مبدأ عمل المحولات في الشبكات ذات الجهد العالي

أهمية وجود المحول متعدد المستويات في الشبكة فائقة الجهد

تتمتع تقنية التيار المستمر بالجهد العالي (HVDC) بإمكانية تطبيق رائعة في تكامل الشبكة الكهربائية لطاقة الرياح والطاقة الشمسية ذات مدى ميغاواط، وذلك مع التطور السريع لأنظمة (HVDC)، كما أن هناك حاجة ملحة لربط أنظمة (HVDC) المختلفة مباشرة، حيث يعد محول الحالة الصلبة للتيار المستمر (DCT) مكوناً رئيسياً لتحقيق تحويل الجهد ونقل الطاقة والعزل الكهربائي لأنظمة (HVDC).

ونظراً لأن مبدأ الحث الكهرومغناطيسي لا يمكن استخدامه مباشرة في نظام التيار المستمر، ومن أجل زيادة الجهد وسعة الطاقة لـ (DCT)؛ فإن الهيكل المتعدد القائم على “محول التيار المستمر” (الذي تم اختصاره كـ (ADCT في هذا الطرح)، وهو مخطط البحث الأكثر شيوعاً لـ (DCT) إلى الوصول إلى نظام (HVDC). وذلك على وجه الخصوص.

أيضاً لأن الجسر النشط المزدوج (DAB) يتمتع بمزايا سهولة تحقيق التبديل الناعم، وإمكانية نقل الطاقة ثنائية الاتجاه والهيكل المعياري والمتماثل؛ فإنه يستخدم على نطاق واسع كخلية أساسية لـ (DCT)، ومع ذلك في تطبيق على مستوى نظام (HVDC)، ونظراً لمكثف التيار المستمر في (DCT) استناداً إلى (DAB)، كما سيكون هناك تيار زائد كبير عند حدوث عطل في شبكة (HVDC).

لذلك يجب إضافة قاطع تيار مستمر إضافي لقطع التيار المتردد الاتصال بين أنظمة (HVDC) المختلفة، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه لا يمكن إضافة الوحدة الزائدة، وإلا فسيكون مكثف التيار المستمر قصير الدائرة، لذلك يجب أن يتوقف (DCT) عن العمل عند فشل وحدة فرعية (SM)، مما يقلل من موثوقية النظام، خاصةً هناك مئات الخلايا في (HVDC).

طوبولوجيا (MADCT) المقترحة

يظهر هيكل (MADCT) المقترح في الشكل التالي (1)، بالمقارنة مع (ADCT)، بحيث يستخدم (MADCT SM) نصف الجسر، وهي خلية أساسية في (MMC)، مثل واجهة (HVDC) وجانب التيار المستمر من (SM) متصل بـ (DAB) والتيار المتردد يتم توصيل جوانب (n- SMs) في سلسلة للوصول إلى ناقل (HVDC).

والهيكل تماماً مثل ذراع واحد من (MMC)، ومع ذلك؛ فإنه عند المقارنةً بـ (MDCT) لا يزال (MADCT) يستخدم بنية (DAB) كخلية أساسية، كما ويتكون النظام من خلايا (DAB n)، وكلا الجانبين (DC) من (DAB) متصلان بجوانب (DC) من (SMs).

بعد ذلك، ومقارنةً بـ (ADCT)، لا يتمتع (MADCT) بنفس الطريقة والمرونة فحسب؛ بل يتمتع أيضاً بقدرة أفضل على معالجة الأخطاء، وذلك نظراً لاستخدام (SM)، بحيث يتم التخلص من مكثف التيار المستمر لـ (ADCT) في (MADCT)، ويتم توزيعه في رابط (DC) منفصل لكل (SM)، مما يعني أن مكثف التيار المستمر غير متصل بشبكة (HVDC) مباشرة.

ثم يمكن لـ (MADCT) العمل بشكل جيد عندما تفشل بعض (SMs)، كذلك لن يكون مكثف التيار المستمر قصير الدائرة ولا يوجد تيار تدفق، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يمكن أن يعمل (MADCT) كقاطع تيار مستمر، بحيث نحتاج فقط إلى قفل نبضات القيادة عندما يكون هناك خطأ في التيار المستمر في شبكة (HVDC)، ثم يمكن فصل الاتصال.

كما أن عيوب (MADCT) هي أن تحويل (SMs) يزيد من فقد الطاقة للنظام، ومع ذلك وبالنسبة لـ (DAB)، ستزداد خسارة الطاقة بشكل كبير عندما لا تتطابق الفولتية الطرفية مع نسبة الدوران للمحول، ولا تتمتع (ADCT) بقدرة ضبط الجهد الطرفي لـ (DAB).

