الحماية الكهربائية لتشابه التيار بربط محولات مزارع الرياح

ضرورة الحماية الكهربائية لتشابه التيار بربط محولات مزارع الرياح

مع أزمة الطاقة التي تلوح في الأفق والتلوث البيئي الخطير، تجذب الطاقة المتجددة في شكل توليد طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية اهتماماً متزايداً في جميع أنحاء العالم، بحيث يتزايد استخدام طاقة الرياح على وجه الخصوص، وذلك بسرعة عند مستويات طاقة عالية، وعلى الصعيد العالمي، بلغ إجمالي سعة طاقة الرياح المركبة (539.6) جيجاوات بحلول نهاية عام 2017م، مع أكثر من (52.57) جيجاوات من السعة المركبة الجديدة.

وبالاستفادة من تقنيات التصنيع المتقدمة والتكلفة المنخفضة؛ فإن “مزارع الرياح المركزية” تصبح واسعة الانتشار في حدود عدة مئات من ميغاوات، كما ويمكن أن تكون قدرتها قصيرة الدائرة قريبة من قدرة أنظمة الطاقة المتكاملة في مناطق معينة، وذلك مع زيادة معدل اختراق طاقة الرياح، بحيث تتطلب تقنية الركوب ذات “الجهد المنخفض” (LVRT) وتركيب توربينات الرياح (WTs) وفقاً لرموز الشبكة الجديدة.

ومن بين مولدات (WT) المتغيرة، يتميز المولد الحثي المزدوج التغذية (DFIG) بالعديد من المزايا، مثل التقنيات الناضجة والموثوقة والتكلفة المنخفضة والإضاءة المنخفضة ،سهولة الصيانة، ومن ثم؛ فقد أصبح النوع الأساسي من مولدات (WT)، بحيث تم اقتراح تقنيات (LVRT) المختلفة لضمان التشغيل المستمر لمزارع الرياح القائمة على (DFIG) أثناء الأعطال، وذلك بموجب استراتيجيات (LVRT).

كذلك قد تهيمن مكونات التردد الكهربائي المرتبطة بسرعة الدوار على التيار الخاطئ لمزارع الرياح بسبب تنشيط أنظمة الحماية الخاصة بها (مثل حماية العتلة)، بحيث يتم تحديد مكونات التردد بواسطة سرعة الدوار عند بدء الخطأ وقد تكون (0.7 – 1.3) مرة من التردد الأساسي، ومن ثم تنشأ أخطاء في التيار المحسوب على التردد الأساسي.

كما تجلب هذه الميزات تحديات “لمبدأ الحماية التفاضلية” الأساسية التقليدية القائمة على التردد (DP)، كما تم النظر في إنشاء مزرعة رياح تعتمد على (DFIG) ذات قدرة ماس كهربائي أصغر بكثير من قدرة شبكة الطاقة، حيث أشارت نتائج المحاكاة إلى أن “المرحل التفاضلي” للتيار يمكن أن يعمل بشكل صحيح للأعطال الداخلية والخارجية، ولكن عندما يتم تنشيط حماية المخل لمزرعة الرياح القائمة على (DFIG).

لذلك؛ فإن مكون التردد الكهربائي المرتبط بسرعة الدوار يهيمن على تيار خطأ الدائرة القصيرة، بحيث يمكن أن يؤدي مكون التردد غير الأساسي هذا إلى الحساب غير الدقيق لتيار التردد الأساسي وسوء تشغيل المرحلات التفاضلية عندما يكون لمزارع الرياح سعة دائرة قصر مماثلة لتلك الموجودة في نظام الطاقة المتكامل.

الحماية الرئيسية للمحولات المرابطة بمزارع الرياح

عادةً ما يتم استخدام (DP) كحماية رئيسية للمحولات المترابطة لمزارع الرياح القائمة على (DFIG)، علاوة على ذلك، تُستخدم خوارزمية التقييد التوافقي الثانية على نطاق واسع لمنع (DP) وبالتالي تجنب الرحلات غير المرغوب فيها في الحماية أثناء أحداث الاندفاع للمحولات الكهربائية عند بداية الخطأ الداخلي لمحول متصل.

لذلك؛ فإن تيار العطل في جانب مزرعة الرياح (الجانب الثانوي) يسيطر عليه مكون التردد غير الأساسي أثناء (LVRT)، وفي حين أن تيار اللف الأولي لا يزال محتفظاً بالتردد الأساسي، وذلك عندما يتجاوز المحتوى التوافقي الثاني للتيار التفاضلي عتبة الإعداد؛ فإنه يتم التعرف عليه على أنه تيار ممغنط، وبالتالي يقيد التفاضل التفاضلي بشكل خاطئ.

ولاحقاً؛ فقد اقترح العديد من العلماء طرقاً مختلفة للتعرف على التيارات الممغنطة، وذلك على أساس آلية التيارات الممغنطة، كما تم تحليل الفروق في التدفق وما يعادله من الحث اللحظي، وعند بداية التيار المغناطيسي والخطأ الداخلي للمحول الكهربائي، ثم مهدت النتائج الطريق لاقتراح طرق أخرى موثوقة للتعرف.

