مخطط حماية كهربائية متعدد الأطراف لأنظمة نقل VSC-HVDC

أهمية تنفيذ مخطط حماية كهربائية متعدد الأطراف لأنظمة نقل VSC-HVDC

تمت ملاحظة زيادة الاهتمام بمحول مصدر الجهد (VSC) القائم على الجهد العالي للتيار المستمر (HVDC)، بحيث توفر تقنية (VSC-HVDC) العديد من المزايا، كما توفر التحكم في كل من الطاقة النشطة والمتفاعلة ويمكن تغيير اتجاه الطاقة من خلال عكس الاتجاه الحالي فقط، حيث إنه يتيح تنفيذ نظام (MT-HVDC) متعدد الأطراف حيث يمكن استخدام ناقل تيار مستمر ثابت، وذلك على عكس محولات تبديل الخط الكلاسيكية (LCC).

أيضاً توفر أنظمة (VSC-HVDC) متعددة الأطراف سمات مثل التكرار والمرونة والموثوقية والأمن لنقل الطاقة، كما تسمح موثوقية شبكة التيار المستمر بالتشغيل الآمن عند اعتماد الإجراء المناسب لتجنب فشل شبكة التيار المستمر أثناء الظروف القاسية، أي نظام حماية شبكة التيار المستمر، ومع ذلك تواجه حماية شبكة التيار المستمر تحدي الزيادة السريعة في تيار خطأ التيار المستمر.

كما يعد الاكتشاف والتعريف السريع عن طريق المرحلات الواقية والعزل السريع من خلال قواطع دوائر التيار المستمر (DCCB) من المتطلبات الأساسية لأنظمة حماية (HVDC)، بحيث يجب أن تكون أنظمة الحماية (PS) فعالة في تحديد الخطأ وتحديد موقعه خلال الملي ثانية الأولى من فترة خطأ التيار المستمر، خاصةً إذا لم يحدد (PS) القسم المعيب وعزله في الوقت المناسب؛ فقد ترتفع تيارات الأعطال إلى مستويات مدمرة وتتلف محولات (HVDC) وقد ينخفض ​​جهد شبكة التيار المستمر للنظام إلى قيم منخفضة بشكل غير مقبول.

وبالتالي، يجب أن يكون (PS) لأنظمة التيار المستمر أسرع وأكثر دقة من أنظمة التيار المتردد، حيث أن الحماية الانتقائية لأنظمة (MT-HVDC) تقسم الشبكة إلى مناطق حماية، وبشكل عام هناك منطقتان للحماية في أنظمة الحماية الانتقائية للتيار المستمر لجزء واحد، وفي حالة حدوث عطل في التيار المستمر؛ فإنه يجب أن تعمل قواطع التيار المستمر الخاصة بمنطقة معينة وتعزل الجزء المعيب، مما يمنع انتشار تيار الخلل في مناطق الحماية المجاورة.

وبالتالي، قبل إجراء الحماية الاحتياطية (BP)؛ فإنه يجب أن تعالج الحماية الأولية (PP) الخطأ في منطقتها، خاصةً إذا فشلت الحماية الأولية في أداء وظيفتها، كذلك يجب أن تكون الحماية الاحتياطية فعالة بدرجة كافية لتحديد الحالة المعيبة والرد وفقاً لذلك.

كما تم اقتراح العديد من مخططات الحماية غير الموحدة لأنظمة (MT-HVDC)، بحيث يتم استخدام تقنية الحماية القائمة على المشتقات الحالية، حيث أن المعدل الحالي محدود بواسطة محاثات الارتباط بالتيار المستمر، ومع ذلك؛ فإن محاثة التيار المستمر تزيد من متطلبات الطاقة (DCCB)؛ فإنه يتم تقديم مخطط حماية قائم على الجهد الكهربائي، ولكن هناك حاجة إلى عمليات محاكاة طويلة لتصنيف العتبات المختلفة.

نظام الاختبار الشبكي المقترح

يوضح الشكل التالي (1) مخطط خطي واحد لنظام (HVDC) متعدد المستويات المعياري متعدد المستويات (MMC) المقترح والذي يتكون من أربعة خطوط متشابكة (خط 32) وحلقة من الخطوط، كما يتم تحقيق اتصال ثنائي القطب لخطوط النقل مع الأخذ في الاعتبار الفولتية الموجبة والسالبة للتيار المستمر، بحيث ترتبط (DCCBs) الهجينة بكل طرف في سلسلة مع محاثات التيار المستمر (100 مللي أمبير في الساعة) في كل سطر، وذلك للحد من معدل ارتفاع تيار خطأ التيار المستمر.

لذلك لا توفر هذه المحرِّضات الحماية ضد خطأ ارتباط التيار المستمر داخل (VSC)، بحيث تمثل أطوال الخطوط (L24 ، L43 ، L31 ، L21 ، L32) هي تقريباً (80 كم ، 80 كم ، 100 كم ، 100 كم ، 150 كم) على التوالي.

