الهندسةالهندسة الكهربائية

الحد من خطأ تيار الدارة القصيرة لمحول التيار المستمر الرنيني

ضرورة الحد من تيار خطأ الدارة القصيرة لمحول التيار المستمر الرنيني

 

في السنوات الأخيرة، جذبت أنظمة النقل والتوزيع بالتيار المستمر اهتمام مجال الصناعة بسبب مزاياها المتمثلة في قدرة الطاقة الكبيرة والخسائر المنخفضة وجودة الإمداد بالطاقة العالية، ومع تعميق البحث؛ فإن المشاكل الناجمة عن خصائص التخميد المنخفضة لشبكة طاقة التيار المستمر واضحة أيضاً باستمرار، خاصةً مشكلة الحد من تيار العطل في ظل ظروف خطأ ماس كهربائي.

 

في شبكة التيار المستمر؛ فإنه يمكن استخدام المحولات الإلكترونية لطاقة التيار المستمر لتوصيل الشبكة بين مستويات الجهد المختلفة أو كوصلة بين نظام توليد الطاقة المتجددة وشبكة التيار المستمر. من أجل تحسين كفاءة النقل لمحولات التيار المستمر، لذلك فقد حظيت محولات الرنين (CLLC) القائمة على نوع رنين التبديل الناعم باهتمام متزايد.

 

كما يتميز هذا النوع من المحولات الكهربائية الرنانة بخصائص تحويل ناعمة طبيعية، والتي يمكن أن تحقق تشغيلاً للجهد الصفري (ZVS) لمفاتيح العاكس الأولية الجانبية وإيقاف تشغيل التيار الصفري لصمام مقوم الجانب الثانوي بجهد إدخال واسع وحمل كامل النطاق (ZCS)، والذي لا يتطلب أي شبكة مساعدة ويسهل التحكم فيه نسبياً.

 

كما أن هناك العديد من الدراسات التي أجريت الكثير من العمل البحثي عليها، وقد درست العديد من المقالات تطبيق محولات الرنين (CLLC) في محولات (DC / DC) ثنائية الاتجاه، وذلك حسب ما يقترح طوبولوجيا محول (LLC) أحادية الاتجاه.

 

الطوبولوجيا المرتبطة بتيار خطأ الدائرة القصيرة لمحول التيار المستمر

 

كما تم تصميم طوبولوجيا الدائرة هذه بشكل أساسي مع طوبولوجيا رنانة على الجانب الأساسي من المحول، ولكنها مجرد محول تقليدي كامل الجسر عندما يعمل الجانب العكسي للجانب، كما أن هناك هيكل محول طنين (CLLC) ثنائي الاتجاه غير متماثل، يحقق التبديل الناعم أثناء التشغيل ثنائي الاتجاه.

 

كما أن هناك محول رنين متماثل وفعال، بحيث تحتوي شبكة الرنين المتماثلة (LLC) هذه على جهاز إيقاف ذاتي يمكنه تحقيق (ZVS) وقدرة التبديل الناعم على كلا الجانبين الأساسي والثانوي، كما أنه مطلوب أي دائرة (snubber) لتقليل الاجهاد الكهربائي لجهاز التبديل وكفاءة تحويل الطاقة في أي اتجاه هي نفسها تماماً مثل بعضها البعض.

 

ومع ذلك؛ فإن كسب نقطة الرنين الخاصة به أقل من واحد ويتأثر بالحمل، ولا يحقق الصمام الثنائي المعدل (ZCS)، بحيث يقترح محول التيار المستمر طنين (CLLC) ثنائي الاتجاه كامل الجسر، وذلك مع الحفاظ على مزايا محول الرنين (LLC) الكفاءة العالية وكثافة الطاقة العالية ولديه القدرة على نقل الطاقة في كلا الاتجاهين دون أي دائرة عازلة.

 

كذلك؛ فإنه يتم تحقيق التبديل الناعم، ونظراً لأن جسر المعدل للجانب الثانوي لا يستخدم تقنية التصحيح المتزامن؛ فإن كفاءة الماكينة بأكملها لا تزال تتمتع بإمكانيات تطوير كبيرة، وعلى الرغم من وجود بعض المشاكل في هذه الدوائر؛ إلا أن إنجازات هؤلاء الباحثين عززت بشكل كبير التطبيق الفعال لمحولات التيار المستمر.

 

حيث يمكن رؤية الهيكل الأساسي للمحول الإلكتروني لطاقة التيار المستمر على أساس دائرة تحويل الرنين (LLC) في الشكل التالي (1)، حيث أن هيكل الدائرة لديه نمطية قوية وتركيبة مرنة وله إمكانية تحكم عالية، وذلك باستخدام اتصال (ISOP) (سلسلة الإدخال، الإخراج المتوازي)، بحيث يمكن للمحول توصيل الجهد المتوسط (​​)10kV وناقل الجهد المنخفض (750V- DC).

 

ومع الوقت وصلت كفاءة المحول بالكامل الآن إلى أكثر من (97٪)  في أجهزة السيليكون أو 98٪ (أجهزة كربيد السيليكون)، ونظراً للتحكم المرن والفقد المنخفض والكفاءة العالية، استخدم العديد من مصنعي المعدات هذا الهيكل باعتباره الدائرة الرئيسية لمحولات التيار المستمر لتطبيقات الإنتاج، بحيث تلعب محولات هذا الهيكل دوراً مهماً في مجال توزيع التيار المستمر.

