استخدام إلكترونيات القدرة للتحكم الكهربائي في تشغيل HVDC

أهمية استخدام إلكترونيات القدرة للتحكم الكهربائي في تشغيل HVDC

مع الموثوقية المعززة للأجهزة الإلكترونية للقدرة؛ فإنه تم تحسين مستوى الاستقرار والجهد لنقل التيار المباشر “تدريجياً” وتم التعرف على تقنية نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) على نطاق واسع، كما يتم تحقيق الترابط بين أنظمة طاقة التيار المتناوب و”شبكات التيار المستمر” من خلال محطات تحويل التيار المستمر، والتي تحل الترابط بين الشبكات غير المتزامنة دون الحاجة إلى النظر في قضايا اختلافات الطور واختلافات التردد الكهربائي في شبكات الطاقة.

وبالنسبة لنظام (HVDC) القائم على الثايرستور؛ فإنه يجب توفير قدر كبير من الطاقة التفاعلية بواسطة أنظمة التيار المتردد أثناء العملية، وبالتالي من الضروري أن تتمتع أنظمة التيار المتردد بقدرة أقوى على تعويض القدرة التفاعلية، كما أن هناك العديد من الطرق لتعويض القدرة التفاعلية، بما في ذلك المكثف المتزامن ومعوض الفرق الثابت (SVC) والمعوض المتزامن الثابت (STATCOM).

وتعتبر المكثفات المتزامنة كجهاز تعويض الطاقة التفاعلية الدورية، كذلك لها مزايا في الحفاظ على استقرار الجهد وتنظيمه (SVC)، وبدون أجزاء دوارة؛ فإنها عبارة عن جهاز “تعويض طاقة ديناميكي” سريع وسلس ويمكن التحكم فيه، كما يمكن لـ (STATCOM)، التي تعادل مصدر طاقة تفاعلي يمكن التحكم فيه، حيث أنها تعوض تلقائياً عن الطاقة التفاعلية التي تطلبها الشبكة الكهربائية.

وبالمقارنة مع الطريقتين الأخريين، لا يتأثر خرج الطاقة التفاعلية “للمكثف المتزامن” بتشغيل شبكات الطاقة ويمكن أن يحقق دعماً سريعاً للطاقة التفاعلية باستخدام منظم الجهد الكهربائي “الأوتوماتيكي” (AVR)، كما يشيع استخدام المكثف المتزامن في محطة نظام (HVDC) كجهاز دعم ديناميكي للطاقة التفاعلية.

كما تعتبر عملية التحكم في بدء تشغيل المكثف المتزامن معقدة مع مجموعة متنوعة من طرق بدء التشغيل، بما في ذلك بدء الجهد الكامل وبدء الحث المتسلسل بجهد منخفض وبدء تشغيل المحرك الإضافي والبدء غير المتزامن وبدء التردد المتغير، وما إلى ذلك، كما تمت الإشارة إلى أنه في نظام صلب، بحيث كان بدء الجهد الكامل ممكناً من وجهة نظر انخفاض الجهد ويستخدم بشكل متكرر بينما قد يكون من الضروري في نظام أضعف بدء تشغيل الجهد المنخفض (أو بعض طرق بدء التشغيل الأخرى).

وبصرف النظر عن جوانب انخفاض الجهد الكهربائي؛ فقد كان بدء الجهد المنخفض مفيداً أيضاً لتقليل قوى لف الجزء الثابت، والذي قد يكون عاملاً مهماً في البدء المتكرر، كذلك عادةً لا يمتد عمود المكثف المتزامن خارج القاعدة، مما يشير إلى أن دواره يمكن سحبه بواسطة المحرك الرئيسي، ومن ثم قد لا تكون طريقة بدء تشغيل المحرك الإضافي مناسبة لبدء المكثف.

هيكل نظام التحكم الكهربائي ومبدأ العمل

لدراسة التحكم ببدء التردد الكهربائي المتغير للمكثف المتزامن؛ فإنه تم إنشاء نظام (HVDC) مع مكثف متزامن في (PSCAD / EMTDC)، بحيث يتكون النظام العام من ثلاثة أجزاء، بما في ذلك المكثف المتزامن ونظام (SFC) القائم على إلكترونيات القدرة ونظام (HVDC)، كما يوضح الشكل التالي (1) تخطيطياً أحادي الخط لنظام (HVDC) المتكامل والمكثف المتزامن مع (SFC) القائم على إلكترونيات القدرة.

المكثف المتزامن: تتمثل الوظيفة الرئيسية للمكثف المتزامن في توفير دعم ديناميكي للطاقة التفاعلية لشبكة الطاقة أو محطة المحول وضبط عامل القدرة عند نقطة التوصيل البين، كما أن جوهرها هو محرك متزامن في ظل ظروف تشغيل بدون تحميل مع عدم وجود خرج طاقة نشط في ظل الظروف الاسمية، بحيث يعمل المكثف المتزامن عمومًا في حالة الإثارة المفرطة لامتصاص القدرة التفاعلية السعوية من الشبكة، أي لتوفير طاقة تفاعلية حثيّة للشبكة الكهربائية.

