تصدير قدرة المحولات في مزارع الرياح البحرية المتصلة بتردد عالي الجهد

أهمية تصدير قدرة المحولات في مزارع الرياح البحرية المتصلة بتردد عالي الجهد

تربط محولات (HVDC) واسعة النطاق مجموعات “مزارع الرياح البحرية” بالشبكة القارية، كما أن شبكة التيار المتردد الاصطناعية البحرية لديها خمول منخفض وتخميد منخفض، حيث أن الرنين الناتج عن السعات والمفاعلات التحويلية ومحولات القدرة ضعيفة التخميد، وهذا صحيح بشكل خاص بعد انقطاع الشبكة الكهربائية أو أثناء ظروف الرياح المنخفضة.

كما تبدو العابرة الكهربائية الناتجة عن تنشيط المحولات الكهربائية أكثر أهمية مما هي عليه في الشبكة البرية، بحيث تظهر الأعمال السابقة أن تنشيط المحولات هو أحد الأحداث التي تؤثر على معظم نقاط الاقتران المشترك (PCC)، وفي ظاهرة اندفاع المحولات، والتي تم تناولها أيضاً من خلال الدراسات العلمية الواسعة؛ فإن لها آثار متعددة وخطيرة على مشغل مزرعة الرياح (WFO)، وهي:

• انتهاك معيار انخفاض الجهد بنسبة (2٪)، والمنصوص عليه في رمز الشبكة الخاص بمشغل نظام النقل الألماني (TSO)، وهو المسؤول عن روابط (HVDC) في ألمانيا، وينص على أن “يجب ألا تتجاوز تغييرات الجهد المرتبطة بالتبديل عند نقطة اتصال الشبكة (2٪) في نطاق التشغيل الكامل لمحطة التوليد “.

• التأثيرات السلبية على تشغيل المحول أو مزارع الرياح الأخرى أو (PCC) الثاني لمزرعة الرياح نفسها، وذلك من خلال انخفاضات الجهد الكهربائي أو سلوك الحماية الخاطئ.

• الإجهاد الميكانيكي والعازل لمواد اللف والعزل من خلال قوى مغناطيسية متكررة الحدوث والجهد الزائد، بحيث تكون التيارات المتدفقة أكثر تواتراً من تيارات الدائرة القصيرة وتستمر لعدة ثوانٍ مقارنة بتيارات الدائرة القصيرة، والتي يتم مسحها عادةً في غضون عشرات الملي ثانية، وهذا يؤدي إلى انخفاض محتمل في العمر.

التعامل مع ظاهرة تدفق القدرة في مزارع الرياح البحرية

وفي مزارع الرياح البحرية الحالية؛ فإن أحدث ما توصلت إليه التقنية للتعامل مع ظاهرة التدفق هو التطبيق الوحيد للتبديل المتحكم فيه، وذلك دون النظر إلى المغناطيسية الأساسية المتبقية، وهو مقياس يقلل من تدفق التيار ولكن لا يزيله، كما إن الحداثة والمساهمة الرئيسية في هذه الورقة هي الجمع بين ثلاث درجات من الحرية والإثارة وزاوية التبديل والمغنطة الأساسية المتبقية الناشئة عن الأساسيات المادية.

لذلك؛ فإن الهدف هو تحقيق التخفيف الكامل لتيارات الاندفاع، بحيث تسمح المعادلات المشتقة على هذا النحو بتحديد ما إذا كانت تأثيرات التشبع تحدث لشكوك معينة في وقت التبديل واحتياطيات التدفق المتاحة، كما تكمن التحديات التي تم حلها في وصف انحراف التدفق كدالة لعدم اليقين في وقت التبديل في الحالة ثلاثية الطور، بالإضافة إلى إثبات وجود إزالة مغناطيسية أساسية كافية.

وفي هندسة مزارع الرياح، تعمل الأجهزة التالية كمحركات للتحكم في تيار التدفق: مغير الصنبور عند التحميل (OLTC) على الجانب (HV) والتحكم المستقل في جهد الشبكة لمحول (HVDC) ونظام كابل التصدير المعوض، حيث يمكن لـ (OLTC) ونطاق جهد الإمداد المتوفر تقليل الإثارة، كما وتتحكم نقطة التبديل الموجي في زاوية التبديل ويتحكم نظام كابل التصدير، والمستخدم كدائرة متأرجحة (LC).

هيكل الشبكة البحرية

عادةً ما يكون للشبكات البحرية المتصلة (HVDC)، وذلك حسب المخطط الموضح في الشكل (1)، حيث تغذي “توربينات الرياح” (WTG) شبكة تجميع الجهد المتوسط، كما يعمل المحول (اثنان أو ثلاث لفات وثلاثة أرجل)، وفي المحطة الفرعية لمزرعة الرياح، وبناءً على زيادة الجهد من (MV) إلى (HV)، فإنه يتم تعريف (PCC) عند قاطع الدائرة على الجانب (HV) من المحول ويمثل الواجهة القانونية لـ (TSO).

