تحسين حماية التيار الكهربائي في مزارع الرياح CPL

أهمية تحسين حماية التيار الكهربائي في مزارع الرياح CPL

تعمل الطاقة الجديدة واسعة النطاق المتصلة بشبكة الطاقة على تحويل الشبكة التقليدية أحادية الطاقة إلى شبكة متعددة الطاقة، مما يشكل تحدياً كبيراً لحماية المرحلات التقليدية، وبالمقارنة مع طاقة الآلة المتزامنة التقليدية؛ فإن سعة الوحدة الفردية لتوربينات الرياح صغيرة جداً وغير مهمة، ومع ذلك وبالنظر إلى عدد توربينات الرياح المثبتة في مزارع الرياح؛ فإن التغذية الحالية لمولدات الرياح أثناء العطل كبيرة بما يكفي للتأثير على خصائص التشغيل لحماية الترحيل.

لذلك، لم يعد من الممكن اعتبار مولدات الرياح حمولة طاقة، والأهم من ذلك أنه يجب دراسة خصائص العطل الحالية لمولدات الرياح من أجل تحليل تأثيرها على حماية المرحل وشروطه القابلة للتطبيق، بحيث تضمن (CPLs) باعتبارها الخطوط المهمة في مزارع الرياح، وبشكل أساسي جمع ونقل الطاقة الكهربائية.

ونظراً لأن المرحلات الاتجاهية يمكنها تحديد اتجاه الخطأ بوضوح؛ فمن الشائع أكثر فأكثر أن يتم تثبيت عناصر الاتجاه على (CPLs) لتحسين انتقائية الحماية الحالية، وفي شبكة الطاقة التقليدية، تكون زوايا مقاومة مكونات التسلسل في الشبكة الكهربائية الإضافية للأعطال متسقة، ولا توجد إمكانات مكافئة أخرى باستثناء موقع الخطأ، ومع ذلك في مزارع الرياح، يرتبط تيار العطل العابر لمولد الرياح باستراتيجية (LVRT) ويختلف عن الشبكة التقليدية.

ونتيجة لذلك؛ فإن إمكانات مولد الرياح المكافئة غير متسقة أثناء الخطأ، مما يؤثر على أداء العناصر الاتجاهية وبالتالي يتسبب في عدم عمل عناصر الاتجاه بشكل صحيح، لكن في الوقت الحاضر، تُظهر الأبحاث ذات الصلة أن طاقة الرياح تؤثر على عناصر الاتجاه، كما يتم استخدام طريقة تعتمد على تحليل المحاكاة لدراسة ممانعات التسلسل الموجب والسالب لمولدات الرياح في الشبكة الإضافية للأعطال.

كما وخلص إلى أن مقاومة التسلسل الموجب والسالب ليست متساوية وأن مقاومة التسلسل الموجب غير مستقرة، بحيث تم إنشاء نموذج رياضي، كما يشير الاشتقاق النظري إلى أن وجود مكون التردد الكهربائي الانزلاقي يجعل المعاوقة المكافئة للتسلسل الموجب غير مستقرة، وذلك استناداً إلى مبدأ التشغيل للمحرك غير المتزامن؛ فإن ممانعات التسلسل الموجب والسالب للحالة المستقرة لـ (DFIG) مختلفة تماماً.

بحيث تمت الإشارة إلى أن طاقة الرياح المتصلة بشبكة الطاقة ستؤثر أيضاً على مكونات اختيار المرحلة، وذلك بناءً على الأبحاث السابقة، كما من المعروف بوضوح أن مكون خطأ مزرعة الرياح يختلف عن الشبكة التقليدية، كما وتتأثر عناصر الاتجاه وعناصر اختيار المرحلة في مزرعة الرياح، وذلك على الرغم من أن بعض العلماء قد اقترحوا حلولاً، إلا أن آلية تأثير مولدات الرياح على عناصر الاتجاه لا تزال غير واضحة، لذلك يحتاج البحث الحالي إلى مزيد من التعمق.

تحليل خصائص نظام جامع مزرعة الرياح

عادة ما يتم توزيع مزارع الرياح الكبيرة على نطاق واسع وتحتوي على عدد كبير من توربينات الرياح، كما يتم إرسال الطاقة الكهربائية التي تولدها توربينات الرياح إلى تفرعات مزرعة الرياح من خلال (CPL) ثم إلى الشبكة عبر الخط الخارج.

كما أن هناك اختلافان واضحان بين شبكة تجميع مزرعة الرياح وشبكة التوزيع التقليدية، وذلك على عكس شبكة التوزيع التقليدية الشعاعية، وعادة ما تكون (CPL) قصيرة جداً، بحيث يمكن أن تزود توربينات الرياح التيار أثناء العطل، مما يجعل نظام التجميع شبكة طاقة متعددة الأطوار.

