تقدير التيار الكهربائي واختلاف الطور لأنظمة MMC-HVDC

عندما يعمل محول معياري متعدد المستويات يعتمد على نظام التيار المباشر عالي الجهد (MMC-HVDC) تحت أعطال الشبكة الكهربائية، بحيث سيكون هناك فرق طور بين جهد الشبكة ومخرج المحول كما يمكن أن يكون سببه تحول طور جهد الشبكة وتأثير التكامل لحلقة قفل الطور (PLL) في المحول الكهربائي.

ضرورة تقدير التيار الكهربائي واختلاف الطور لأنظمة MMC-HVDC

يكون (DDE) ركيزة للطلب المتزايد باستمرار على التوصيل عن بعد لمصادر الطاقة المتجددة، كما يتم اعتماد أنظمة نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) على نطاق واسع في أنظمة الطاقة، ومع ذلك؛ فإن الأعطال والاضطرابات في شبكة الطاقة، مثل تحويل التردد الكهربائي، وهو أمر لا مفر منه في نظام (HVDC) وقد يؤدي إلى اختلافات في الطور بين شبكة الطاقة والمحول (العاكس).

لذلك قد تؤدي اختلافات طور المحول والشبكة إلى المركبات التوافقية والتذبذب وحتى التيار الزائد في محولات الطاقة الإلكترونية لأنظمة (HVDC)، ثم تشكل تهديدات هائلة لسلامة نظام الطاقة بأكمله، وبالتالي؛ فإن مشكلات الاستقرار في نظام (HVDC) في ظل اختلافات طور المحول والشبكة ضرورية للتشغيل الآمن لنظام الطاقة.

كما ركزت بعض الأبحاث السابقة على تحليل الاستقرار لأنظمة (HVDC) في ظل اضطرابات الشبكة الكهربائية، مثل ترهل الجهد وتغير الطور الكهربائي، بحيث يمكن استنتاج تحليل الاستقرار لأنظمة (HVDC) على أنها مشكلات استقرار إشارة صغيرة وقضايا استقرار عابر، ونظراً لأن نقطة تشغيل أنظمة (HVDC) قد تتغير عندما تعاني الأنظمة من اضطرابات شديدة في الشبكة؛ فقد اكتسب التحليل العابر لنظام (HVDC) اهتماماً متزايداً من الباحثين.

ولدراسة الاستقرار العابر لأنظمة (HVDC)، تم اقتراح العديد من طرق التحليل المفيدة وطرق تحسين الاستقرار، على سبيل المثال تم اقتراح منحنيات زاوية القدرة الافتراضية للتحقيق في ديناميكيات المحولات المتصلة بالشبكة تحت انخفاض الجهد الكهربائي، كما تم اعتماد تحليل التشعب والتحليل القائم على نظرية الإمكانات المختلطة للكشف عن الأصل الفيزيائي للظاهرة العابرة تحت انخفاضات جهد الشبكة.

القضايا العالقة فيما يخص تقدير التيار واختلاف الطور الكهربائي

لدراسة قضايا استقرار أنظمة (HVDC) في ظل اختلافات طور شبكة المحول؛ ركز معظم الباحثين على تحليل استقرار الاستجابات العابرة لـ (PLLs) والمتأثرة بأنماط تشغيل الشبكة لها تأثير كبير على استقرار المحولات المتصلة بالشبكة، بحيث تم تحديد آلية التأثير لتغير طور الشبكة، ومع ذلك تهدف هذه التحقيقات إلى عدم استقرار (PLL) تحت اضطرابات الشبكة دون النظر في مشكلات الاستقرار المحتملة الناجمة عن انحرافات الطور بين شبكة الطاقة و (PLL) المستقر في الأنظمة المتصلة بالشبكة.

لذلك تمت دراسة تأثيرات انحرافات التردد الناتجة عن اضطرابات الشبكة من خلال تحليل قابلية تكييف التردد لوحدات التحكم الحالية في أنظمة المحولات المتصلة بالشبكة الكهربائية، ولكنها لا تولي اهتمامًا للتيار العابر الناجم عن اختلافات طور شبكة المحول، كما يعتبر تقدير التيارات العابرة تحت الأعطال من أهم الطرق لتصميم الحماية لأنظمة (HVDC).

كذلك ساهم العديد من الباحثين بشكل كبير في تقدير التيار العابر، بحيث تم تقدير التيارات العابرة لأنظمة (HVDC) تحت أخطاء الماس الكهربائي باستخدام طرق حساب مختلفة، مثل إنشاء مصفوفات ما بعد الخطأ ونموذج التيار الخطي المعادل عالي التردد ونموذج الزمن المنفصل، وبعد إنشاء نموذج مبسط مكافئ (RLC) لـ (MMC) المتصل بالشبكة الكهربائية.

