تحليل الأعطال الكهربائية أحادية الطور في أنظمة HVDC

أهمية تحليل الأعطال الكهربائية أحادية الطور في أنظمة HVDC

أصبحت محولات مصدر الجهد (VSCs) بديلاً هاماً “لمحولات تبديل الخط” (LCCs) لنقل التيار المباشر عالي الجهد (HVdc)، وذلك نحو تكامل الطاقة المتجددة على نطاق واسع ونشر “شبكات التيار المستمر” (MTDC) وعلى وجه الخصوص، تم بالفعل تنفيذ المحولات المعيارية متعددة المستويات نصف الجسر (HB-MMCs) في المشاريع التجارية.

يعد تحمل الخطأ جانباً مهماً في تشغيل أنظمة (MMC-HVdc)، وبالتالي فقد حظي باهتمام كبير في الدراسات، وعلى سبيل المثال تمت دراسة خصائص أعطال التيار المستمر وطرق المعالجة، بحيث تمت معالجة النمذجة والتحكم في (MMCs) تحت أخطاء التيار المتردد غير المتوازنة من جانب الشبكة، ومع ذلك، تبقى أخطاء التيار المتردد الداخلية لمحطة (MMC) موضوعاً قيد البحث.

لذلك، عادة ما يتم تركيب المحولات خارج القاعات التي تحتوي على المحولات الكهربائية، بحيث تبرز البطانات المتعرجة من جانب الصمام لهذه المحولات من خلال جدار القاعة لتوصيلها بمحول تيار متردد، كذلك قد يتسبب فشل العزل ووميض البطانات الجدارية في حدوث عطل داخلي أحادي الطور إلى الأرض (SPG) بين المحول، بحيث أظهرت كل من (LCCs) و (VSCs) مثل هذا السلوك في التركيبات العملية.

كما تتطلب البطانات الجدارية، وهي الموجودة في المنطقة الواقية المتداخلة للمحول والمحول الآخر، وذلك يتطلب أيضاَ عزلاً كبيراً لتحمل الفولتية العالية والتيارات الكبيرة، وعند فشل العزل، ستؤدي أخطاء (SPG) على جانب الصمام إلى عواقب وخيمة، مثل فشل التبديل في (LCCs) وتذبذبات جهد التيار المستمر في (MMCs) أحادي القطب المتماثل وتيارات الأعطال غير الصفرية في (MMCs) ثنائية القطب.

وفيما تم تحليل خصائص أخطاء (SPG) على جانب الصمام في (LCCs)، كما وتم اقتراح الحلول الممكنة باستخدام استراتيجية اختيار الطور وتعويض الجهد المتسلسل الصفري، ومع ذلك لا يمكن تطبيق هذه على (MMCs) بسبب الاختلافات بين طوبولوجيا المحول، كما تم التحقيق في أخطاء ناقل التيار المتردد الداخلية في (VSCs) ذات المستويين، لكن النتائج التي توصلوا إليها لا تنطبق تماماً على (MMCs) أيضاً.

أيضاً تمت دراسة أخطاء التيار المتردد الداخلية لمحطة (MMC، ومع ذلك لا تقدم هذه الدراسات تحليلاً نظرياً للتذبذبات الكبيرة والجهد الكهربائي الزائد “لجهد التيار المستمر” من القطب إلى الأرض، بالإضافة إلى ذلك لا تعكس نماذج خط المعلمات المجمعة المبسطة المستخدمة في هذه المراجع خصائص الخطأ الحقيقي.

الأخطاء المرتبطة تحليل الأعطال الكهربائية أحادية الطور

تؤدي أخطاء (SPG) على جانب الصمام أيضاً إلى سلوك خطأ خاص في (HB-MMCs) أحادي القطب غير المتماثل، حيث تم اقتراح حلول للجهود الزائدة الناشئة في مكثفات الوحدة الفرعية للذراع (SM)، ومع ذلك؛ فإن هذا النوع من العطل ينتج أيضاً مكونات عالية للتيار المستمر على تيارات خطأ جانب التيار المتردد والتي قد تمنع قواطع دائرة التيار المتردد من جانب الشبكة (ACCBs) من العمل بسبب عدم وجود تقاطعات صفرية.

كذلك تم تركيب (ACCB) إضافي على جانب الشبكة الكهربائية لإنشاء تقاطعات الصفر الحالية المطلوبة، ولكن لم يتم توفير مزيد من البصيرة حول وجود تعويضات التيار المستمر، علاوة على ذلك؛ فإن عيب هذا النهج هو أن الدائرة القصيرة ثلاثية الطور التي تم إنشاؤها بواسطة (ACCB) الإضافي ستؤدي إلى انخفاض شديد في الجهد في شبكة التيار المتردد، وبالتالي قد يؤدي إلى تفاقم تأثير الخطأ، بالإضافة إلى ذلك سيؤدي تركيب (ACCB) الإضافي إلى زيادة تكاليف رأس المال.

