التحكم بتبادل الطور الكهربائي لتقليل التيار والجهد

أهمية التحكم بتبادل الطور الكهربائي لتقليل التيار والجهد

يؤدي التوسع المستمر في نظام الطاقة إلى إنشاء بنية معقدة بشكل متزايد للشبكة الكهربائية، كما ويزداد الأمر تعقيداً بسبب ظهور خطوط الربط بين الأقاليم وأنظمة النقل ذات السعة الكبيرة لمسافات طويلة، وبسبب القيود الاقتصادية، يعمل النظام عند مستوى قريب من حالة الاستقرار، مما يعني أن الحفاظ على حد الأمان واستقرار نظام الطاقة أمر خطير، ونظراً لسوق الكهرباء الناشئة؛ فإنه من المتوقع حدوث تغييرات إضافية في وضع وظروف شبكة الطاقة، مما يجعل سلوكها الديناميكي معقداً.

لذلك؛ فإن أنظمة التحكم في حالات الطوارئ هي إجراء فعال لتحسين استقرار النظام وضمان التشغيل الآمن والمستقر لشبكة الطاقة، بحيث يمكن أن تتحكم هذه الإجراءات في نظام الطاقة في حالة اضطراب طارئ لمنع النظام من المساس بالاستقرار أو تجاوز معايير التشغيل، بالإضافة إلى زيادة توسع الحادث الذي قد يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع.

كذلك يمكن للتحكم في حالات الطوارئ أيضاً أن يحسن قوة الإرسال لبعض خطوط النقل التي تكون السعة فيها محدودة بسبب حد الاستقرار العابر؛ بل ويعزز قوة النقل للخطوط القريبة من حد الاستقرار الثابت، وفي نظام الطاقة الحديث؛ يتمثل الغرض من اتخاذ قرارات التحكم في حالات الطوارئ في تحديد تدابير التحكم التي يمكنها تثبيت النظام وتقليل التكاليف في ظل أخطاء معينة.

لذلك قدمت طريقة التحكم في حالات الطوارئ التي تم تطويرها مؤخراً، وهي تقنية تبادل تسلسل الطور (PSET)، بحيث تستخدم هذه التقنية المكونات الإلكترونية للقدرة التي يمكن التحكم فيها لتشكيل جهاز تبادل تسلسل الطور، وذلك مع أخذ زاوية طاقة النظام كمتغير تحكم لتحقيق سلسلة من الوظائف بما في ذلك الانقطاع السريع وضبط تسلسل الطور والإغلاق السريع في الوقت المناسب.

كذلك يمكن أن تمنع تقنية تبادل تسلسل الطور النظام من أن يصبح خارج الخطوة، وذلك مع الحفاظ على السلامة الهيكلية لشبكة الطاقة، بحيث تبدأ عملية (PSET) عندما يفصل جهاز الطاقة الإلكتروني، والذي يتكون من قواطع دوائر الحالة الصلبة للخط، ثم يتم تبادل تسلسل الطور بدوره، كما ويتم تنشيط قاطع دائرة الحالة الصلبة.

ومع ذلك، وبعد التبديل؛ فإنه لا تفي زاوية الطاقة في النظام عادة بشرط التزامن عند تنشيط قاطع دائرة الحالة الصلبة، وبالتالي سيحدث تيار النبضة وعزم الدوران حتماً في عملية الإغلاق، كما يمكن أن يؤدي التيار النبضي إلى تدمير المولد وإنهاء الأداء الكهربائي لنظام الطاقة وحرق ملفات المولد في الحالات الخطيرة.

إدخال تقنية تبادل تسلسل الطور الكهربائي

تعد تقنية تبادل تسلسل الطور (PSET) إحدى طرق التحكم في حالات الطوارئ لنظام الطاقة التي تم تطويرها مؤخراً، والتي يمكن استخدامها لمنع النظام من الدخول في حالة خارج الخطوة، كما يمكن استخدام (PSET) في حالة مثل نظام ناقل واحد لآلة إلى لانهائية تعرض لاضطراب تتأرجح فيه زاوية الطاقة إلى زاوية معينة بين [(90) درجة – (180) درجة].

وهناك عتبة زاوية القدرة لـ (PSET) مضبوطة على (δm)، وعندما يكون النظام خارج الخطوة وتتأرجح زاوية الطاقة إلى (δm)؛ فإن استخدام المعدات الإلكترونية للطاقة يؤدي إلى اختلال الاتصال بسرعة عن طريق فصل المرحلة الجانبية الأولية لخط الاتصال، ثم يتصل التسلسل ثلاثي الطور (A ، B ، C )بالتسلسل ثلاثي الطور (C ، A ، B)، مما يقلل الزاوية على الفور بمقدار 120 درجة، وبالتالي يمنع النظام من الدخول في حالة الخروج عن الخطوة، بحيث يرد مخطط متجه لزاوية القدرة يوضح هذه العملية في الشكل التالي (1).