وبالنسبة الى استراتيجية التحكم؛ فقد تم تعيين محطات (VSC) البرية (MMC-1 و MMC-2) للتحكم في جهد التيار المستمر من خلال التحكم في تدلي (P-Vdc) والتحكم في الطاقة التفاعلية، بحيث يساعد هذا الإعداد على تنظيم الطاقة النشطة المتبادلة بين المحول وشبكة التيار المتردد الخارجية بالإضافة إلى الحفاظ على جهد ارتباط التيار المستمر.

كما تم تعيين محطات المحولات المتبقية (MMC-3 ، MMC-4) على وضع التحكم (P-Vac)، والذي ينشئ تدفقًا نشطاً ثابتاً للطاقة عبر الشبكة الكهربائية، كما وينظم مستوى جهد التيار المتردد عند نقطة الاقتران المشترك (PCC).

حماية أنظمة VSC-HVDC متعددة الأطراف

تعتبر العقبة الرئيسية التي تعيق تنفيذ أنظمة (MT-HVDC)، هي عدم توفر نظام الحماية الكهربائية، وبالتالي؛ فإنه يجب إنشاء تقنية جديدة كاملة، كذلك من الصعب إطفاء القوس في أنظمة التيار المستمر حيث تظل قطبية التيار ثابتة، حيث أن خوارزميات الحماية المتوفرة لـ (MT-HVDC) ليست مرضية، وذلك أثناء حدوث خطأ في شبكة التيار المستمر، من الممارسة تشغيل مجموعة مفاتيح التيار المتردد لفصل شبكة التيار المستمر بالكامل، وهذا هذا غير مقبول.

كما إن الأسباب التي تجعل حماية شبكات التيار المستمر أكثر صعوبة من شبكات التيار المتردد هي:

• عادةً، تُستخدم الكابلات في (VSC-HVDC) مع تيارات دائرة قصر ثابتة عالية الحالة ووقت ارتفاع قصير.

• هناك حاجة إلى حماية التيار الزائد لمحركات (VSCs) كونها حساسة للأحمال الزائدة.

• يعد تبديل التيار المستمر أكثر تعقيداً من تبديل التيار المتردد.

كما يعتمد التشغيل القابل للتطبيق لنظام (MT-HVDC) على قدرته على البقاء على قيد الحياة أثناء حدوث خطأ في التيار المستمر، لذلك هناك حاجة إلى مزيد من التحقيق بشأن حماية خطأ التيار المستمر، بحيث يوصى بالميزات التالية لنظام حماية قوي لشبكة التيار المستمر:

• التعرف على خطأ التيار المستمر، بحيث يجب ألا تستجيب أنظمة الحماية للضوضاء وأن تعمل بشكل طبيعي.

• كشف موقع الخلل في النظام الكهربائي.

• القيام بتشغيل (DCCBs) ذات الصلة في بضع أجزاء من الثانية بعد اكتشاف الخطأ بطريقة انتقائية.

• يجب أن تحتوي الأنظمة على قواطع تيار مستمر سريعة بشكل كافٍ.

• مع فشل الحماية الأولية؛ يجب استخدام النسخ الاحتياطي.

وأثناء حدوث خطأ في شبكة التيار المستمر وبعده؛ فإنه يجب أن يكون التأثير على شبكات التيار المتردد المتصلة ضئيلاً، كما يجب أن يكون أي نظام حماية قادراً على التمييز بين الظروف المعيبة وغير العادية لنظام الطاقة، بحيث يجب أن يكون (PS) غير حساس للأعطال وقادراً على التعامل مع ضوضاء المحول.

كما يوضح الشكل التالي (2) مناطق الحماية والتفرعات، بحيث يتصل كل ناقل بخطين أو أكثر مع قواطع الدائرة الهجينة المرتبطة بالتيار المستمر ومرحل في كل طرف خط، لذلك تعتبر كل منطقة حماية يحدها محث خط. المنطقة (1) (الحماية الأولية: التتابع 13) والمنطقة (2) (الحماية الاحتياطية: التتابع 1 للترحيل 13) موضحة في الشكل للخطأ “F3” على الخط (L31)، كما تُستخدم طريقة (Naïve Bayes) الإحصائية للتمييز بين المناطق (1 ، 2).

وفيما بعد تم الإبلاغ عن الأعطال على أنها ارتفاع في التيار المستمر وانخفاض مستوى جهد التيار المستمر تحديداً، كما يتم استخدام المحث عند كل طرف من الخط المعيب مما يحد من انتشار الانخفاض السريع في الجهد والارتفاع في التيار الكهربائي، وبالتالي؛ فإن علامة (di / dt) تصف اتجاه أي تيار خطأ، سواء للأمام أو للخلف.