بالنظر إلى أن ارتباط (MMC-HVdc) أحادي القطب غير المتماثل هو لبنة بناء الأنظمة ثنائية القطب؛ فإن هذه سوف ترث عيوبها بحيث يتم تحليل تيارات الصدع غير الصفرية التي تسببها أخطاء (SPG) من جانب الصمام في نظام ثنائي القطب، كما وقد تم تجاهل مفاعلة الطور المعيب، وعلى هذا النحو؛ فإنه يتم تقليل دقة حساب تيار العطل.

بالإضافة إلى ذلك؛ فإن استراتيجية الحماية معقدة وقد تؤدي الدائرة القصيرة ثلاثية الطور التي تم إنشاؤها أثناء الخطأ إلى حرق أجهزة أشباه الموصلات، علاوة على ذلك قد يتلف محول المحول والمعدات الأخرى بسبب التيارات الكبيرة الناتجة عن إغلاق مفاتيح حماية الذراع المساعدة.

كذلك تم اقتراح طوبولوجيا (MMC) الهجينة القائمة على (HB) و (SMs) كاملة الجسر، وذلك لمعالجة المشكلات المذكورة أعلاه، ومع ذلك؛ فإن اعتماد مثل هذا التكوين من شأنه أن يزيد بشكل كبير من تكاليف رأس المال بسبب الترانزستورات ثنائية القطب الإضافية ذات البوابة المعزولة (IGBTs)، والتي بدورها ستزيد من فقد الطاقة الكهربائية.

التكوينات المرتبطة بمحطة MMC-HVdc

يوضح الشكل التالي (1) التكوينات الممكنة لأنظمة (MMC-HVdc)، كذلك يظهر الشكل (1-A)، أحادي القطب المتماثل، والذي يتميز بقطبين لهما جهد جهد معاكس، كذلك؛ فإن كلا القطبين بحاجة إلى عزل كامل، وعلى العكس من ذلك، توجد قطبية واحدة فقط في أحادية القطب غير المتكافئة الموضحة في الشكل (1-B)، بحيث يعود التيار المستمر عبر الأرض أو مسار العودة المعدني، وبالتالي يلزم عزل الجهد المنخفض.

يظهر نظام (HVdc) ثنائي القطب والقائم على (MMC) في الشكل (1-C)، وهو يتألف من اثنين من أحادي القطب غير متماثل يتم التحكم فيهما بشكل مستقل، كما يوفر هذا التكوين موثوقية ومرونة أعلى مقارنة بالأنظمة أحادية القطب، على سبيل المثال يستلزم فقدان أي محول خسارة 50٪ من إجمالي سعة النقل فقط.

كذلك يمكن  تثبيت رابط أحادي القطب غير متماثل واحد بالتوازي مع ارتباط (LCC)، وهو موجود كنظام (HVdc) ثنائي القطب (LCC-MMC) هجين، وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (1-D)؟، كما يمكن لوحدات (MMCs) في هذا الهيكل تقليل مخاطر فشل التبديل على رابط (LCC) القريب وتقليل الجهد الزائد الناتج عند حظر ارتباط (LCC).

أخطاء SPG على جانب الصمام في أنظمة أحادية القطب المتماثلة

يوضح الشكل التالي (2-A) طوبولوجيا )MMC( أحادي القطب المتماثلk FPDE ترتبط لفات المحول بتكوين دلتا / نجمة (Δ / Y) ويتم ترتيب جانب الشبكة بتأريض محايد، كما يوضح الشكل (2-B) الدائرة المكافئة أحادية الطور لـ (MMC)، حيث (ux) هي جهد الطور إلى الأرض (x = a ،b ،c)، كذلك؛ فإن (ix) تيار الطور، (uxP ،uxN) هي الفولتية التي تنتجها (SMs) في الذراعين العلوي والسفلي.

كذلك (ixP،ixN) في تيارات الذراع، (ixcirc) هو التيار المتداول (والذي يمكن تقليله إلى قيمة منخفضة جداً باستخدام وحدات تحكم التخميد) و (VdcP) و (VdcN) الفولتية من القطب إلى الأرض، وذلك انسجاماً مع [VdcP = −VdcN = 1 / 2Vdc]، حيث أن (Vdc) هو جهد التيار المستمر من القطب إلى القطب.

وفي التشغيل العادي؛ فإن مجموع الفولتية لجميع مكثفات (SM) في كل ذراع يساوي (Vdc)، خاصةً إذا تم تجاهل التيارات المتداولة وانخفاض الجهد على مفاعلات الذراع والمقاومات؛ فيمكن الحصول على جهد عمود التيار المستمر على النحو التالي:

حيث يمكن التعبير عن (uxP) و (uxN) على النحو التالي:

حيث أن (θx) هي زاوية المرحلة الكهربائية، والفولتية (uaP و uaN و ua) للمرحلة (A) موضحة في الشكل التالي (2-B)، وذلك وفقاً لـ (1)، بحيث يمكن الحصول على العلاقات التالية: