وحدة التحكم المحسّنة لتدفق القدرة الكهربائية متعددة المنافذ

بصفتها الميسر الرئيسي لتدفق الطاقة في نظام النقل متعدد الأطراف للتيار المباشر (MTDC)؛ فإنه يمكن لوحدة التحكم في تدفق طاقة التيار المستمر (DCPFC) توسيع منطقة تنظيم تدفق الطاقة بشكل فعال من خلال تنفيذ وظيفة الإخراج متعدد المنافذ.

تحليل وحدة التحكم المحسّنة لتدفق القدرة الكهربائية

مع نقص الطاقة التقليدية وتدهور البيئة البيئية، أصبح الاستخدام الواسع للطاقة الخضراء والنظيفة اتجاهاً حتمياً، ومن أجل ضمان الاستخدام الفعال للمصادر المتجددة على نطاق واسع؛ أصبحت تقنية نقل التيار المباشر متعدد الأطراف القائم على محول مصدر الجهد (VSC-MTDC) أحد الأساليب الرئيسية للحفاظ على اتصال الشبكة للطاقة المتجددة.

ومع ذلك؛ فإن التوزيع غير المنضبط لتدفق الطاقة في نظام نقل (VSC-MTDC) قد يتسبب في تحميل زائد للخط وفقدان غير ضروري للخط؛ بل وقد يؤدي إلى إتلاف التشغيل الآمن لنظام النقل بأكمله، لذلك؛ فإن الحفاظ على التيار في كل خط نقل في حالة مُحسَّنة هو أحد المشكلات الرئيسية التي يجب أن يواجهها نظام نقل (VSC-MTDC) ويحتاج إلى حلها.

الأدوات المستخدمة لضمان التحكم بتدفق الطاقة الكهربائية

من أجل تسهيل تدفق الطاقة داخل نظام نقل (VSC-MTDC)؛ فإنه يمكن استخدام جهاز تقليدي يعرف باسم وحدة التحكم في تدفق الطاقة [DC (DCPFC)]، ونظراً لأنه يمكن التحكم في تدفق الطاقة داخل نظام التيار المستمر إما عن طريق ضبط المقاومة على خط النقل أو تنظيم جهد التيار المستمر عبر خط النقل؛ فإنه يمكن تصنيف أساليب التصميم الخاصة بـ (DCPFC) عموماً إلى هذين النوعين، وهما نوع التحكم في المقاومة ونوع التحكم في الجهد الكهربائي (DC).

وبالنسبة لنوع التحكم في المقاومة (DCPFC)؛ فإنه يتميز بالبنية البسيطة والتحكم السهل، ومع ذلك يمكن فقط زيادة المقاومة المكافئة لتنظيم تدفق الطاقة في اتجاه واحد، مما يؤدي إلى خسارة عالية للنظام، وبالتالي لا يتم أخذها في الاعتبار في التطبيقات العملية، أما بالنسبة لنوع التحكم في الجهد المستمر (DCPFC)، ووفقاً لوسائل تنفيذ التحكم في الجهد؛ فإنه يمكن تقسيمه إلى نوع محول التيار المستمر ونوع مصدر الجهد المتسلسل.

وفي المقارنة، يمكن لنوع مصدر الجهد المتسلسل (DCPFC) أن يتجنب جوانب الإدخال والإخراج الخاصة بـ (DCPFC) التي تتحمل الجهد العالي على مستوى النظام في وقت واحد، مما يوفر ميزة متطلبات مستوى الطاقة المنخفضة للجهاز، لذلك فقد أصبح نوعاً واعداً من مرشح (DCPFC) مع مزيد من الاهتمام البحثي وآفاق تطبيق أفضل.

اعتماد الكترونيات القدرة الكهربائية في سبيل ضمان التدفق للطاقة

من خلال اعتماد المحول المعتمد على الثايرستور؛ فقد تم اقتراح نوع مصدر الجهد المتسلسل (DCPFC)، بحيث يمكنه تحقيق التنظيم ثنائي الاتجاه لتدفق الطاقة، لكنها تحتاج إلى امتصاص الطاقة من شبكة التيار المتردد، مما يجعل هيكل (DCPFC9 معقداً، ولحل هذه المشكلة تم اقتراح مفهوم (DCPFC) البيني (IDCPFC) لأول مرة، كما وتم إجراء مزيد من البحث في العديد من طوبولوجيا (IDCPFC) المحسنة.

لذلك يحتوي هذا النوع من (DCPFC) على عدد أقل من المكونات ولا يوجد اتصال بيني مع شبكة التيار المتردد، ولكنه لا يمكنه تحقيق التحكم في انعكاس تدفق الطاقة، ولمعالجة هذه المشكلة عن طريق زيادة كميات مكثفات التيار المستمر وإدخال محاثات مقترنة؛ فإنه يتم فحص بعض الأنواع الجديدة من (IDCPFCs)، والتي يمكن أن تساعد في التحكم في انعكاس تدفق الطاقة الكهربائية.