كذلك يقوم (WFO) بتشغيل المحطة الفرعية بنقطتي اتصال مستقلتين للشبكة (PPCC = 200) ميغاوات ومحولان وشبكة التجميع والتوربينات، ومن المحطة الفرعية، تؤدي كابلات تصدير الغواصات ذات الجهد العالي (lExp = 1-20 km)، والتي يتم تعويضها بواسطة مفاعلات التحويل، وذلك إلى رابط (HVDC).

كما توجد محولات الأجهزة (VT / CT) في قضيب توصيل الجهد العالي وفي اتجاه قاطع دائرة المحول، كما أن مغذيات كابل التصدير ومفاعل التحويل في المحطة الفرعية غير مجهزة بقواطع الدائرة، بحيث يتم تبديل أزواج الكابلات والمفاعلات التحويلية معاً كنظام واحد من محطة تحويل (HVDC)، وترتبط مزارع الرياح المتعددة بوصلة (HVDC) واحدة تربط المسافة الطويلة بين مجموعة مزارع الرياح ونقطة الاقتران البرية لشبكة الجهد العالي الإضافي.

ظاهرة تيار تدفق المحولات الكهربائية في مزارع الرياح البحرية

تكمن هناك مشكلة تيار تدفق التنشيط الناتج عن تطبيق جهد النظام على محول غير نشط، بحيث يساعد التمثيل التحليلي للعلاقة بين الجهد المطبق على لف المحولات والتدفق في القلب على فهم هذه الظاهرة، كما يتم اشتقاق هذا التمثيل هنا للحالة أحادية الطور ثم يمتد إلى الحالة ثلاثية الطور عند مناقشة عدم اليقين في وقت التبديل.

أيضاً يتم التعبير عن العلاقة لأول مرة في المعادلة (1) وفي تدوين متكامل في المعادلة (2)، كذلك هو التدفق في القلب، و [v (t)] هو الجهد الطرفي المتعرج و (N) عدد لفات اللف، كما أن ثابت التكامل ϕ (0) يساوي مغنطة المادة الأساسية المتبقية وسيتم تسميته (ϕ-Rem).

الآن، وعلى فرض أن الجهد الجيبي في المعادلة (3) مطبق على محول أحادي الطور غير محمل بزاوية تبديل عشوائية (α)، وذلك كما هو موضح في الشكل (2) (A)، حيث (v) هي سعة الجهد الممغنط و التردد الزاوي، وباستبدال المعادلة (3) في المعادلة(2) وحل هذا التكامل من صفر إلى (t) تنتج المعادلة (4).

وعن طريق إعادة ترتيب المعادلة (4) إلى المعادلة (7)، وبشروط منفصلة عن المعادلة ϕ ^( (5))؛ فإن إثارة النواة المغناطيسية، حسب المعادلة ΔϕAng) (6))؛ فإن المصطلح المعتمد على زاوية التبديل والتدفق المتبقي (ϕRem)، بحيث يشير بوضوح إلى درجات الحرية الثلاث على ϕ (t).

وأخيراً، وبالنظر الى هذا العمل؛ فإنه يحلل تأثير الإثارة وزاوية التبديل والمغنطة الأساسية المتبقية على تيار التدفق في مزارع الرياح البحرية ذات خصائص الشبكة المحددة، كما يتم فحص تأثيرات الإثارة المتغيرة والتبديل المتحكم به بشكل تحليلي، وفي حين يتم التحقق من صحة التحكم المقترح في مغنطة النواة المتبقية من خلال دراسات إزالة المغناطيسية (EMT) من أجل اختلاف تكوينات الشبكة واستراتيجيات فتح القاطع.

كما يعتمد التدفق المتبقي على زاوية التبديل والرنين اللاحق المؤقت، بحيث تظهر نتائج المحاكاة أن السعات الشاردة وسعات كبل المحطات الفرعية، وذلك جنباً إلى جنب مع الحث الرئيسي، بحيث لا تؤدي إلى دائرة تأرجح مناسبة لإزالة المغناطيسية بشكل موثوق من القلب بشكل كافٍ، وذلك حتى إذا تم تطبيق الفتح المتحكم فيه.

كما يمكن التغلب على ذلك من خلال “إزالة المغناطيسية الذكية” المقترحة، حيث يتم إلغاء تنشيط المحول مع كابل التصدير البحري ومفاعل التحويل، لذلك تم تنفيذ الإجراءات المقترحة بنجاح في مزرعة الرياح (Trianel) وتم التحقق من صحتها من خلال القياسات الميدانية.