اقرأ في هذا المقال
الهدف من إمداد الطاقة الكهربائية المعتمد على المحول المعياري
إن نظام إمداد طاقة الجر التقليدي الذي يتبنى محوِّل تنحي لتغذية مغذيتين معزولتين تماماً يستخدم على نطاق واسع في نظام السكك الحديدية المكهربة بالتيار المتردد، لكنها تواجه تحديات شاقة مثل مشاكل جودة الطاقة والقدرة على إمداد الطاقة والمشاكل التي تسببها الأقسام المحايدة، كما يُقترح نظام إمداد طاقة الجر على مراحل لحل مشاكل الطاقة والقضاء على الأقسام المحايدة في المحطة الفرعية.
كما تم تطوير أشكال مختلفة من أنظمة الإمداد بالطاقة على مراحل، لكن المقاطع المحايدة بين المحطات الفرعية لا تزال موجودة، وذلك من أجل ربط جميع الكابلات لأي محطات فرعية مختلفة، بحيث يُقترح نظام إمداد طاقة الجر المتقدم على مراحل، كما يتم التخلص من الأقسام المحايدة تماماً في هذا النظام، كما ويمكن تكوين سعة النظام حسب الحاجة.
ولكنه يعتمد على محولات متعددة المستويات مثبتة بصمام ثنائي حيث مع زيادة عدد المستويات، بحيث يزداد تعقيد الدائرة بشكل حاد، لذلك يصعب تكييف النظام مع تطبيقات المناسبات عالية الطاقة، بحيث يعد المحول المعياري متعدد المستويات (MMC) أكثر قابلية للتطبيق في تحويل الطاقة العالية، وذلك نظراً لنمطيته الأعلى وانخفاض الناتج (THD) وقابلية التوسع للجهد العالي.
نظام إمداد طاقة متقدم جديد قائم على MMC
يوضح الشكل التالي (1) نظام إمداد طاقة الجر الجديد القائم على (MMC) والمقترح في هذا الطرح، كما ويتكون بشكل أساسي من محول توصيل ومعدل قائم على (MMC) ثلاثي الأطوار وناقل تيار مستمر و (MMC) أحادي الطور العواكس والمحولات ذات المرحلة الواحدة والمحولات التدريجية أحادية الطور، بحيث يحصل المعدل القائم على (MMC) ثلاثي الأطوار على الطاقة من شبكة (110) كيلو فولت ثلاثية الطور من خلال محول توصيل ثم ينقل الطاقة إلى جميع المحطات الفرعية من خلال ناقل تيار مستمر عالي الجهد.
لذلك ستقوم المحولات أحادية الطور القائمة على (MMC) في المحطة الفرعية بتحويل التيار المستمر عالي الجهد إلى تيار متردد (50) هرتز، ثم يتم تقليل التيار المتردد إلى (27.5) كيلو فولت من خلال محول التدريجي أحادي الطور لتغذية شبكة الجر، ونظراً لأن السعة والتردد والمرحلة لجهد الخرج للعاكس في كل محطة فرعية يتم التحكم فيها بدقة لتكون متماثلة، يجب أن تكون السعة والتردد والمرحلة لجهد الخرج الثانوي المحول بواسطة نفس محول التنحي أحادي الطور تطابق.
وحتى يمكن إلغاء الأقسام المحايدة، كما يمكن ربط جميع المحطات الفرعية معاً، وفي الوقت نفسه ويمكن للنظام القائم على المحول أيضاً حل مشكلات الطاقة الكهربائية بما في ذلك عدم التوازن والقدرة التفاعلية والتشويه التوافقي.
وفي الوقت الحاضر، يعمل العديد من العلماء لمواجهة تحديات تطوير موارد الطاقة المستدامة والصديقة للبيئة، وكذلك جلب التطبيق الواسع والتطور السريع للطاقات الموزعة تحديات جديدة وإمكانيات جديدة لنظام إمداد طاقة الجر، لذلك إذا كانت الأجيال الموزعة ذات السعة الكبيرة مثل توليد طاقة الرياح وتوليد الطاقة الكهروضوئية متصلة بنظام إمداد طاقة الجر (AC) التقليدي؛ فإن الطاقة النشطة والمتفاعلة سوف تتقلب عشوائياً وبشكل كبير، مما يؤدي إلى تذبذب الجهد.
