اقرأ في هذا المقال
أهمية استبدال النظام الكهربائي مع المكثفات والتحكم بـ (LCC HVDC)
تم استخدام “نقل التيار المباشر” عالي الجهد (HVDC) المستند إلى تقنية “المحول المباشر” (LCC) على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم لنقل الطاقة منذ تطبيقه الأول قبل (60) عاماً، وذلك على الرغم من أن تقنية (HVDC) المعتمدة على “محول الفولتية” (VSC) قد تكون الخيار المفضل لشبكة (DC) متعددة الأطراف أو تكامل مزرعة الرياح، إلا أن (LCC HVDC)، بحيث لا تزال تتفوق على (VSC) في نقل الطاقة السائبة لمسافات طويلة نظراً لارتفاعها الكفاءات.
ومع ذلك، لا تزال بعض المشكلات المعروفة المرتبطة بـ (LCC – HVDC) موجودة اليوم مما يحد من التطبيق الإضافي لهذه التقنية، لذلك أبرزها فشل التبديل الذي يمكن أن يحدث تحت (10٪ -14٪) من انخفاض الجهد في ناقل التيار المتردد العاكس، كما يمكن أن يتسبب فشل التبديل في توقف مؤقت لنقل الطاقة وزيادة سخونة الصمامات، بحيث يمكن أن تحدث زيادة مفاجئة في نقل الطاقة بين خطوط نقل التيار المتردد المجاورة مما قد يؤثر على استقرار النظام العابر.
كما تعتبر حالات فشل التبديل أحداثاً ديناميكية متكررة يتم تسجيلها في العديد من الأنظمة العملية مثل حالات فشل التبديل المتزامنة والحظر القسري لمحطات المحولات الكهربائية في شبكة طاقة شرق الصين الناتجة عن خطأ أحادي الطور في جانب العاكس في عام 2013م، كما تسبب هذا الحادث في تقليل (4530) ميغاواط من الطاقة المنقولة عن طريق وصلات (HVDC)، مما أدى إلى انخفاض كبير في تردد نظام التيار المتردد الجانبي العاكس وزيادة الطاقة في خطوط (HVAC) المجاورة.
كما تم تعطل المولدات الموجودة على جانب المعدل وتنشيط احتياطيات الغزل في جانب العاكس لتعويض فقد نقل الطاقة النشط، كما بُذلت جهود للحد من مخاطر فشل الاستبدال ويمكن تصنيف الأساليب المقترحة على نطاق واسع إلى فئتين، الأولى من خلال تعديل وحدات التحكم والأخرى بواسطة إضافة مكونات سعويه إضافية أو أجهزة إلكترونية للطاقة الكهربائية.
بالنسبة لطرق تعديل وحدة التحكم؛ فقد تم تحديد في الدراسات أنه لا يمكن تجنب فشل التبديل تماماً إذا كان العطل قريباً كهربائياً من العاكس، لذا فإن أهداف هذه التعديلات هي إما تقليل احتمالية فشل الاستبدال أو زيادة سرعة الاسترداد لنظام (DC) بعد فشل الاستبدال، حيث أن الطريقة الأكثر شيوعاً هي دفع زاوية إطلاق النار على جانب العاكس مباشرة بعد اكتشاف اضطراب جهد التيار المتردد من أجل إعطاء هامش تبديل أكبر.
كما أن الاحتمال الآخر هو تقليل تيار التيار المستمر عن طريق خفض الترتيب الحالي في جانب المعدل عند اكتشاف اضطراب جهد التيار المتردد، ومع ذلك؛ فإن تقدم زاوية إطلاق النار سيؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة التفاعلية، مما سيؤدي إلى زيادة خفض جهد ناقل التيار المتردد العاكس خاصة لأنظمة التيار المتردد الضعيفة، كما أن تغيير الترتيب الحالي في جانب المعدل قد لا يكون سريعًا بدرجة كافية نظراً للمسافة الطويلة المعتادة لوصلة التيار المباشر.
تكوين الدائرة للمحول الهجين HVDC
يوضح الشكل التالي (1) تكوين دائرة المحول المقترح ونظام التيار المتردد المتصل في جانب العاكس حيث يكون المعرف هو تيار التيار المستمر، و (Ls) هو مفاعل تجانس التيار المستمر و (TY1-TY6) و (TD1-TD6) هما صمامات الثايرستور و (CapYa) و (CapYb) و (CapYc) و (CapDa ،CapDb ،CapDc)، وهي وحدات مكثف (Zinv ، Zf) ممانعات مكافئة لنظام التيار المتردد والمرشحات على التوالي.
