قاطع الدائرة ومحدد التيار الخاطئ في شبكة DC-Microgrid

اختيار قاطع الدائرة ومحدد التيار الخاطئ في شبكة DC-Microgrid

تعتبر شبكة (DC) الصغيرة هي تطبيق واعد في نظام الطاقة الكهربائية، أولاً لا توجد مفاهيم عن الطور والطاقة التفاعلية في شبكات التيار المستمر الصغيرة، بحيث يمكن توصيل نظام توليد الطاقة المتجددة بنظام التوزيع الهجين (AC / DC) من خلال شبكة ميكروية للتيار المستمر دون مراعاة تزامن الطور الكهربائي.

ثانياً تكون بعض الأجهزة (مثل الخلايا الكهروضوئية وتخزين الطاقة) أكثر ملاءمة للاتصال بنظام التوزيع الهجين (AC / DC)، وذلك من خلال شبكة ميكروية (DC)، علاوة على ذلك، يتيح تطبيق الشبكات الصغيرة (DC) إمكانية التحكم في طاقة النقل بمرونة في نظام التوزيع الهجين (AC / DC).

كما أنه يمكن أن يضمن الوصول الفعال للأجهزة أثناء التشغيل العادي ويمكن أن يحقق دعماً سريعاً للطاقة عبر المنطقة في حالات الطوارئ، لذلك بالمقارنة مع شبكة التيار المتردد التقليدية؛ فإنها تتمتع شبكة (DC) الصغيرة بالعديد من المزايا وتنمو بسرعة.

ونظراً لأن مقاومة الخطوط في (DC- microgrid) أقل من تلك الموجودة في شبكة التيار المتردد؛ فإن التأثير الناجم عن خطأ ماس كهربائي في شبكة ميكروية (DC) يكون أكثر خطورة من ذلك الموجود في شبكة التيار المتردد، ونظراً لأن التيار الخاطئ في (DC- microgrid) لا يحتوي على تقاطع صفري؛ فمن الصعب قطع الخط المعيب عن ذلك الموجود في شبكة التيار المتردد.

وبالتالي، أصبحت الحماية من خطأ (DC-microgrid) تحدياً كبيراً لتطوير نظام التوزيع الهجين (AC / DC)، بحيث كانت هناك دراسات أولية حول الحماية من عطل الشبكة الصغيرة للتيار المستمر والتي تستخدم بشكل عام قواطع الدائرة (CBs) لعزل العطل في الشبكة الصغيرة للتيار المستمر.

كذلك قد يزيد تيار ما بعد الصدع في (DC-microgrid) بسرعة وقد يتجاوز تيار الانكسار الاسمي لـ (CB)، وقبل وقت الانقطاع لعزل المقطع المعيب بواسطة (CB) بنجاح، كما تم استخدام محدد التيار الخاطئ (FCL) للحد من معدل ارتفاع التيار المعيب بعد حدوث خطأ في (DC-microgrid) بالإشارة إلى طريقة شبكة (HVDC).

وفيما بعد تمت مراجعة تقنية (CB) و (FCL) بشكل شامل، بحيث يتم استخدام (CB) لكسر الخطوط المعيبة، وهناك ثلاثة أنواع من(CB) أي الميكانيكية (CB) (MCCB) في الحالة الصلبة (SSCB) و (CB) الهجين الصلب (HMSCB)، ونظراً لأن (MCCB) يستخدم وحدة التكسير الميكانيكي التقليدي للتيار المتردد لكسر الخط المعيب، لذلك؛ فإن وقت انقطاع الأعطال يكون بطيئاً مثل (30-100) مللي ثانية.

كما أنه لا يمكن لسرعة الانقطاع هذه أن تفي بمتطلبات (DC-microgrid)، بحيث يستخدم (SSCB) خصائص كسر يمكن التحكم فيها لمفتاح الحالة الصلبة لكسر الخط المعيب، مما يجعل (SSCB) يكسر الخط المعيب بسرعة.

ومع ذلك؛ فإن (SSCB) لديه خسائر توصيل كبيرة في حالة مستقرة، بحيث يجمع (HMSCB) بين مزايا البنكين السابقين، كما يتدفق التيار عبر الفرع بمفتاح ميكانيكي في حالة مستقرة والفرع بمفتاح الحالة الصلبة في حالة معيبة. هذا يقلل من خسائر (HMSCB) ويكسر الخط الخاطئ بسرعة، ونظراً للأداء الممتاز لـ (HMSCB)؛ فهي مناسبة لشبكة (HVDC) و (DC-microgrid).

عرض المشكلة المرتبطة بقاطع الدائرة ومحدد التيار الخاطئ

من أجل وصف شبكة (DC-microgrid)، وذلك من النوع الشبكي بوضوح، بحيث تم إنشاء نظام اختبار شبكة ميكروية من نوع (DC) بستة أطراف في هذا القسم، كما ويتم عرض مبادئ تشغيل (CB) و (FCL) في نظام الاختبار هذا.

