أنواع التيار المباشر للجهد العالي وتكوينات التيار متعدد الأطراف

يعتبر التيار المباشر “عالي الجهد” أو المعروف باسم (HVDC) طريقة فعالة لنقل الطاقة عبر مسافات طويلة دون التعرض لفقد كبير في الطاقة، لكن نظام (HVDC) يمكنه الاتصال في تكوينات مختلفة، بحيث يتم استخدام كل من هذه التكوينات لعملياتها المحددة.

الأنظمة المتتالية للتيارات المباشرة ذات الجهد العالي:

في التهيئة المتتالية أو (B2B)، لكلا المحول، لذلك؛ فإن مقوم وعاكس مثبت داخل نفس المحطة الطرفية ويتم توصيلهما من الخلف إلى الخلف مع بعضهما البعض، لذلك يقوم بتوصيل نظامي طاقة تيار متردد معاً أي أنه يحول التيار المتردد إلى تيار مستمر باستخدام مقوم ثم يحول على الفور التيار المستمر إلى تيار متردد باستخدام العاكس.

لذلك يتم تثبيته داخل غرفة واحدة تربط بين نظامي طاقة تيار متردد غير متزامنين، ونظراً لأنها متصلة ببعضها البعض؛ فلا يوجد استخدام لخط نقل التيار المستمر، لكن الجهد المستمر للتيار المستمر يتم الاحتفاظ به دائماً منخفض لتقليل عدد الثايرستور المستخدم في السلسلة، وقد يصل التصنيف الحالي في نطاق بضعة آلاف من الأمبيرات.

كما يتم استخدامه لتوصيل اثنين من أنظمة طاقة التيار المتردد غير المتزامنة، وهما:

نظام التيار المباشر عالي الجهد وثنائي المحطات:

في تكوينات (HVDC) ذات المحطتين، توجد محطتان طرفيتان منفصلتان، أي محطات محول حيث يكون أحدهما مقوماً والآخر عبارة عن عاكس، بحيث ترتبط المحطات ببعضها البعض عن طريق خط نقل (HVDC) لنقل الطاقة عبر مسافة طويلة.

لذلك لا توجد خطوط نقل متوازية أو أي طرق وسيطة من خط النقل الخاص بها، وهذا هو سبب تسميتها أيضاً بنقل الطاقة من “نقطة إلى نقطة”، حيث يتم استخدامه لتزويد الطاقة بين نقطتين بعيدتين جداً عن بعضهما البعض.

كما لا يتطلب نظام (HVDC) ذي المحطتين قاطع دائرة (HVDC)، وذلك لأن قاطع دائرة التيار المتردد على جانب “التيار المتردد” يمكن استخدامه لإلغاء تنشيط خط التيار المستمر في حالة الصيانة وإزالة الأعطال، كما أن قواطع التيار المتردد أبسط بكثير في التصميم وأرخص من حيث التكلفة مقارنة بقواطع التيار المستمر.

نظام التيار المباشر متعدد الأطراف (MTDC):

يستخدم هذا النوع من تكوين (HVDC) خطوط نقل متعددة لتوصيل أكثر من نقطتين. توجد محطات طرفية متعددة لكل منها محول خاص بها متصل بشبكة خط نقل (HVDC). تعمل بعض هذه المحولات كمقومات بينما يعمل البعض الآخر كمحولات، كما أن الطاقة التي توفرها مجموعة المقوم تساوي الطاقة المجمعة التي تتلقاها محطات (تحميل) العاكس.

يعتبر هذا النوع من شبكات التيار المستمر مكافئ لشبكة التيار المتردد المرنة ولكن لديها القدرة على التحكم في تدفق الطاقة في “الشبكة الموزعة” بالتيار المستمر، كما أن هذا النوع من الشبكات أكثر تعقيداً بكثير من تكوين (HVDC) طرفي.

وفي نظام (MTDC)؛ فإنه لا يمكننا استخدام قاطع دائرة التيار المتردد على جانب التيار المتردد لأنه سيؤدي إلى إلغاء تنشيط شبكة التيار المستمر بالكامل بدلاً من عزل الخط المحدد الذي به عطل أو الصيانة المجدولة، لذلك يتطلب نظام (MTDC) عدة مفاتيح كهربائية (قاطع دارة) يمكنها فك تنشيط الدوائر الكهربائية بأمان أو عزلها في حالة أعمال الصيانة أو إزالة الأعطال.

