية ارتباطًا وثيقًا بالقدرة على توفير طاقة حقيقية أو نشطة
تسبب القدرة التفاعلية في غياب الكهرباء – انقطاع التيار الكهربائي
يمكن تقييم جودة إمداد الطاقة الكهربائية بناءً على عدد من المعطيات. ومع ذلك ، فإن الأهم سيكون دائمًا وجود الطاقة الكهربائية وعدد الانقطاعاتومدتها..
عندما يكون استهلاك الطاقة الكهربائية مرتفعًا ، يزداد الطلب على الطاقة التفاعلية الحثية بنفس النسبة. في هذه اللحظة ، تقدم خطوط النقل (المحملة جيدًا) قوة رد فعل حثي إضافية. أصبحت المصادر المحلية للطاقة التفاعلية السعوية غير كافية. من الضروري توفير المزيد من الطاقة التفاعلية من مولدات محطات الطاقة.
قد يحدث أنها محملة بالكامل بالفعل وسيتعين تسليم الطاقة التفاعلية من أماكن بعيدة. سيؤدي نقل الطاقة التفاعلية إلى تحميل المزيد من الخطوط ، والتي بدورها ستؤدي إلى مزيد من الطاقة التفاعلية. سيقل الجهد من جانب العميل أكثر. سيؤدي التحكم المحلي في الجهد عن طريق المحولات الآلية إلى زيادة التيار (للحصول على نفس الطاقة) وهذا بدوره سيزيد من انخفاض الجهد في الخطوط. في لحظة واحدة ، يمكن أن تسير هذه العملية مثل الانهيار الجليدي لتقليل الجهد إلى الصفر. في غضون ذلك ، سيتم إيقاف تشغيل معظم المولدات في محطات الطاقة بسبب الجهد المنخفض بشكل غير مقبول مما سيؤدي بالطبع إلى تدهور الوضع.
كانت القدرة التفاعلية غير الكافية التي تؤدي إلى انهيار الجهد عاملاً مسببًا لحالات انقطاع التيار الكهربائي الكبرى في جميع أنحاء العالم. حدث انهيار الجهد في الولايات المتحدة في انقطاع التيار الكهربائي في 2 يوليو 1996 و 10 أغسطس 1996 على الساحل الغربي
بينما في 14 أغسطس 2003 ، لم يكن انقطاع التيار الكهربائي في الولايات المتحدة وكندا نتيجة لانهيار التيار الكهربائي حيث يستخدم هذا المصطلح بشكل تقليدي من قبل مهندسي أنظمة الطاقة ، ذكر التقرير النهائي لفريق العمل أن “الطاقة التفاعلية غير الكافية كانت مشكلة في التعتيم” و التقرير أيضا “المبالغة في تقدير ديناميات الناتج التفاعلي لتوليد النظام” كعامل مشترك بين الانقطاعات الرئيسية في الولايات المتحدة.
كان الطلب على الطاقة التفاعلية مرتفعًا بشكل غير عادي بسبب الحجم الكبير للإرسال لمسافات طويلة ، مما هو مطلوب لاستيراد الطاقة لتلبية الطلب المحلي. لكن إمداد الطاقة التفاعلية كان منخفضًا لأن بعض المصانع كانت خارج الخدمة ، وربما لأن المصانع الأخرى لم تكن تنتج ما يكفي منها “.
مشكلة القوة التفاعلية:
على الرغم من الحاجة إلى الطاقة التفاعلية لتشغيل العديد من الأجهزة الكهربائية ، إلا أنها يمكن أن تسبب آثارًا ضارة على الأجهزة والأحمال الآلية الأخرى ، فضلاً عن البنية التحتية الكهربائية. نظرًا لأن التيار المتدفق عبر النظام الكهربائي أعلى من ذلك الضروري للقيام بالعمل المطلوب ، فإن الطاقة الزائدة تتبدد في شكل حرارة حيث يتدفق التيار التفاعلي عبر مكونات مقاومة مثل الأسلاك والمفاتيح والمحولات. ضع في اعتبارك أنه عندما يتم إنفاق الطاقة ، فإنك تدفع. لا فرق بين ما إذا كانت الطاقة تنفق في شكل حرارة أو عمل مفيد.
يمكننا تحديد مقدار الطاقة التفاعلية التي تستخدمها الأجهزة الكهربائية عن طريق قياس معامل القدرة ، النسبة بين القوة الحقيقية والقوة الحقيقية. عامل القدرة 1 (أي 100٪) يعني بشكل مثالي أن كل الطاقة الكهربائية يتم تطبيقها من أجل العمل الحقيقي. عادة ما تحتوي المنازل على عوامل طاقة إجمالية في حدود 70٪ إلى 85٪ ، اعتمادًا على الأجهزة التي قد يتم تشغيلها. يمكن أن يكون عامل الطاقة الإجمالي للمنازل الحديثة التي تحتوي على أحدث الأجهزة الموفرة للطاقة 90٪.
تصحح شركات الكهرباء عامل الطاقة حول المجمعات الصناعية ، أو ستطلب من العميل المخالف القيام بذلك ، أو ستفرض رسومًا على الطاقة التفاعلية. لا تشعر شركات الكهرباء بالقلق بشأن الخدمة السكنية لأن التأثير على شبكة التوزيع الخاصة بها ليس بالحدة كما هو الحال في المناطق الصناعية بشكل كبير. ومع ذلك ، فمن الصحيح أن تصحيح معامل القدرة يساعد شركة الكهرباء من خلال تقليل الطلب على الكهرباء ، وبالتالي السماح لهم بتلبية احتياجات الخدمة في أماكن أخرى.
لن يؤدي تصحيح عامل الطاقة إلى زيادة فاتورة الكهرباء أو إلحاق الضرر بأجهزتك الكهربائية. تم تطبيق التكنولوجيا بنجاح في جميع أنحاء الصناعة لسنوات. عندما يكون الحجم مناسبًا ، فإن تصحيح عامل القدرة سيعزز الكفاءة الكهربائية وطول عمر الأحمال الحثية. يمكن أن يكون لتصحيح عامل القدرة آثار جانبية ضارة (مثل التوافقيات) على المعدات الصناعية الحساسة إذا لم يتم التعامل معها من قبل المتخصصين ذوي الخبرة والمعرفة.
