استراتيجية الحماية للتحكم الأقصى للمولد الكهربائي

استخدام استراتيجية الحماية للتحكم الأقصى للمولد الكهربائي

أدى تطور المجتمع إلى زيادة الطلب على الكهرباء، كما لا يمكن لمفهوم تطوير الطاقة الكهربائية التقليدية أن يلبي متطلبات الجودة للطاقة الكهربائية، لذلك؛ فإن البحث عن الطاقة الجديدة وتطويرها هو اتجاه عام، بحيث تتميز الطاقة الجديدة بنظافة أعلى واحتياطيات أكبر من الطاقة التقليدية، كما وأصبحت أنظمة شبكات الطاقة الحديثة متنوعة ومعقدة بسبب انتشار استخدامها.

أيضاً  أدى إلى اختلالات خطيرة في النظام الكهربائي، بحيث سيتم إنشاء تيار التسلسل السلبي عندما يكون النظام غير متوازن، لذلك سوف يتسبب ذلك في حروق محلية في بعض أجزاء الجزء الثابت للمولد وحتى حوادث أكثر خطورة، كما قد يؤدي تكامل الطاقة المتجددة إلى زيادة تيار التسلسل السلبي للنظام، بحيث سيؤدي ذلك إلى تشغيل حماية التسلسل السلبي وسيتم إيقاف تشغيل المجموعة، مما سيؤثر بشكل كبير على سلامة واستقرار تشغيل نظام الطاقة.

أيضاً يمكن تقسيم مصادر الطاقة الجديدة المتصلة بالشبكة الكهربائية إلى نوعين، وهما مصادر الطاقة غير المتزامنة ومصادر طاقة العاكس، وذلك بالنسبة لمصادر الطاقة غير المتزامنة، مثل مولد الرياح المزدوج التغذية، بحيث سيتم حقن تيار التسلسل السلبي في شبكة الطاقة أثناء التشغيل.

وبالنسبة لمصادر طاقة العاكس فإنه يعتبر صفري، بحيث يستخدم التحكم الافتراضي في المولد المتزامن على نطاق واسع في طاقة الرياح والمحولات الكهروضوئية، ولكنه قد يساعد في زيادة تيار التسلسل السلبي الكبير للنظام عندما يكون جهد الشبكة غير متوازن.

سيؤدي تكامل الطاقة الجديد إلى تغيير وضع التشغيل لنظام الطاقة، لذلك من أجل جعل وقت التشغيل لجميع مستويات الحماية لا يزال من الممكن مطابقته تلقائياً في ظل الظروف عندما يتغير وضع التشغيل لشبكة الطاقة بشكل كبير، بحيث تم تجهيز المولد بحماية عكسية للتيار الزائد، لكنها لم تنضج بعد، كما يتم ذلك من خلال تنسيق وضعها المعقد للغاية.

فيما بعد يقوم العديد من الخبراء والعلماء بإجراء بحث أعمق حول هذا الموضوع، بحيث تم اقتراح  استراتيجية حماية الوقت العكسي عند توصيل طاقة العاكس الموزعة، والتي تستند إلى الخصائص الكهربائية لانخفاض الجهد أثناء حدوث خطأ، ومع ذلك؛ فإن الحد الزمني المعكوس التقليدي يعتمد في الغالب على مستوى الجهد المنخفض، ولكنه لا يأخذ في الاعتبار تبديد الحرارة لدوار المولد الكهربائي.

تحليل تيار التسلسل السلبي مع تكامل الطاقة الجديد

سيتم إنشاء تيار التسلسل السلبي عندما يكون نظام الطاقة غير متوازن، بحيث  تشمل الأسباب الرئيسية لعدم التوازن عدم توازن جهد إمداد الطاقة للمولد أو عدم تناسق المعلمات الداخلية أو حدوث أعطال غير متماثلة في الدائرة القصيرة والتشغيل غير الكامل الطور لنظام الطاقة، وعندما يحدث خطأ في نظام الطاقة، يتدفق تيار التسلسل السالب الناتج عن الخطأ من نقطة الخطأ إلى النظام بأكمله، كما ويتدفق معظمها إلى مصدر الطاقة عبر خط الصدع.

لذلك سيتم جلب العديد من المخاطر مع حدوث تيار تسلسل سلبي، ونظراً لوجود تيار تسلسل سلبي كبير، يتم تقليل كفاءة استخدام السعة للمعدات الكهربائية وعزم الدوران الأقصى وسعة التحميل القصوى للمعدات مثل المحركات الكهربائية، علاوة على ذلك، كما يتم اهتزاز جسم الجهاز وتسخين المعدات الكهربائية وتقليل عمرها الإنتاجي.

وكما هو مبين في الشكل التالي (1)، حيث أن (U˙s1 ، U˙s2) هي جهد المولد، بحيث يتم تحويل طاقة خرج التيار المستمر للطاقة الجديدة إلى طاقة تيار متردد من خلال عاكس متصل بالشبكة ثم تتحقق الشبكة المتصلة، ونظراً لتكامل الطاقة الجديد، يتم تحويل شبكة إمداد الطاقة التقليدية إلى شبكة متعددة المصادر.