كما أنه من الضروري موازنة النظام بحيث تكون كمية التيار التي توفرها محطات المقوم مساوية لكمية التيار في “محطة العاكس”، وفي حالة ارتفاع الطلب على الطاقة من أي محطة عاكس؛ فإنه يتم زيادة طاقة التيار المستمر لتلبية المتطلبات، وعند القيام بذلك؛ فإنه من الضروري مراقبة والتحكم في الجهد المزود وكذلك العاكسات في حالة التحميل الزائد.

لذلك تعتبر أنظمة (MTDC) موثوقة في حالة الانقطاع القسري (الإجباري)، أي انقطاع التيار الكهربائي غير المتوقع من إحدى محطات التوليد العديدة، بحيث يتم نقل مصدر الطاقة من خلال محطة محول أخرى.

تطبيقات (MTDC):

• يربط العديد من مزارع الطاقة المتجددة (DC) بشبكات طاقة متعددة.

• ربط العديد من مزارع الرياح البحرية بشبكة الطاقة.

• نقل الطاقة السائبة من عدة محطات توليد تيار متردد بعيدة إلى مراكز تحميل متعددة.

• السماح بالترابط بين نظامي طاقة “تيار متردد” غير متزامنين.

• إعادة توزيع التيار الكهربائي في حالة “انقطاع التيار” بإحدى محطات التوليد.

• يمكن استخدامه لتوفير المزيد من الطاقة لشبكة التيار المتردد المحملة بشكل كبير باستخدام مقوم واحد ومحولات متعددة تضخ الطاقة في شبكة التيار المتردد المذكورة.

• يوفر المرونة في التنصت على الطاقة في نقاط متعددة.

توصيل أنظمة (MTDC) على التوالي:

في مثل هذا التكوين؛ فإنه يتم توصيل محطات تحويل متعددة في سلسلة مع بعضها البعض، وذلك تماماً كما هو الحال في دائرة متسلسلة، بحيث يبقى التيار المتدفق عبر كل محطة من محطات التحويل كما هو والذي يتم تعيينه بواسطة محطة واحدة بينما قد ينقسم انخفاض الجهد بين محطات المحول.

كما أنه امتداد لنظام (HVDC) ذو طرفين مع محطات تحويل متعددة في سلسلة كما هو موضح في الشكل أعلاه، وعادة ما تكون محطات التحويل ذات سعة أقل من تلك المستخدمة في أنظمة (MTDC) المتوازية، بحيث يستخدم هذا النظام عادةً روابط (DC) أحادية القطب، حيث يتم تأريض الخط عند نقطة واحدة فقط، ومع ذلك؛ فإنه يمكن استخدام مكثف التأريض في أي خط آخر للحماية من العابرين.

توصيل أنظمة (MTDC) على التوازي:

في نظام (MTDC) المتوازي، توجد عدة محطات تحويل (محولات) أو محطات تحميل متصلة بمحطة محول واحدة (مقوم) توفر الطاقة “لشبكة التيار المستمر” بأكملها، وذلك تماماً مثل الدائرة المتوازية، بحيث يبقى الجهد ثابتاً في جميع العاكس أو محطة التحميل التي يتم ضبطها بواسطة إحدى محطات المحول.

بينما قد يتغير العرض الحالي حسب الطلب على الطاقة، وذلك وفقاً للطلب على الطاقة في كل محطة تحميل، بحيث يتم ضبط التيار لموازنة العرض الحالي، كما أن هذه المحطات الطرفية ذات سعة أعلى بشكل عام من الشبكة المتسلسلة.

كما يمكن إجراء انعكاس الطاقة إما من خلال انعكاس الجهد أو انعكاس التيار، لذلك في نظام (MTDC) المتوازي، يؤثر انعكاس الجهد (باستخدام محطات طرفية قائمة على (CSC)) على جميع محطات المحولات، وبالتالي نحتاج إلى تنفيذ نظام تحكم واتصال متطور بين هذه المحولات.

ومع ذلك، إذا تم انعكاس الطاقة باستخدام تقنية الانعكاس الحالية (باستخدام محطة طرفية قائمة على VSC) فسيكون من الأسهل تحقيقه، وهذا هو السبب في تفضيل (VSC) (محولات مصدر الجهد) في نظام (MTDC) المتوازي بدلاً من (CSC).

ونظراً لأن الجهد يظل ثابتاً في نظام (VSC MTDC)؛ فإن التصنيفات الحالية لمحول الصمام تحدد تصنيف الطاقة للمحطة الطرفية، كما أنه يوفر نطاقاً واسعاً من التحكم في تدفق الطاقة في شبكة التيار المستمر عن طريق حقن التيار في خط معين، وهذا أكثر ملاءمة من التحكم في الطاقة في أنظمة متسلسلة باستخدام التحكم في الجهد في كل محطة.