بالإضافة إلى ذلك، ومن خلال الجمع بين جهاز المحول متعدد المستويات المعياري (MMC)؛ فقد تم اعتماد ما يسمى بـ (IDCPFC) القائم على (MMC)، ومع ذلك تجدر الإشارة إلى أن (DCPFCs) المذكورة أعلاه كلها أجهزة ذات منفذين، وكما هو موضح في الشكل التالي (1)؛ فإنه يمكنهم فقط التحكم في تدفق الطاقة على خط واحد.

طوبولوجيا ومبدأ تشغيل M-DCPFC المقترح

الطوبولوجيا التفصيلية

يظهر هيكل (M-DCPFC) المقترح في الشكل التالي (2) بالنسبة إلى المنفذ (n M-DCPFC)؛ بأنه يتكون من (n + 1 IGBT)، وهو نصف جسور (HBs) ووحدة محول (DC / DC)، وهي خاصية إضافية مكونة من (m) متطابق (DC / وحدات DC)، ومع عدم وجود اتصال بيني مع شبكة التيار المتردد واتباع مفهوم التصميم، وكما هو موضح في الشكل (2-b)؛ فإنها تتبنى وحدة محول (DC / DC) التكوين المتوازي لإخراج سلسلة الإدخال (ISOP) والذي يمكن أن يأخذ الطاقة من التيار المستمر حافلة نظام النقل مباشرة.

حيث أن:

(Sa / Sb ، Da / Db): هما المفتاح العلوي والسفلي والصمام الثنائي الموازي لـ (HB0) على التوالي.

[Tia / Tib (i = 1، 2… n) ، Dia / Dib]: هما المفتاح العلوي والسفلي والصمام الثنائي المتوازي المضاد لـ (HBi) على التوالي.

(T ، Pi ، S):  تمثل محطة الإخراج ومحطة الإدخال والمحطة الإضافية على التوالي.

طريقة الاتصال الخاصة بـ (MTDC)

يمكن تطبيق العمل التالي في الواقع على أي نظام نقل الكهرباء (VSC-MTDC)، وفي هذه الدراسة تم اعتماد نظام إرسال نموذجي من خمسة أطراف (VSC-MTDC)، وذلك  كمثال لإجراء التحليل ذي الصلة.

وكما هو مبين في الشكل التالي (3)؛ فإنه يتم نشر (M-DCPFC) المقترح بثلاثة منافذ، بحيث تتصل المحطات الطرفية (T) و (S) بنقطة التقاء الحافلة الخاصة بمحطات الطاقة المختلفة، أي جانب ناقل التيار المستمر في (VSC4)، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن المحطات الطرفية (P1 ، P2 ، P3) متصلة بخط (14) وخط (24) وخط مختلف و(34) على التوالي.

مبدأ التشغيل

لتسهيل التحليل اللاحق ؛فإنه يتم تعريف الاتجاه الإيجابي لتيارات الخط (IPi ، IT) على أنه التيار المتدفق إلى المحطات (Pi ، T)، وبالإضافة إلى ذلك وبافتراض أن جهد الخرج الكهربائي لوحدة محول (ISOP DC / DC) ثابت عند (VTP)؛ فإن جهد المكثف الكهربائي (C) يساوي (VTP)، بحيث يعتمد على:

• اتجاهات مسار التيار الكهربائي الإيجابية.

• اتجاهات مسار التيار الكهربائي السلبية.

• اتجاهات مسار التيار الكهربائي المختلفة.

وأخيراً تم التحقيق في مشكلة التحكم في تدفق الطاقة (DC) في نظام نقل (VSC-MTDC) في هذا البحث؛ فإنه يمكن تلخيص الأعمال والمساهمات الرئيسية على النحو التالي:

تم اقتراح (M-DCPFC) المحسّن، والذي يحتوي على الميزات الرئيسية الثلاث التالية:

• يحل مشكلة الاقتران بين تيار خط النقل والجهد المكثف لـ (M-DCPFC) السابق، مما يجعل (M-DCPFC) تتمتع بمرونة ضبط أعلى و يمكن أن تساعد في تحقيق انعكاس تدفق الطاقة.

• يمكن تحقيق توسيع المنفذ من خلال إضافة وحدات نصف الجسر منخفضة التكلفة منخفضة الجهد فقط.

• يمكنه تتبع أوامر الخط الحالية مباشرة لتنظيم تدفق الطاقة بدقة تحكم عالية.

كما تم تصميم إستراتيجية تحكم عامة لـ (M-DCPFC) مع عدد عشوائي من المنافذ، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه من خلال إنشاء دائرة مكافئة لنظام النقل والجمع مع المثال الفعلي، كما يتم تحليل خصائص تشغيل النظام بالتفصيل، بحيث يكشف أن (M-DCPFC) المقترح يمكنه تحقيق تحكم في تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه وعلى نطاق واسع مع متطلبات تصميم طاقة منخفضة التصنيف وله تأثير ضئيل على تشغيل محطات (VSC) المحلية.