وذلك لتوفير دعم ديناميكي للجهد عند نقطة التوصيل البينين بحيث يشبه النموذج الرياضي للمكثف المتزامن نموذج المولد المتزامن، كما يمكن اشتقاق العلاقات “الرياضية التفاضلية” لزاوية الدوار والسرعة الزاوية للدوار و”القوة الدافعة الكهربائية” العابرة فيما يتعلق بالكميات العابرة اللحظية.

كما يشبه النموذج الرياضي للمكثف المتزامن نموذج المولد المتزامن، بحيث يمكن اشتقاق العلاقات الرياضية التفاضلية لزاوية الدوار والسرعة الزاوية للدوار والقوة الدافعة الكهربائية العابرة فيما يتعلق بالكميات العابرة اللحظية:

حيث أن (δ ، ω ، ωs ، TJ ، Pe ، D ، E′q ، T′d0 ، Xd ، Xq ، Efq) هي زاوية الدوار، السرعة الزاوية للدوار، مرجع السرعة الزاوية، ثابت وقت القصور الذاتي الدوار، القوة الكهرومغناطيسية، معامل التخميد، القوة الدافعة الكهربائية العابرة، ثابت الوقت العابر للدائرة المفتوحة المحور (d)، التفاعل المتزامن للمحور (d)، المفاعلة المتزامنة لمحور (q)، التفاعل العابر للمحور (d)، جهد الإثارة ، على التوالي، وفي ظل ظروف التشغيل المستقرة؛ فإن التفاعل العابر للمحور (d) والمحور (q) للمكثف المتزامن يفي بالعلاقات الجبرية التالية:

حيث (Ra ، vd ، vq ، id ، iq) هي مقاومة الجزء الثابت ومكون الجهد للمحور (d) ومكون الجهد لمحور (q) والمكون الحالي للمحور (d) والمكون الحالي لمحور (q) على التوالي، وعندما يعمل المكثف في ظل ظروف الإثارة الزائدة؛ فإن القوة الدافعة الكهربائية المضادة للحمل (E0)، والتي يتم إنشاؤها بواسطة المجال المغناطيسي الدوار للدوار.

محول التردد الثابت: تتمثل أهداف استخدام (SFC) في التحكم في الجهد أو التيار الكهربائي بتردد متغير مستمر وقابل للتعديل عبر إلكترونيات الطاقة، لذلك لقد تم استخدامه بشكل أساسي لبدء تشغيل مجموعات المولدات المتوسطة في محطات الطاقة مع تخزين الضخ، كما وسحب مجموعات الماكينات الكبيرة. يستخدم أسلوب التحكم في بدء التردد المتغير عمومًا لبدء مكثف متزامن.

لذلك ينقسم نظام (SFC) إلى (SFC) قائم على محول مصدر الجهد (VSC) ومحول المصدر الحالي (CSC) المستند إلى (SFC)، وبالنسبة إلى (SFC) القائم على (VSC)، والذي يحول تردد الجهد عند محطة (SFC) (AC)؛ فإنه يتكون من محول جانب الشبكة ومحول جانب المكثف ومكثف (DC).

كما يستخدم محول جانب الشبكة بشكل أساسي لتوفير جهد تيار مستمر ثابت، ومن ثم يمكن تمثيل محول جانب الشبكة ومكثف التيار المستمر الخاص به بمصدر جهد تيار مستمر مكافئ، بحيث يوضح الشكل التالي (2) طوبولوجيا (SFC) القائم على (VSC).

لذلك يرتبط ارتباطاً إيجابياً بتردد جهد التيار المتردد، ومن أجل التحكم في سرعة الدوار للمكثف المتزامن إلى 105٪ من السرعة المقدرة، كما يجب أن يكون تردد جهد التيار المتردد الذي يتحكم فيه (SFC 1.05) مرة من التردد الاسمي، نظراً لأن التردد الاسمي لشبكة التيار المتردد هو 50 هرتز، بحيث يجب أن تكون إعدادات تردد الجهد الخاضع للتحكم في (SFC 52.5) هرتز.

وعندما تصل سرعة الدوار إلى 105٪ (3150 دورة في الدقيقة) من السرعة المقدرة (3000 دورة في الدقيقة) ؛ فإنه يتم فصل قاطع الدائرة بين (SFC) والمكثف المتزامن، كذلك ينتقل المكثف المتزامن إلى وضع التباطؤ ويبدأ الجزء الثابت في إنشاء الجهد، بحيث يتم تنشيط التحكم في التزامن في هذه المرحلة لالتقاط نقطة تكامل التزامن، يتم توصيل المكثف المتزامن بالنظام عن طريق إغلاق قاطع دائرة التكامل عندما تكون سرعة الدوار قريبة من (3000) دورة في الدقيقة.