التصحيح الاتجاهي لمرحل التيار الكهربائي باستخدام منحدر الجهد

ضرورة التصحيح الاتجاهي لمرحل التيار الكهربائي

تظهر الحاجة إلى نظام (DC) متعدد الأطراف بسبب الزيادة في مصادر الطاقة الموزعة للتيار المستمر مثل الكهروضوئية والزيادة في استهلاك حمل التيار المستمر، بحيث يتمتع نظام (MTDC) (DC متعدد الأطراف) بميزة الاستقرار الممتاز للنظام باستخدام محول، ولكن لم يتم تحديد معدات الحماية والتنظيم للتعامل مع حادث خطأ التيار المستمر. في نظام (MTDC)، كما يتدفق تيار زائد كبير جداً بسبب تفريغ مكثف في حالة حدوث عطل.

كما أن “التيار الزائد” سريع جداً بالمعدل الذي يزداد به، مما قد يؤدي إلى تدمير العديد من المرافق في نظام التيار المستمر، لذلك؛ فإن البحث لتقليل وقت تشغيل (DCCB) (قاطع الدائرة DC) مستمر، بحيث تنقسم (DCCBs) إلى أربعة أنواع، وهي قواطع الدائرة السلبية، النشطة، الصلبة، الهجينة، والقواطع السلبية والنشطة غير مكلفة نسبياً، ولكن يصعب تطبيقها نسبياً لأن وقت الانقطاع طويل.

حالياً تم تطوير (DCCB) الهجين ليكون قادراً، وذلك على الحجب في غضون (2) مللي ثانية، ومع ذلك؛ فإن (DCCB) الهجين له تكلفة عالية جداً على السعة، لذلك تمت دراسة تدابير تقليل السعة الحالية لقاطع الدائرة، والحل التمثيلي هو استخدام (FCL) (محدد التيار الخاطئ).

ومع ذلك؛ فإن (FCL) المقاوم لديه وقت استجابة طويل محدد، لذلك من الصعب تطبيقه على نظام (DC) حيث يزيد تيار العطل بسرعة خلال (1) مللي ثانية، ونتيجة لهذا؛ فإن (SFCL) (المحدد الحالي لخطأ التوصيل الفائق) الذي يستخدم خصائص الموصلية الفائقة للموصل الفائق لا يحد بشكل فعال من تيار العطل في وقت قصير فحسب، ولكن أيضاً ليست هناك حاجة لاستخدام (DCCB) ذي السعة الكبيرة.

كذلك تم إجراء دراسات مختلفة على أنواع محددات التيار الخاطئ فائقة التوصيل، من بينها، نوع المشغل (SFCL) المستخدم في هذا الطرح وبه عنصر تبديل متصل، وذلك على عكس النوع المقاوم (SFCL)، وبشكل عام، لا يستطيع النوع المقاوم (SFCL) حماية عنصر التوصيل الفائق من تيار عطل كبير، وبالتالي يفقد العنصر فائق التوصيل غالباً الموصلية الفائقة.

ومن أجل منع ذلك، تمت دراسة نوع المشغل (SFCL) حيث يتم قياس الجهد الكهربائي عبر عنصر التوصيل الفائق لتشغيل المفتاح، كما ويكون حد تيار العطل مقيداً بـ (CLR)، وليس عنصر التوصيل الفائق، بحيث تتمتع هذه الطريقة بميزة كبيرة من حيث الاقتصاد من خلال تقليل كمية العناصر فائقة التوصيل المستخدمة، وعلى سبيل المثال (SFCL) المطبق في نظام نقل فئة (154) كيلو فولت في كوريا الجنوبية، أيضاً نوع المشغل (SFCL)، وليس النوع المقاوم (SFCL).

تيار خطأ في نظام التيار المباشر متعدد الأطراف مع SFCL

تكوين نظام التيار المباشر متعدد الأطراف

في خضم الدراسة الحالية، تم إنشاء نظام (DC) متعدد الأطراف متصل بنظام توزيع التيار المتردد من خلال (VSC) (محول مصدر الجهد)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث يتكون نظام (MTDC) (متعدد الأطراف DC) من اثنين تحميل، وهما (VSC و PV) محطة، كما تم إنشاء (VSC) في شكل محول 3 مستويات.

لذلك تبلغ السعة الكهروضوئية (15 ميغاواط)، وذلك بافتراض الطاقة القصوى، كما وتستهلك كل حمولة 4 ميغاواط، لذلك يرسل ما مقداره (VSC (7 – MW من الطاقة إلى نظام التيار المتردد، أيضاً يمكن تغيير الطاقة في (VSC) وفقاً لإخراج الطاقة الكهروضوئية واستهلاك الحمل.