(S1Ya-S4Ya) هي المفاتيح الأربعة المعزولة للبوابة ثنائية القطب (IGBT) لوحدة المكثف (CapYa و (D1Ya-D4Ya) وهما الثنائيات ذات التدوير الحر، كما يعتمد النظام بأكمله على نموذج معيار (CIGRE HVDC) وهو نظام ذو (12) نبضة مصنفة عند (1000) ميغاوات و (500) كيلو فولت و (2) كيلو أمبير مع أنظمة تيار متردد ضعيفة في كلا الطرفين.
بحيث يتم توصيل جسرين من (6) نبضات في سلسلة ومتصلين بنظام التيار المتردد من خلال محولات (YY ، YD) مما يتيح الإلغاء التوافقي الجزئي على جانبي التيار المتردد والتيار المستمر، كما يمكن العثور على جميع معطيات النظام الكهربائي.
الإضافات الوحيدة إلى نظام (Benchmark) الأصلي هي وحدات المكثف التي ترتبط في سلسلة بين الجانب الثانوي لمحول المحول وصمامات الثايرستور، كما يمكن تحقيق كل وحدة مكثف من خلال وحدة واحدة (مثل تلك الخاصة بمستويين VSC) أو عن طريق عدد من الوحدات الفرعية المتصلة بالسلسلة لتحقيق جهد إدخال أعلى.
ومن أجل توضيح النهج في النمذجة التالية؛ فقد تم افتراض وحدة مكثف واحد. هناك حاجة إلى وحدة مكثف واحدة لكل مرحلة لجسر من (6) نبضات لذلك هناك حاجة إلى (6) وحدات لنظام (HVDC) المكون من (12) نبضة، بحيث يتضح من الشكل السابق (1)، كما أن كل وحدة مكثف فرعية تتكون من أربعة مفاتيح (IGBT) مع ديود مضاد متوازي عبر كل منها، بحيث يتم توصيل الجانب الأيسر من الوحدة الفرعية بجانب الصمام بينما يتم توصيل الجانب الأيمن بالملف الثانوي للمحول.
كما يظهر القطبية المرجعية للمكثف في الشكل (1)، بحيث سيتم إدخال المكثف كجهد موجب عند تشغيل (S1 ، S4) وإيقاف تشغيل (S2 ، S3)، كما سيتم إدخال المكثف كجهد كهربائي سالب عند تشغيل (S2 ، S3) وإيقاف تشغيل (S1 ، S4)، كما يمكن تجاوز المكثف عندما يكون (S1 ، S3) في وضع التشغيل أو (S2 ، S4) في نفس الوقت.
ولتمكين المقارنات مع نظام (Benchmark) الأصلي، كما يتم الاحتفاظ بنظام التحكم في المحول في كلا الطرفين كما هو الحال في النموذج المعياري باستثناء أن زاوية إطلاق المعدل محدودة مؤقتاً عند تيار مستمر عالٍ والذي سيتم شرحه في أقسام لاحقة.
لذلك؛ فإن استراتيجيات الإدراج ربما يكون أفضل عرض للتحليل النظري لفشل الاستبدال، والذي يخلص إلى أن تقليل حجم جهد التيار المتردد العاكس هو العامل الأكثر انتشاراً لفشل الاستبدال تحت كل من خطأ أحادي الطور وثلاثي الطور، خاصةً أن تحول زاوية طور الجهد هو أيضاً سبب بداية فشل الاستبدال تحت خطأ أحادي الطور ولكن بدرجة أقل من تقليل الحجم.
كما أن استنتاج مهم آخر هو أنه بخلاف تعديل إعداد زاوية الانقراض؛ فإن التعديلات الأخرى على نظام التحكم في التيار المستمر لن تؤثر بشكل كبير على بداية فشل الاستبدال الأولي، كما يرجع ذلك إلى حقيقة أن نظام التحكم لن يكون قادراً على الاستجابة إذا حدث خطأ جسيم في البداية أو أثناء عملية التخفيف.
لذلك يمكن أن يكون هدف تعديل نظام التحكم مفيداً في الغالب لمنع حالات فشل التبديل المتتالية أو لزيادة سرعة استرداد النظام، ومع ذلك إذا كان الهدف هو القضاء على حالات فشل التبديل بدلاً من تقليل احتمالية حدوثه؛ فإن الطريقة الأكثر مباشرة هي زيادة جهد التبديل الفعال. الطريقة الأكثر شيوعاً هي إضافة المعوض الثابت المتغير (SVC) أو المعوض الثابت (STATCOM) في جانب العاكس (AC) لدعم الطاقة التفاعلية الديناميكية لتنظيم جهد التيار المتردد.
