اقرأ في هذا المقال
الضرورة من التنسيق والتكوين الأمثل لأجهزة شبكات HVDC
مع الحاجة الملحة لشبكة الطاقة الحديثة من أجل الموثوقية العالية وإمدادات الطاقة عالية الجودة والاستخدام الفعال للطاقة المتجددة وتحويل الطاقة متعدد الأنواع، تجذب شبكات التيار المباشر ذات الجهد العالي (HVDC) المعياري متعدد المستويات (MMC) اهتماماً متزايداً بسبب مزاياها العديدة، مثل تسهيل الوصول إلى الطاقة الموزعة ومعدات تخزين الطاقة ووضع التشغيل المرن وجودة الطاقة العالية.
وبالنسبة لشبكة التيار المستمر، تكمن المشكلة الرئيسية في أن الممانعة المنخفضة لخطوط التيار المستمر تؤدي إلى التطور السريع والشامل لتيارات أعطال الدائرة القصيرة على جانب التيار المستمر، مما يهدد بشكل خطير التشغيل الآمن والموثوق للنظام الكهربائي، لذلك يمثل حالياً أحد التحديات التقنية الرئيسية والصعبة كيفية تحقيق التشغيل المستمر لشبكات (HVDC) تحت أعطال التيار المستمر.
لذلك يمكن لمخطط تركيب قواطع دوائر التيار المستمر (DCCBs) على طرفي خطوط التيار المستمر عزل خطوط الأعطال بسرعة واستعادة التشغيل المستقر للمناطق الأخرى دون عيوب، مما يضمن موثوقية النظام إلى أقصى حد، حيث أنه ذات مخطط الحماية والترميم لشبكات التيار المستمر الذي أوصت به (CIGRE)، ومع ذلك يواجه هذا المخطط تحديين، وهما:
- مع تطوير “أنظمة التيار المستمر” في اتجاه الجهد العالي والسعة الكبيرة؛ فإن تطوير (DCCB) عالي الجهد والسعة الكبيرة مقيد بالخلفيات التقنية وتكاليف رأس المال.
- كذلك يحتوي “الترانزستور ثنائي القطب” المعزول للبوابة (IGBT) على قدرة ضعيفة للتيار الكهربائي الزائد، بحيث سيتم حظر (MMC) لحماية (IGBT) بمجرد أن يتجاوز “تيار العطل” في أذرع (MMC) الحد الحالي لصمام المحول الكهربائي، مما يؤدي إلى انقطاعات غير ضرورية في الطاقة في نظام التيار المستمر، والذي يتعارض بلا شك مع النية الأصلية لاستخدام (DCCB).
طريقة حساب التيار الخاطئ لأجهزة شبكات HVDC
في الوقت الحاضر، لا يزال هناك نقص في طريقة تكوين التحسين التعاوني المعقولة والفعالة لـ (CLRs) و (FCLs) في شبكات (HVDC)، وذلك على الرغم من أن المحاكاة يمكن أن تجد مخطط التكوين الأمثل الذي يفي بالشروط، إلا أنها لا تستطيع تحقيق التخصيص الأمثل العام، بحيث تقدم هذا الطرح أساساً نظرياً لاختيار معطيات (CLR) وتحديد موقع (FCL) من وجهة نظر النظام.
ومن أجل تحسين القدرة على تجاوز الأعطال لشبكات (HVDC) ومن منظور تقليل امتصاص الطاقة لمانع أكسيد الفلز (MOA) وتقليل وقت إزالة الأخطاء؛ فإنه يتم منع تيار خطأ التيار المستمر عن طريق تثبيت مقاومة (FCL) عند طرفي خطوط التيار المستمر، بحيث يوضح الشكل التالي (1) الدائرة المبسطة لإدخال المقاوم المحدد الحالي بوزارة الزراعة المتوازية.
أثناء التشغيل العادي، يتم تجاوز المقاوم المحدد الحالي ولا ينتج عنه فقد إضافي للطاقة، وعندما يحدث خطأ في دائرة قصر التيار المستمر في الوقت (t0 = 0)؛ فإنه يمكن اكتشافه بسرعة بواسطة نظام اكتشاف الأعطال، وفي الوقت (t1)، يتلقى (FCL) إشارة التشغيل من نظام الكشف عن الخطأ، كما ويتم وضع المقاوم المحدد الحالي في مسار الدائرة القصيرة لقمع تيار العطل في وقت تشغيل الحماية الرئيسية لخطأ خط التيار المستمر من (0 إلى 1).
وفي ضوء المتطلبات العالية لحماية الترحيل في شبكات (HVDC)؛ فإنه يكون عادةً في غضون (3) مللي ثانية، في هذا الطرح، من المفترض أن حماية الترحيل يمكن أن تكمل اكتشاف الأخطاء وتحديدها في غضون (3) مللي ثانية وإرسال إشارات التشغيل إلى (FCLs) و (DCCBs).