كما يمكن الحصول على مصفوفات ما بعد الخطأ لـ (MMC) لحساب تيارات خطأ التيار المستمر للنظام، وبالمثل وبناءً على دارات (RLC) المكافئة لشبكة (DC) متعددة الأطراف (MTDC)؛ فإنه يُقترح نموذج تيار خط مكافئ عالي التردد لحساب تيار خطأ التيار المستمر، بحيث تم اعتبار تأثيرات التبديل السريع لمحددات التيار الخاطئ والخصائص غير الخطية لموانع أكسيد الفلز لاقتراح طريقة محسّنة لحساب تيار خطأ التيار المستمر.

التيار الموسع تحت فرق طور محول الشبكة الكهربائية

من أجل تبسيط تحليل الاستجابات العابرة لأنظمة (MMC-HVDC) تحت اختلافات طور المحول ؛ فقد تمت دراسة (MMC) في جانب العاكس كمثال، وبالتالي تم إنشاء (MMC) ثلاثي المراحل من (21) مستوى في منصة (PSCAD) ومناقشة الاستجابات العابرة لـ (MMC) التي تعمل مع اختلاف طور محول الشبكة الناجم عن اضطرابات تردد الشبكة.

كما يوضح الشكل التالي (1) طوبولوجيا (MMC) ذات الثلاث مراحل من المستوى 2(1)، كما وقد تم سرد معلمات (MMC) في الجدول (1)، بحيث يتم توصيل (MMC) بشبكة طاقة مثالية عند نقطة اقتران مشترك (PCC)، بحيث تظهر حلقة التحكم في (MMC) في الشكل التالي (2)، بما في ذلك حلقة الطاقة الخارجية وحلقة التيار الداخلي.

ونظراً لأنه تم التحقيق في الاستجابات العابرة لـ (PLL) للمحولات؛، فإنه تم مراقبة فقط استقرار المحولات ذات (PLL) المستقر تحت اضطراب التردد، وذلك بافتراض أن (PLL) الخاص بـ (MMC)، بحيث يكون قادر على العمل بثبات، أي أن (PLL) يمكنه أخيراً تتبع تردد شبكة الطاقة عندما يتعافى تردد الشبكة إلى قيمة تشغيلية جديدة بعد اضطراب التردد، كذلك يمكن أن تكون الاستجابات العابرة لـ (MMCs) مختلفة تماماً عندما يعاني النظام من مستويات مختلفة من تغير تردد الشبكة.

ومن خلال محاكاة نظام (MMC) ثلاثي الأطوار ذو الـ (21) مستوى؛ فإنه يرتفع تردد الشبكة من (50) هرتز إلى تردد جديد خلال ثانيتين إلى (5) ثوانٍ، بحيث يتم عرض الاستجابات المستقرة وغير المستقرة في الشكليين التاليين.( 3-4)، أما في الشكل (3)، يزداد تردد الشبكة إلى (54) هرتز، وعندما يتم ضبط معدل تغير التردد (RoCoF) عند حوالي (1.33) هرتز / ثانية، وذلك على الرغم من أن (PLL) قادر على تتبع تردد شبكة الطاقة عندما يحتفظ تردد الشبكة أخيراً بقيمة تشغيلية جديدة.

ومن الظواهر المختلفة لـ (MMC) عندما يصل تردد المنحدرات إلى (54) هرتز و (56) هرتز، عندها يمكن تحديد أن النظام قد يصبح غير مستقر عندما يتجاوز فرق الطور الأقصى بين شبكة الطاقة وإخراج (PLL Δθ)، وذلك عند نطاقً معين، وفي الاستجابات غير المستقرة، تتدفق كمية كبيرة من الطاقة التفاعلية إلى النظام ويرتفع التيار العابر بشكل مفاجئ، مما قد يتسبب في مشاكل تشغيلية خطيرة، وبالتالي؛ فإن حساب التيار العابر ضروري لتحليل الحالة التشغيلية للنظام.

وأخيراً j,wgj هذه الدراسة الى أن طريقة تقدير تيار عابر تحت اختلافات طور شبكة المحول الكهربائي في أنظمة (MMC-HVDC)، وذلك من خلال إنشاء نموذج المرحلة، بحيث يمكن الحصول على فرق الطور بين شبكة الطاقة وإخراج (PLL)، وهو الناجم عن اضطرابات التردد. بعد تحليل استقرار النظام والعلاقات بين أقصى تيار عابر وفرق الطور في الحالات التشغيلية للاختلاف.

كما يمكن استنتاج أن قيمة الذروة للتيار العابر ستحدث عندما يصل فرق الطور إلى قيمته القصوى أو (π) عندما يتجاوز فرق الطور القيم الحرجة بعد اضطرابات التردد، كما وسيتم الحفاظ على التيار العابر عند القيمة المقدرة للتيار المتردد عندما يكون فرق الطور أقل من القيمة الحرجة، ومع هذا الاستنتاج يمكن تقدير الحد الأقصى للتيار العابر، كذلك المقارنات بين نتائج المحاكاة ونتائج التقدير تتحقق من نموذج المرحلة وطريقة تقدير التيار العابر.