وفي الحالة التي يكون فيها تبادل تسلسل الطور هو (δ = δm)؛ فإنه يجب اتباع الخطوات التالية:

• في المرحلة (A)، حيث تكون زاوية القدرة (δA) قبل تبادل تسلسل الطور هي الزاوية بين (Phaseor E˙A) و (U˙a) بعد تبادل تسلسل الطور.

• زاوية القدرة (δA) هي الزاوية بين الطور (E˙B) (الذي تم تغييره إلى E˙A بعد تبادل تسلسل الطور) و (U˙a)، بحيث يتم توفير مخطط متجه للمرحلة (A) ومخطط توصيل تسلسل طور في الشكل التالي (2)، حيث يمكن ملاحظة أن تبادل تسلسل الطور يقلل من زاوية قدرة النظام بمقدار (120) درجة.

تأثير تقنية تبادل تسلسل المرحلة

يتحقق هذا القسم من جدوى عملية تسلسل الاستبدال من جانبي تيار النبضة وعزم الدوران النبضي، حيث أن أخطر خطأ هو الدائرة القصيرة ثلاثية الطور عند مخرج المولد، والتي تستخدم كمعيار للمعايرة، خاصةً إذا كان تيار النبضة وعزم الدوران الناتج عن تسلسل التبديل أقل من تلك التي تسببها الدائرة القصيرة ثلاثية الطور عند مخرج المولد؛ فيمكن اعتبار التأثير الناجم عن تسلسل التبديل ضمن النطاق الدائم للنظام.

الدفع الحالي للتيار: يتم استخدام نموذج من آلة إلى ناقل غير محدود للتحليل في هذه الدراسة، كما هو موضح في الشكل التالي (3)، وفي هذا النموذج تعتبر (E) بمثابة جهد عدم تحميل المولد، (U˙) هو جهد الناقل اللانهائي، (X ′ ′ d) هو المفاعل الفرعي العابر للمحور المباشر للمولد و (Xs) هو تفاعل اتصال النظام، بما في ذلك مفاعلة المحول (XT) ومفاعلة الخط (Xl)، كما تم إهمال مقاومة الحلقة في عملية التحليل.

كما يوضح الشكل التالي (4) مخطط طور الجهد عند الإغلاق، وهنا تعتبر (ΔU˙) قيمة الفرق النسبي بين جهد المولد المحتمل (E˙) والجهد اللانهائي للناقل (U˙)، وعند تنشيطه، بينما (Ud) و (Uq) هما إسقاطات (ΔU˙) على (D و Q) المحاور على التوالي، وذلك بسبب أن (ΔU˙ ≠ 0)، بحيث سيتم إنشاء تيار دافع أثناء الإغلاق.

شروط لتحمل الدافع الحالي: عندما تكون (δ = 180∘)، يصل تيار النبضة الناتج عن الإغلاق (دون مراعاة المكون غير الدوري) إلى الحد الأقصى، وهو حوالي [2U / (X′′d + Xs)]، وفي التطبيق العملي؛ فإنه يجب تحقيق تبادل تسلسل الطور قبل أن تصل زاوية الطاقة إلى 180 درجة، وذلك بافتراض أن تسلسل طور التبادل هو (δ = 150∘)، كما تكون زاوية قدرة النظام (δ = 30∘) عند التنشيط، كما وتكون القيمة الحالية التي تم الحصول عليها أقل بكثير من تلك في الحالة الأكثر خطورة، وهناك استبدال يبلغ تقريباً (δ = 30∘) بالمكافئ وتيار النبضة حوالي [0.52U / (X′′d + Xs)].

تأثير حساب عزم الدوران: بتطبيق مبدأ التراكب، بحيث يمكن اعتبار عملية تشغيل (PSET) على أنها سلسلة مفاجئة من مصادر الجهد عند انقطاع قاطع دائرة الحالة الصلبة، والتي تساوي جهد القطع قبل الإغلاق والعكس في الاتجاه، كما يرد رسم تخطيطي يوضح هذا المبدأ في الشكل التالي (5).

وقبل التشغيل، يكون فرق الجهد بين جهد المولد (E˙) و جهد الناقل اللانهائي (U˙) هو (ΔU˙)، بحيث تعتبر عملية الإغلاق سلسلة مفاجئة من مصادر الجهد الكهربائي (−ΔU˙) عند الفاصل، كما ويعمل مصدر الطاقة المتراكب (−ΔU˙) على المولد في حالة عدم الإثارة (أي الحالة الأولية الصفرية)، بحيث يتمثل المبدأ الأساسي لحساب عزم الدوران الكهرومغناطيسي الدافع في تحليل ارتباط التيار الإضافي والتدفق الناتج عن حلقة الجزء الثابت تحت تأثير مصدر الطاقة المتراكب وإضافتها إلى تيار الجزء الثابت ووصلة التدفق قبل التشغيل.