في السنوات الأخيرة، تم تطوير (DCCBs) بسرعة أعلى، بحيث تتمتع (DCCBs) الهجينة باحتمال تطبيق كبير في شبكات (HVDC)، وذلك نظراً لمزاياها مثل وقت الانقطاع القصير والخسائر المنخفضة على الدولة، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (2)، بحيث يتكون (DCCB) الهجين من الفرع الرئيسي وفرع التكسير.
أثناء التشغيل العادي، يمر التيار عبر الفرع الرئيسي الذي يتكون من فاصل فائق السرعة وقاطع تيار مستمر إضافي، وذلك عندما يحدث خطأ في دائرة قصر التيار المستمر في الوقت (t0 = 0)، بحيث يتلقى (DCCB) إشارة التشغيل ويفتح قاطع التيار المستمر في الوقت (t1) بعد تأخير يبلغ حوالي (0.25) مللي ثانية، وفي الوقت (t2) يتم تبديل تيار العطل من الفرع الرئيسي إلى قاطع التيار المستمر الرئيسي في فرع التكسير.
عندما يكمل قاطع التيار المستمر الإضافي عمله؛ فإنه يتم تشغيل قاطع الاتصال فائق السرعة، وبعد تأخير يبلغ حوالي (2) مللي ثانية، يتم فتح قاطع التيار المستمر الرئيسي في الوقت (t3) ويتم وضع (MOA) في مسار الدائرة القصيرة لامتصاص طاقة الأعطال، ثم ينخفض تيار الخطأ بسرعة، وعندما يكون تيار العطل أقل من عتبة معينة، يتم إكمال عزل الخطأ بواسطة قاطع التيار المستمر المتبقي في الوقت (t4)، حيث يوضح الشكل التالي (3) مخطط تسلسل حماية خطأ التيار المستمر لشبكات (HVDC).
نموذج مبسط من (MMC) تحت خطأ (DC)
يعد خطأ الدائرة القصيرة من القطب إلى القطب في جانب التيار المستمر من شبكة التيار المستمر أكبر تهديد للنظام، وفي غضون بضعة أجزاء من الثانية بعد خطأ التيار المستمر، ستفرغ مكثفات (MMC) بسرعة وتتسبب في تيارات ماس كهربائي عالية جداً في كل من خطوط التيار المستمر وأذرع (MMC)، ومن خلال هذا الوقت، يمكن تجاهل مكون التيار الخاطئ من شبكة التيار المتردد، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (4)، بحيث يمكن أن تكون (MMC) مكافئة لدائرة (RLC) قبل عملية الحجب.
في الشكل السابق (4)، تعتبر (Udc) هو جهد التيار المستمر في لحظة حدوث خطأ التيار المستمر، كذلك (Idc) هو تيار التيار المستمر في لحظة حدوث خطأ التيار المستمر، (C و L و R) هي السعة المكافئة لـ (MMC) تعبر عن الحث والمقاومة على التوالي، كما أنه يمكن التعبير عن معطيات الدائرة الكهربائية المكافئة كـ:
حيث أن:
(C0): هي قيمة سعة الوحدة الفرعية.
(N): هي عدد الوحدات الفرعية المدرجة في كل ذراع جسر.
(L0): هي قيمة مفاعل ذراع الجسر.
(R0): هي مجموع المقاومة على الحالة لأجهزة التبديل.
(N): في التشغيل العادي لذراع جسر أحادي الطور (بما في ذلك IGBTs والصمامات الثنائية).
وأخيراً؛ فإنه يمكن تكوين صيغة تعاونية مثلى لـ (CLRs) و (FCLs) لشبكات (HVDC)، مما يحسن قدرة ركوب الأعطال لشبكات (HVDC)، بحيث تشمل المساهمات الرئيسية ما يلي:
- في هذا الطرح، تم اقتراح طريقة لحساب تيار العطل لخطوط التيار المستمر وتيار العطل لذراع الجسر مع الأخذ في الاعتبار تعاون (CLR) و (FCL).
- يمكن النظر في قيود قدرة كسر التيار (DCCBs) وحماية صمامات المحول من التيار الزائد وحدود منطقة حماية “خط التيار المستمر” والأداء الديناميكي لنظام التيار المستمر والقيود الخاصة بجهد مخرج محطة المحول لضمان التشغيل المستمر والموثوق لنظام التيار المستمر ضمن الأعطال المكتشفة.
- جميع الخطوات في المنهجية المقدمة مستقلة عن “طوبولوجيا” اتصال شبكة التيار المستمر، لذلك يمكن تطبيق المنهجية المقدمة للتكوين الأمثل لأجهزة الحد من الأعطال الحالية على جميع أنواع شبكات التيار المستمر المتشابكة أو الحلقية أو الشعاعية.