وفي الوقت نفسه تسبب ذلك الاجراء في مشاكل خطيرة في اختلال التوازن في ثلاث مراحل في نظام الطاقة، وخاصةً عندما يتم توصيل كمية كبيرة من الطاقة الجديدة بنظام الطاقة، كما يتفاقم عدم التوازن ويزداد تيار التسلسل السلبي، بحيث يمكن اعتبار اتصال الطاقة الجديدة بمثابة فشل قصير المدى.

ونظراً لأن مدة الفشل قصيرة؛ فمن المفترض أن تظل طاقة الإدخال أثناء الفشل دون تغيير، لذلك يتم التحكم في العاكس بشرط أن تظل الطاقة الخارجة للطاقة الجديدة ثابتة، ونظراً لأن التيار الكهربائي يتم دراسته بشكل أساسي في حالة حدوث عطل، يمكن عندها أن تكون الطاقة الجديدة مكافئة لنموذج المصدر الحالي المتحكم فيه.

لذلك عندما يحدث عطل في الدائرة القصيرة أحادي الطور عند (K1)؛ فإنه يظهر الرسم التخطيطي المكافئ لشبكة التسلسل السلبي في الشكل التالي (2)، بحيث بعد حدوث عطل في شبكة الطاقة، كما تعتبر الطاقة الجديدة مصدر تيار ديناميكي، لذلك يتم حقن مكونات التسلسل الموجب والسالب لتيار الدائرة القصيرة في الشبكة.

الحد الزمني العكسي للتسلسل السلبي للحماية

من أجل منع تلف الدوار بسبب تيار التسلسل السلبي، غالباً ما تكون المولدات مزودة بحماية ضد التيار الزائد للتسلسل السلبي الزمني العكسي، بحيث يختلف وقت تشغيل الحد الزمني العكسي مع التيار الكهربائي وعلاقة التنسيق بين المرحلتين العلوية والسفلية لها القدرة على التكيف الطبيع، والتي يمكن أن تلبي متطلبات السرعة والانتقائية في نفس الوقت.

كما يجب أن تتطابق قدرة المولد على تحمل تيار التسلسل السلبي مع منحنى خاصية التشغيل الزمني العكسي، بحيث يكون منحنى خاصية التشغيل أعلى من منحنى تيار التسلسل السلبي المسموح به، وذلك لمنع ارتفاع درجة حرارة سطح الدوار، بحيث يجب تثبيت الحد الزمني المعكوس لحماية التيار الزائد المتسلسل السلبي الذي يتطابق مع خصائص المولد، وبالتالي؛ فإنه يمكن أن يمنع إيقاف تشغيل المولد قبل الوصول إلى الحالة الخطرة.

التحكم في التسلسل السلبي الحالي وتحليل وقت التشغيل

بهدف حل مشكلة أن تكامل الطاقة الجديد يمكن أن يزيد تيار التسلسل السلبي؛ فمن الضروري تعويض تيار التسلسل السلبي على طرف المولد لحماية المولد من التلف بسببه، ووفقاً للعلاقة بين القيمة المسموح بها لتيار التسلسل السلبي والمدة الحالية للمولد، يجب تعويض تيار التسلسل السلبي أسفل منحنى تيار التسلسل السلبي الذي يسمح به المولد.

كما يوفر جهاز الطاقة الإلكتروني مثل (STATCOM) ضماناً موثوقاً به للطاقة التفاعلية وتعويض تيار التسلسل السلبي، بحيث أصبحت (STATCOM) المتسلسلة نقطة ساخنة للبحث نظراً لمزاياها مثل النموذجية العالية والتوسيع السهل للمستوى وخصائص الإخراج المثالية خاصةً عندما يتم أخذ المكون الأساسي فقط في الاعتبار، كما يمكن أن يكون نوع مصدر الجهد (STATCOM) مكافئاً لمصدر جهد التيار المتردد الذي يمكن التحكم في اتساع ومرحله بنفس التردد  الكهربائي.

وأخيراً يظهر الرسم التخطيطي لتعويض التسلسل السلبي على طرف المولد في الشكل التالي (3)، بحيث يوجد المولد على الجانب الأيسر من الخط ونظام شبكة طاقة كامل على الجانب الأيمن، كذلك جهاز تعويض لتيار التسلسل السلبي مبني على طرف المولد ومتصل بنظام الطاقة من خلال قاطع كهربائي.

أيضاً يتم استخدام سلسلة (STATCOM) لتعويض التسلسل السلبي على طرف المولد وإكمال التحكم المنسق لتيار التسلسل السلبي، وذلك من أجل ضمان استقرار الجهد الجانبي للتيار المستمر، بحيث يتم حقن تيار التسلسل الصفري (الدوران داخل الزاوية) لتحقيق توازن الطاقة بين المراحل، كما ويستخدم مبدأ توازن الحساسية للتحكم الكهربائي.