لكن (SMs) توفر القدرة على ضبط (MADCT)، لذلك؛ فإن (MADCT) لديه كفاءة أقل قليلاً في الحد الأقصى (نقطة المطابقة)، كذلك لا يزال متوسط ​​كفاءة (MADCT) أعلى من (ADCT)، وذلك مقارنةً بـ (MDCT)، كما لا يتمتع (MADCT) بنفس سعة معالجة الأخطاء فحسب؛ بل يحتوي أيضاً على عدد أقل من المفاتيح ونمطية أعلى وتحكم وتركيب أبسط.

مبدأ تشغيل محول (DC) متعدد المستويات في الشبكة فائقة الجهد

نظرHw لأن (MADCT) له هيكل متماثل؛ فإن حالات التشغيل للدوائر في جانبي (HVa) و (HVb) هي نفسها، لذلك نقدم التحليل بشكل أساسي في الجانب (HVa).

محول متعدد المستويات في تشغيل (SMs) في (MADCT)

على غرار التشغيل متعدد المستويات لـ (SM) في (MDCT)، يعمل (MDCL) في (MADCT) أيضاً بمبدأ متعدد المستويات، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، كما لا يزال التبديلان (Si1) و (Si2) بالتناوب لتوليد جهد ثنائي المستوى، وهناك زاوية تحول طور بينهما جميع الفولتية ذات المستويين من (SMs)، والتي يتم تجميعها للوصول إلى ناقل (HVDC).

كما أن الفرق هو أن نسبة واجب (SM) في (MADCT) ليست 50 ٪، والتي يتم تغييرها وفقاً لمتطلبات التحكم في الجهد الطرفي لـ (DAB)، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن الهدف من إزاحة الطور ليس تقريب الموجة الجيبية، ولكن لزيادة تردد التشغيل وتقليل تيار التموج، وبالتالي فإن زاوية إزاحة الطور بين (SMs) المجاورة مصممة بقيمة ثابتة (2π / n).

تشغيل وصلة التردد العالي لـ (DABs) في (MADCT)

على غرار عملية إزاحة الطور المزدوجة النشطة لـ (DAB) في (ADCT)، تعمل (DAB) في (MADCT) أيضاً مع مبدأ إزاحة الطور ثنائي النشاط، وذلك كما هو موضح في الشكل 2 (C)؛ فإن كل جسور (H) تولد 50٪ موجة مربعة عالية التردد (HF)، وكل (DAB) يمكن أن تكون مكافئة لموجتين (HF) مربعتين (vhai) و (vhbi) متصلان بمحث، وبعد ذلك؛ فإنه يمكن ضبط حجم واتجاه تدفق الطاقة من خلال التحكم في حجم واتجاه زاوية تحول الطور بين موجتين (HF).

ومع ذلك، يختلف (DAB) في (ADCT)، حيث يعمل (DAB) في (MADCT) دائماً في حالة المطابقة، ونظراً لقدرة تعديل الجهد في (MDCL)، وبالتالي؛ فإن (iLi) الحالي للوصلة عالية التردد (HFL) يحافظ دائماً على ثباته خلال (t0 t1)، وهو أمر مهم جداً لتشغيل (MADCT) في تطبيق (HVDC)، وفي الواقع يمكن أن تقلل هذه الجودة بشكل كبير من الضغط الحالي وفقدان الطاقة للنظام.

وأخيراً فقد تم اقتراح مخطط (MADCT) جديد، وذلك من أجل تكامل شبكة (HVDC)، بحيث يتم تقديم وتحليل الهيكل ومبدأ التشغيل وأداء الجهد والتيار والطاقة والتحكم وطريقة تصميم المعلمة الخاصة بـ (MADCT) المقترحة، ووفقاً للنتائج النظرية والتجريبية، وعلى عكس (DCTs التقليدية)؛ تتمتع (MADCT) بنمطية ومرونة جيدة.

كما تمتلك (MADCT) أيضاً قدرة جيدة على معالجة الأخطاء، ونظراً لقدرة ضبط (SMs)؛ فإن (MADCT) لديه مكثف نقل عالي الطاقة، كما وتعمل الفولتية الطرفية لـ (DABs) دائماًً في حالة مطابقة، وعلى وجه الخصوص؛ فإنه يمكن تصميم (MDCL) للعمل متعدد المستويات، وبالتالي تحسين أداء الإجهاد الحالي والكفاءة بشكل كبير، كما أن (MADCT) هو حل فعال وعملي لـ (DCT) لتكامل شبكة (HVDC).