أداء الحماية الخاصة بالتيار الكهربائي: في الوقت الحاضر، يتم نقل الحماية الحالية للمرحلة على (CPL) في مزارع الرياح من شبكة التوزيع التقليدية، وذلك نظراً لأن (CPLs) موجودة بالفعل في نهاية نظام الطاقة؛ فإن الحماية الحالية لا تحتاج إلى التعاون مع المستوى التالي من الحماية الحالية، وفي الواقع تم اعتماد الحماية الحالية على مرحلتين.

كما تجعل الخصائص غير المؤكدة لطاقة الرياح من الصعب ضبط إعداد الحماية، ونتيجة لذلك؛ فإن حساسية وموثوقية الحماية الحالية للجزء الأول أقل مقارنة بشبكات التوزيع التقليدية.، ونظراً لأن الحماية الحالية للمقطع الثاني، بحيث يتم ضبطها وفقاً لأقصى تيار للحمل على (CPL)؛ فإنها تعمل بشكل موثوق، ومع ذلك في حالة حدوث عطل رجعي في (CPL)؛ فإن التيار الذي توفره مولدات الرياح سوف يتسبب في فقدان انتقائية الحماية الحالية للجزء الثاني، لذلك من الضروري تثبيت عناصر الاتجاه.

أداء العنصر الاتجاهي: يمكن تحسين انتقائية الحماية الحالية بواسطة عناصر الاتجاه، ومع ذلك هناك اختلافات بين مولدات الرياح والمولدات المتزامنة، بحيث تعتمد موثوقية وانتقائية الحماية الحالية على أداء العناصر الاتجاهية في مزارع الرياح، كما يتم تحليل الأداء من خلال أخذ عناصر الاتجاه القائمة على الإشارة بشكل مفاجئ كمثال.

كذلك يتم حساب الممانعة من جهد الخطأ والتيار الكهربائي أي (Δu / i = −Z)، وذلك بالنسبة لشبكة التوزيع التقليدية، بحيث تكون زاوية مقاومة الخطوط هي نفسها مصدر الطاقة، لذلك إذا أهملت المقاومة، تكون زاوية الممانعة (-90) درجة للأعطال الأمامية و (90) درجة للأعطال الخلفية، كما يظهر الحكم على الأخطاء الأمامية والخلفية في الشكل التالي (1).

ونظراً لأن توربينات الرياح تتبنى استراتيجيات (LVRT) أثناء العطل، لم يعد بإمكان المحولات توفير قدرة الإثارة المستمرة لها، لذلك؛ فإن الإمكانات المكافئة لمولدات الرياح لم تعد ثابتة، ونظراً لأن تيار الخطأ لمكون التردد الاسمي مرتبط بالإمكانات المكافئة؛ فإن (Δu / Δi) لا يتعلق فقط بالمقاومة المكافئة لتوربينات الرياح ولكن أيضاً بتغير الإمكانات المكافئة، لذلك قد يواجه تطبيق عناصر الاتجاه القائمة على الإشارات المفاجئة العديد من المشكلات في مزارع الرياح.

آلية الاستجابة لتيار خطأ DFIG

تعتمد خوارزمية الحماية على مكون التردد الاسمي، لذلك من الضروري التركيز على تغييرات القيمة المحسوبة في تيار خطأ التردد الكهربائي الاسمي، وذلك من أجل تسهيل التحليل، وبافتراض أن (DFIG) هو محرك مثالي، بحيث يتم تحويل النموذج الرياضي في نظام إحداثيات ثابت ثلاثي الطور إلى نظام إحداثيات متزامن دوار، وبعد ذلك نحصل على علاقة الجزء الثابت والدوار لـ (DFIG) في نظام إحداثيات (dq).

حيث أن (u ، i) هي متجهات مساحة الجهد والتيار ووصلة التدفق لـ (DFIG. R) هي المقاومة، كذلك (L) هي الحث و (s ، r) هي الجزء الثابت والدوار على التوالي، كما ان (s ، r) هي السرعة الزاوية المتزامنة وسرعة الدوار (ω2 = ωs − ωr)، أيضاً (Lm) هي الحث المتبادل للإثارة و (p) هي العملية التفاضلية.

كما تعتمد استراتيجية التحكم في (DFIG) بشكل نموذجي على ارتباط تدفق الجزء الثابت وتوجيه الجهد الكهربائي، وبأخذ التحكم في اتجاه الجهد الثابت كمثال؛ فإن (DFIG) في حالة مستقرة قبل الخطأ والقيم الأولية لجهد الجزء الثابت والتيار الكهربائي هي us|0| and is|0| . (in pu., us|0|=1 )).