ولكن يمكن التحكم في الطاقة النشطة والمتفاعلة بشكل مستقل في نظام التيار المستمر للحفاظ على استقرار الجهد، ونظراً لوجود ناقل التيار المستمر؛ فإنه يمكن تحقيق الوصول عالي الكثافة والاستخدام الكامل للطاقات الموزعة في النظام المقترح، مما قد يؤدي إلى تغييرات مفاجئة في نظام إمداد طاقة الجر، كما يمكن توصيل نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ونظام تخزين الطاقة الكهربائية بتفرع (DC) من خلال محول (DC-DC)، وفي نفس الوقت يمكن توصيل نظام توليد طاقة الرياح بحافلة (DC) من خلال محول (AC-DC).
وبالمقارنة مع نظام إمداد طاقة الجر التقليدي؛ فإن نظام إمداد طاقة الجر المتقدم المستند إلى (MMC) له المزايا على النحو التالي:
- حل المشكلات الكامنة في نظام إمداد طاقة الجر، وفي النظام المقترح سيتم حل مشكلات الطاقة مثل التوافقيات والقوة التفاعلية والتسلسل السلبي تماماً، كما وسيتم التخلص تماماً من الأقسام المحايدة ويمكن تحقيق تفاعل ودي بين محطات الجر الفرعية وبين نظام إمداد طاقة الجر وشبكة الطاقة.
- تصميم معياري عالي، بحيث يمكن تعديل عدد (SM) لكل ذراع لتحقيق التكوين المرن لفئة جهد النظام وفئة الطاقة، وهو مناسب لتوسيع النظام. إلى جانب ذلك، بحيث يمكن استبدال (SMs) بشكل كبير مما يفيد في صيانة النظام والتصميم الزائد.
- لذلك لا حاجة للمكثفات ذات السعة الكبيرة، بحيث لا يتطلب جانب (DC) من (MMC) مكثفات ذات سعة كبيرة أو مكونات مرشح سلبية أخرى، والتي تتجنب التيار الزائد الناتج عن قصر الدائرة على جانب التيار المستمر، مما يحسن موثوقية النظام ويقلل من تكلفة النظام.
- جودة طاقة ممتازة، ونظراً لارتفاع تردد التبديل المكافئ ومستوى جهد الخرج؛ فإن المحتوى التوافقي لجهد الخرج منخفض نسبياً، لذا فإن محاثة المرشح المطلوبة صغيرة، وحتى محاثة المرشح يمكن إلغاؤها، مما يساعد على تقليل حجم النظام.
- وصول ملائم للطاقات الموزعة، حيث أن النظام المقترح يضبط ناقل تيار مستمر عالي الجهد، ومن ناحية أخرى، يمكن تقليل تكلفة نقل الطاقة، ونظراً لوجود (DC-bus)؛ فإنه يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقات المتجددة الوفيرة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية على طول خط السكة الحديد.
تصميم الهيكل لمحول (MMC) ثلاثي الأطوار إلى أحادي الطور
يوضح الشكل التالي (2) طوبولوجيا المرحلة الثلاثية إلى مرحلة واحدة (MMC)، وبالنظر إلى عوامل الاقتصاد وتعقيد التحكم والكفاءة؛ فإنه تم اعتماد (HBSM) في هذا الطرح، كما يعتمد عدد (SM) على فئة الجهد للجهد (SM) والتيار المستمر، كذلك جهد التيار المستمر المصمم هو 160 كيلو فولت، كما وقد تم تصميم الجهد لكل (SM VC) على أنه (2000-V)، لذا فإن عدد (SM) هو (n = 160kV / 2000V = 80).
استراتيجية تعديل (MMC): نظراً لأن عدداً كبيراً من (SMs)، وهو متصل بالسلسلة في نظام إمداد طاقة الجر المتقدم القائم على (MMC)؛ فقد تم اعتماد (NLM) في هذا البحث، بحيث يتم استخدام موجة الدرج لتقريب الموجة الجيبية المرغوبة في (NLM)، لذلك يتم تعديل عدد (SM) المُدخَل في الذراعين العلوي والسفلي وفقاً لتغير موجة التعديل.
كما يمكن حساب عدد (SM) الذي تم إدخاله في الجزء العلوي من الذراع (nupper) والجزء السفلي من الذراع (nlower) لكل مرحلة على النحو التالي:
حيث أن:
(n): هو عدد (SM) لكل ذراع.
(uref): هو الجهد المرجعي لكل مرحلة.
(Uc): هو متوسط جهد المكثف في (SMs).
الجولة (): هي دالة تقرب أقرب عدد صحيح.
لذا من السهل أن تجد ما يلي:
تشير المعادلة السابقة إلى أن (SMs) المدرجة في كل مرحلة تساوي دائماً (n)، كما إنه يساعد على تعظيم نسبة استخدام جهد التيار المستمر والحفاظ على استقرار جهد التيار المستمر، بحيث يظهر مبدأ تعديل (NLM) في الشكل التالي (3).