ولتوصيل (PV) بنظام (MTDC)؛ فإنه تم تصميم محول دفعة وتم التحكم فيه وفقاً لخوارزمية (MPPT) (تتبع نقطة الطاقة القصوى)، كما يتم توصيل كل حمل للتيار المستمر بنظام (MTDC) من خلال محول باك ويتم الحفاظ على ثبات الطاقة الاستهلاكية للحمل، بحيث تم تطبيق (SFCL)، وهو المحدد الحالي لخطأ التوصيل الفائق في وحدة التغذية الأمامية إلى (BUS1)، حيث يتدفق تيار الأعطال الأكبر في نظام التيار المستمر.

أيضاً تم تصميم الكبل الذي يتكون من نظام (MTDC) بواسطة قطعة غلاف الألمنيوم المجدولة (XLPE) (كابل معزول من البولي إيثيلين المتقاطع) وأقصى مقاومة كهربائية للموصل عند (20) درجة هي حوالي  (0.0176 Ω / كم) والسعة (0.33 uF / كم)، كما يتم استخدام (ACSR 170/40) كخط علوي وأقصى مقاومة للموصل عند (20) درجة هي (0.1682 Ω / كم).

خطأ التدفق الحالي في أنظمة التيار المباشر متعددة الأطراف

من خلال الشكل التالي (2)، يُفترض أن يكون موقع الخطأ عند التحميل (1)، ولكن قد يحدث الخطأ في (PV) أو (load2)، كما ويمكن توصيل المزيد من وحدات التغذية بـ (BUS2)، ونظراً لأن مكثف (VSC) هو الأكبر بشكل عام في نظام (MTDC)؛ فإن النقطة التي يكون فيها تيار العطل أكبر هي أيضاً (BUS1)، ولهذا السبب، تقرر أن الموقع الأكثر فعالية لتطبيق (SFCL) كان في وحدة التغذية الأمامية لـ (BUS1).

لذلك حدث الخلل عند التحميل (1)، وذلك كما يتضح من الشكل السابق (2)، حيث أن نوع العطل هو من قطب إلى قطب في نظام (DC)، كذلك تيار العطل الأولي هو تيار تفريغ المكثف الكهربائي، ونظراً لأن مكثفات نظام التيار المستمر متعدد المحطات المنمذجة متصلة بحملين (VSC و PV)؛ فإنه يمكن رسم تيار العطل المتدفق في هذا الوقت كما هو موضح في الشكل التالي (3).

كما يتدفق تيار العطل من خلال ما مجموعه ثلاثة مسارات، حيث أن اللون الأحمر هو المسار الذي يتدفق من خلاله تيار العطل من مكثف (VSC)، كذلك الأزرق هو مسار تيار العطل المتدفق من مكثف محول التعزيز من (PV) والأخضر هو مسار تيار العطل المتدفق من مكثف محول باك للحمل (2).

لذلك؛ فإن المعادلة (1) أدناه هي معادلة تمثل حجم تيار الخلل، بحيث يمكن تحليل تيار العطل رياضياً بواسطة مكثف متوازي متصل بكل طرف ومقاومة الخط. يمكن الحصول على (τ1) و (τ2) و (4) من خلال ممانعة الخط لمسار تيار الخلل وكل مكثف متوازي.

ونظراً لأن قيمة (τ) تتناسب مع سعة المكثف؛ فيمكن الاستدلال على أنه كلما زاد المكثف المتوازي، بحيث زاد تيار العطل الأولي، وعند نمذجة كابل (DC)، يكون حجم السعة أكبر بكثير مقارنةً بالمحاثة التسلسلية، لذلك تم حسابه بتجاهل الحث ويمكن اعتباره دائرة من الدرجة الأولى.

لذلك يختلف تيار الخلل العملي عن المعادلة (1) لأنه يعتبر حتى تيار القوس لجهات اتصال الخطأ، ومع ذلك؛ فإن تيار العطل الأولي يتأثر أكثر بتيار تفريغ المكثف من مكون القوس، وبالتالي فإن تيار العطل الأولي مشابه للمعادلة (1).

نمذجة النطاق (SFCL)

يمكن أن يحد نوع المشغل (SFCL) بشكل فعال من تيار العطل من خلال (CLR) (مفاعل / مقاوم للتيار المحدود) مع حماية HTSC (موصل فائق عالي الحرارة) من التلف بسبب تيار العطل، حيث يوضح الشكل التالي (4) الدائرة الكهربائية المكافئة لنوع المشغل (SFCL)، وهو نوع المشغل (SFCL) الذي يربط (SW) في سلسلة مع (HTSC) و (CLR) بالتوازي.

لذلك عادةً ما يتم إغلاق (SW)، ولكن عندما يتم إخماد (HTSC) يتم فتحه لتبديل تيار العطل نحو (CLR)، كذلك يتم استخدام (RSC|) ومقاومة (HTSC)، وهي التي تمثل نموذجاً يتأثر بتيار العطل فقط عند إخماده، كما ويزيد بمرور الوقت بعد الإخماد، بحيث توضح المعادلة (2) أدناه النموذج المستخدم لمقاومة (HTSC).