ومع ذلك؛ فإن هذه الطرق تدعي تكلفة عالية للمحول المحتمل (PT) لقياس الجهد وتطلق إشارات غير دقيقة للحماية عند فصل (PT)، كما تختلف طرق تحليل الوقت والتردد عن هذه الطرق، حيث تميز الأعطال الداخلية والتيارات الممغنطة وفقًا للمجال الزمني وخصائص مجال التردد في التيارات التفاضلية.

كما أن التحويل الموجي والتحويل (S) هي طرق تحليل الوقت والتردد، ومع ذلك؛ فإن هذه الطرق لها متطلبات عالية لمعدلات أخذ العينات ويمكن أن تتداخل بسهولة مع ضوضاء الإشارة، وبالنسبة لهذه المشكلة، اقترحت بعض الدراسات التعرف على التيارات الممغنطة باستخدام خوارزميات الذكاء، مثل الشبكة العصبية الاصطناعية وآلة ناقلات الدعم والمنطق الضبابي.

لذلك يصعب تطبيق خوارزميات الذكاء هذه على نطاق واسع بسبب تخزين البيانات الكبير المطلوب والاعتماد القوي على معطيات المحولات، بحيث تختلف الخصائص الحالية للخطأ في WTs اختلافاً كبيراً عن تلك الخاصة بالمولدات المتزامنة، لذلك يجب تطوير خوارزمية تعرف موثوقة للتيارات الممغنطة للمحولات المترابطة في مزارع الرياح.

تأثير تكامل طاقة الرياح على للمحولات المترابطة

خصائص خطأ التيار الكهربائية

يوضح الشكل التالي (1) التخطيطي لنظام مزرعة الرياح القائم على (DFIG)، بحيث يزيد كل مولد (WT) جهد الخرج من (0.69) كيلو فولت إلى (10) كيلو فولت من خلال “محول تصاعدي”، ثم عبر خط تجميع (10) كيلو فولت، كما يتم نقلهم إلى محطة فرعية تصعيدية، كذلك محول التدريج هو عبارة عن محول حزمة وقدرته الأساسية (1.75) ميجا فولت أمبير.

كما يتم تجميع (DFIGs) المتعددة في ناقل (10) كيلو فولت ويتم توفير الوصول إلى نظام الشبكة من خلال محول متصل في “المحطة الكهربائية الفرعية” المتصاعدة، كما يتم تعزيز الطاقة الاجمالية إلى (110) كيلو فولت (أو 220 كيلو فولت) ثم توصيلها بنظام الطاقة من خلال خط تجميع (110) كيلو فولت  (1 – 3)أمبير، بحيث يتم توضيح المعطيات الأساسية للمحول المتصل في الجدول التالي:

ولاحقاً تمت دراسة الخصائص الحالية للخطأ للمحولات المتربطة في مزارع الرياح، حيث أنه يحدث خطأ الدائرة القصيرة ثلاثي الأطوار في جانب مزرعة الرياح (F1) من المحول المتصل عند (t = 0.2) ثانية، كما وينشط مولد (WT) دائرة المخل بعد (5) مللي ثانية، وذلك بالنظر إلى سرعة الدوران (0.7 p.u)، وبالنسبة لجميع مولدات توربينات الرياح؛ فإنه تم توضيح تيار العطل على جانبي المرحلة (A) ونتائج تحليل (FFT) في الشكل التالي (2).

حيث يوضح الشكل (2) أن مكونات التردد المنخفض لتيار العطل في جانب مزرعة الرياح تمثل معظم المكونات بعد ينشط مولد (WT) في دائرة المخل، كما يتم توفير التيار على جانب الشبكة بواسطة نظام التيار المتردد ومزرعة الرياح، لذلك لا يزال تيار نظام التيار المتردد يحتل نسبة كبيرة، وبالتالي؛ فإن التيار على جانب الشبكة هو تردد أساسي تقريباً.

لذلك؛ فإن محتوى التوافقيات الثانية في التيار التفاضلي مرتفع وقد يزيد من نسبة التوافقيات الحالية الثانية على عتبة الإعداد، بحيث يمكن أن يؤدي هذا التغيير إلى تشغيل إشارة لحظر (DP).

وأخيراً قد يحدد المحول التقليدي (DP) الأعطال الداخلية على أنها تيارات ممغنطة بشكل خاطئ بسبب خصائص الخطأ الخاصة التي تسببها استراتيجيات (LVR) لمزارع الرياح القائمة على (DFIG) تقترح هذه الدراسة خطأ عابراً في التداخل القائم على التشابه الحالي لحل هذه المشكلة.

وفي مخطط الحماية المقترح؛ فإنه يتم التحقيق في الحماية الحالية التي تستخدم خصائص التردد الأساسية وغير الأساسية للتردد ويمكن أن تتجنب تأثير المكونات ذات الترتيب المنخفض على (DP) الناجم عن خصائص الخطأ الخاصة لمزارع الرياح،