نظام اختبار (DC-microgrid) ذي ستة أطراف تيار مستمر

بالإشارة إلى شبكة توليد الطاقة المتجددة البرية الكبيرة (DCS-A) و (DCS-M)، بحيث يظهر الرسم التخطيطي لنظام الاختبار في الشكل التالي (1)، بأن هناك ستة عقد في نظام اختبار الشبكة الدقيقة (DC) من النوع الشبكي، كما تُعرف العقد (n1 ، n2 ، n3 ، n5 ، n6)، والتي تتصل بمحول مصدر الجهد الكهربائي (VSC) مباشرة، وذلك على أنها “عقد حقيقية”، بحيث تُعرَّف العقدة (n4)، والتي تتصل بـ (VSC) بشكل غير مباشر على أنها “عقدة وسيطة”.

تتضمن معطيات خطوط التيار الكهربائي المستمر سعة روابط التيار المستمر ومقاومة الخطوط ومحاثة الخطوط، وبالإشارة إلى ذلك يتم تعيين المعلمات على النحو التالي، بحيث تبلغ سعة روابط (DC) لجميع العقد (9000) درجة فهرنهايت، بحيث تتناسب مقاومة ومحاثة خطوط التيار المستمر مع أطوالها كما هو موضح في الجدول التالي (1).

كما يتم أخذ عنصر التحكم السيد والعبد كمثال لاستراتيجيات التحكم للتحقق من طريقة اختيار المعطيات المقترحة، بحيث يمكن العثور على وصف تفصيلي للتحكم في الأطراف، كما يتم استخدام التحكم في الجهد (DC-link) في (VSC) المتصل بمولد التيار المتردد، بينما يتم استخدام التحكم النشط في الطاقة في (VSC) المتصل بشبكة التيار المتردد أو مزرعة الرياح.

وبناءً على ذلك، تم تعيين مرجع جهد التيار المستمر لـ (VSC5) على أنه (1000) فولت، بحيث تم تعيين مراجع طاقة الإدخال لكل من (VSC1 ،VSC2 ،VSC3) على أنها (100) كيلو وات على التوالي، كما تم تعيين مرجع طاقة الخرج لـ (VSC6) على (400) كيلو وات، ومن خلال حساب تدفق الطاقة في الحالة المستقرة لشبكة ميكروية (DC) ذات ستة أطراف شبكية، بحيث يمكن الحصول على جهد عقد الحالة المستقرة وتيار الخطوط، وذلك كما هو موضح في الجدول التالي (2).

مبادئ تشغيل (CB ، FCL) في (DC Microgrid)

نظراً لأن خطأ القطب إلى القطب أكثر خطورة من خطأ القطب إلى الأرض، كما يتم اختيار خطأ القطب إلى القطب باعتباره الخطأ الذي تم تحليله في هذه الورقة، وذلك كما هو مبين في الشكل السابق (1)، كما يتم استخدام (CBs) و (FCLs) كأجهزة حماية ويتم تثبيتها على طرفي كل خط (DC).

وبافتراض حدوث عطل ماس كهربائي عند نقطة منتصف (b24) (حالة الخطأ 1)، كما ويتم تعريف الموضع الخاطئ على أنه العقدة (7)، علاوة على ذلك؛ فإن مقاومة الخطأ هي صفر ويظهر في الشكل التيار الخاطئ للخط (2-7) بدون ومع (2mH FCLs)، بحيث يظهر في الشكل التالي (2)، وفي الوقت نفسه، هناك نوعان من وقت كسر (CBs) (3ms و 5ms) ونوعين من تيار القطع الاسمي لـ (CBs) (1800A و 2500A)، وذلك كما هو ملحوظ في الشكل التالي.

وكما هو مبين في الجدول التالي إذا لم يكن (FCL) مجهزاً؛ فلا يمكن كسر الجزء المعيب بواسطة (CB) مع وقت الكسر T2) (5ms)) وقدرة الكسر ICB1) (1800A))، ومع ذلك يمكن كسر الجزء المعيب عن طريق تقليل (T2) (5 مللي ثانية) إلى (T1) (3 مللي ثانية) أو زيادة ICB1) (1800A)) إلى ICB2) (2500A)) أو تجهيز (2mH FCL) على الخط المعيب، بحيث يشير هذا إلى أن كسر جزء الخطأ يتحقق من خلال تعاون (CB) و (FCL).

لذلك ترتبط تكلفة كل (CB) بوقت الكسر وتيار التكسير الاسمي، كما وتجدر الإشارة إلى أنه كلما كان وقت الكسر أقصر وكلما زاد تيار التكسير الاسمي، بحيث ارتفعت تكلفة (CB) وتكلفة (FCL)، كما أنها تتناسب طردياً مع محاثة (FCL)، وذلك على الرغم من أنه يمكن أيضًا كسر الجزء المعيب.