 

 

استراتيجية توصيل محول التيار المستمر الرنيني بنطاق الحماية

 

كعنصر توصيل بين مستويات الجهد المختلفة؛ فإنه يجب أن يأخذ المحول أيضاً في الاعتبار الحد الحالي للخطأ والحماية بالإضافة إلى طاقة الإرسال، وذلك عندما يحدث خطأ في الدائرة القصيرة على الخط الخارجي للمحول؛ بسبب انخفاض مقاومة خط التيار المستمر، كما سيتم إنشاء قيمة كبيرة لتيار تدفق ماس كهربائي، مما سيتسبب في أضرار جسيمة للمعدات والخط.

 

ومن أجل منع حدوث ماس كهربائي وحالة التيار الزائد، وحتى الآن، يستخدم مجال الصناعة بشكل أساسي محثاً محدداً للتيار مع قاطع دائرة تيار مستمر موضوع في سلسلة إلى خرج المحول لحماية الخط والمعدات، كما يتم استخدام محث الحد الحالي للحد من معدل ارتفاع تيار الدائرة القصيرة عند حدوث عطل في الدائرة القصيرة وتوفير وقت مؤقت لعمل قاطع الدائرة لقطع الدائرة لتحقيق الغرض من حماية الخط.

 

وبغض النظر عن العوامل الأخرى مثل التكلفة؛ فإن مخطط الحماية الحالي هذا كافٍ لحماية سلامة المعدات وخطوط النقل، ومع ذلك ونظراً لأن المزيد من أنظمة توليد الطاقة المتجددة متصلة بنظام التيار المستمر؛ فإنه يجب أن توفر هذه الأجهزة المتصلة بالشبكة وظائف ركوب منخفضة الجهد، لذلك من الواضح أن مخطط الحماية الحالية الموصوفة أعلاه غير قادر على تلبية متطلبات النظام.

 

آلية التحكم المحدود للمحول الإلكتروني لطاقة التيار المستمر

 

تعتبر طريقة التحكم المحدود الحالية للمحول الإلكتروني لطاقة التيار المستمر باستخدام دائرة محول الرنين (CLLC)، كما يجب أن يفي تصميم معطيات الرنين وتحسينها بمتطلبات النقل عالي الكفاءة لدائرة تحويل الرنين المتماثل (CLLC) في ظل ظروف (ZVS) و (ZCS)، أي أن المحول يجب أن يفي بخصائص الكسب وظروف تحقيق التبديل الناعم.

 

ومن ناحية أخرى؛ فإن متطلبات الركوب ذات الجهد المنخفض تحتاج إلى تحكم دقيق في تيار الخرج من المحول في حالة حدوث ماس كهربائي، حيث أجرى العديد من الباحثين الكثير من التحقيقات حول دارة (DAB) ومشتقاتها.

 

ومن خلال إجراء تحسينات على طوبولوجيا دائرة الرنين وخوارزميات التحكم ذات الصلة، فإنه يمكن للدائرة العمل على نقطة العمل الافتراضية، وبهذه الطريقة يمكن تحقيق (ZVS) جنباً إلى جنب مع الأداء الأفضل لتحسين كفاءة العمل، وذلك مع توسيع نطاق التطبيق وتطوير نظام التيار المستمر، كما وجد الباحثون بالإضافة إلى تلبية الأداء العالي لمتطلبات نقل الطاقة، حبت أصبحت حماية النظام أيضاً مشكلة كبيرة.

 

وعلاوة على ذلك، ومع تطوير الطاقة المتجددة وبعض متطلبات عمل الدائرة تحت كما أثيرت حالات غير طبيعية، وبالنظر على حلول حماية وعزل شبكة توزيع طاقة التيار المستمر باستخدام التحكم في الحد من التيار النشط، والذي يعطي حلولاً لمحول (DC / DC) ذو النسبة الكبيرة مع قدرة الحد من الدائرة القصيرة، بحيث تم البحث حول وحدة التحكم في تدفق طاقة التيار المستمر المعيارية بوظيفة الحد الحالي، كما أن هناك خصائص المحدد الحالي والتكوين الأمثل مع مراعاة محاثات التيار المستمر.

 

المصدر
K. Sano and M. Takasaki, "A surgeless solid-state DC circuit breaker for voltage-source-converter-based HVDC systems", IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 50, pp. 2690-2699, Jul./Aug. 2014.H. Li, W. Li, M. Luo, A. Monti and F. Ponci, "Design of smart MVDC power grid protection", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 60, no. 9, pp. 3035-3046, Sep. 2011.A. Gomez-Exposito, J. M. Mauricio and J. M. Maza-Ortega, "VSC-based MVDC railway electrification system", IEEE Trans. Power Del., vol. 29, no. 1, pp. 422-431, Feb. 2014.W. Lin and D. Jovcic, "Average modelling of medium frequency DC–DC converters in dynamic studies", IEEE Trans. Power Del., vol. 30, no. 1, pp. 281-289, Feb. 2015.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى