دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
مقدمه:
ابداع کلیدهای جیوه ای فشار قوی در پنجاه سال قبل مسیر توسعه تکنولوژی انتقال HVDC را هموار کرد. تا سال 1945، اولین لینک DC تجاری با موفقیت بکار گرفته شده بود و نمونه های بزرگتری در حال تولید بود. موقعیت تکنولوژی جدید موجب گردید که تحقیقات و تلاشها به سمت ساخت کلیدهای نیمه هادی پیش رود و تا اواسط دهه 60، این کلیدها جایگزین کلیدهای قوس جیوه ی شدند. بعد تاریخی و پیشرفت های فنی تکنولوژی HVDC بطور مفصل در مراجع بیان گردیده است. پیشرفت های قال توجه در بهبود قابلیت اطمینان و ظرفیت کلیدهای تایریستوری موجب کاهش هزینه مبدل ها در مسافتهای انتقال و در نتیجه افزایش قدرت رقابت طرح های DC شده است.
در هر حال عدم امکان خاموش کردن تایریستورها محدودیت مهمی در ملاحظات مربوط به توان راکتیو و کنترل آن پدید می آورد. این محدودیت موجب ظهور تجهیزات الکترونیک قدرت با قابلیت های کنترلی بیشتر شده است برای نمونه IGBT , GTO، اما تا لحظه نوشتن این مطالب، هیچکدام از این دو بدلیل ظرفیت مورد نیاز، نتوانسته اند رقیب تایریستور در طرح های HVDC با ظرفیت زیاد شود. از طرف دیگر ظرفیت این تجهیزات جدید امکان توسعه تکنولوژی فراهم آورده FACTS را- موضوع این کتاب- به منظور مقابله با مشکلات خاص موجود و با هزینه ای کمتر از هزینه HVDC فراهم آورده است.
طرح مباحث مربوط به انتقال DC در این کتاب متناقض به نظر می رسد زیرا اغلب FACTS , HVDC در تکنولوژی رقیب محسوب می شوند. مشکل به تغییر نادرست از کلمه «انتقال» بر می گردد. انتقال معمولا بیانگر مسافت طولانی است در صورتیکه بخش بزرگی از لینک های DC موجود، اتصالات میانب با مسافت صفر هستند. امروز، مرزهای بین ادوات HVDC , FACTS، به نوع تجهیزات حالت جامد (تجهیزات حالت جامدی که در حال حاضر در HVDC بکار می روند، محدود به یکسوکننده های کنترل شده سیلیکونی می باشند) و ظرفیت طرح ارتباط دارد. بهرحال با بهبود ظرفیت و توانائی های تجهیزات جدید استفاده خواهد شد و در FACTS سعی خواهد شد که کنترل توان بصورت مستقیم تری انجام شود مثلا با توسعه اتصال دهنده توان میانی آسنکرون، یعنی لینک HVDC پشت پشت. از این رو می توان لینک پشت به پشت را نیز جزء ادوات FACTS به حساب آورد و این فصل در مورد همین کاربرد HVDC است.
معرفی شبکه های HVDC , AC و تکنولوژی انتقال DC با ولتاژ بالا (HVDC)
اتصال سیستم های AC با لینک DC:
در مسافت های کمتر از مسافت break-even باری اتصال در سیستم یا ناحیه مستقل استفاده از انتقال توان بصورت AC ترجیح داده می شود. برای این منظور باید برخی ملاحظات ضروری را که برخی از آنها در زیر آورده شده است رعایت کرد.
لینک باید ظرفیت کافی برای برقراری عبور توان در مقادیر موردنظر را داشته باشد و پس از وقوع اغتشاش سریعا به وضعیت قبل از اغتشاش باز گردد. وجود یا ساخت مراکز دیسپاچینگ با امکانات مخابراتی قابل اعتماد سریع. هر کدام از سیستمها باید قابلیت حفظ و کنترل فرکانس عادی را داشته باشد و از همین دو بایستی بتواند ذخیره چرخان بلند مدت و کوتاه مدت کافی فراهم آورد. معمولا در اکثر کشورها نواحی جداگانه با کمبود توان مواجه می شوند بویژه در زمان اوج مصرف که فرکانس شبکه بسیار پایین می ماند (حفظ ذخیره چرخان ممکن نیست). در چنین مواردی اتصال ناحیه های بوسیله اتصال میانی به صورت سنگرون بسیار مشکل است. برای اتصال میانی آسنکرون، دو انتخاب وجود داردک یکی بوسیله انتقال HVDC و دیگری بوسیله یک پست پشت به پشت HVDC. انتخاب اول یعنی انتقال HVDC زمانی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است که فاصله طولانی و مقدار انرژی تبادلی زیاد باشد. در حالتی که بخواهیم توان اضافی یک ناحیه را برای مدت کوتاهی به ناحیه دیگر انتقال دهیم و همچنین برای تقویت هر کدام از سیستم ها در مواقع اضطراری، HVDC 1شت به پشت انتخاب مناسب تری است.
مبدل HVDC:
برای تطابق لحظه ای ولتاژهای طرف AC , DC در فرآیند تبدیل (شکل 3-1)، باید امپرانس سری کافی در طرف AC , DC مبدل قرار داده شود. با روش پیشین، اغلب تبدیل منبع ولتاژ حاصل می گرددو تغییر جریان DC بوسیله کنترل تایریستور امکان پذیر است اگر راکتور هموار کنند بزرگی در طرف DC قرار داده شود، فقط پالس های جریان مستقیم ثابت از تجهیزات کلیدزنی عبور کرده و به سیم پیچ های ثانویه ترانسفورماتور می رود. پس از آن، این پالس های جریان مطابق با نسبت تبدیل و اتصال ترانسفورماتور، به طرف اولیه انتقال داده شده و به این ترتیب یک مبدل جریان با امکان تنظیم ولتاژ مستقیم بوسیله کنترل تایریستور حاصل می شود. تبدیل ولتاژ در مبدل هی قوس جیوه بکار گرفته نشد زیرا حذف اغتشاش های تولید شده ناشی از قوس معکوس ناممکن بود.
تبدیل ولتاژ AC.DC
طرح های تایریستوری، تغییرات سریع منبع ولتاژ مستلزم استفاده از امپدانس سری بزرگ است که برای جبران توان راکتیو، مقرون به صرفه نیست، بنابراین دلایل، در طراحی مبدل های HVDC تبدیل جریان توضیح داده می شود. به منظور استفاده بهینه از مبدل و ولتاژ معکوس با پیک کم در دو سر کلیدهای مبدل، در مبدل های HVDC منحصرا از پل سه فاز شکل استفاده می شود. با طرح های HVDC، فقط از اتصالات ساده ترانسفورماتورها استفاده می شود. این امر بدلیل عایق های ترانسفورماتور است که باید قدرت تحمل ولتاژهای متناوب همراه با ولتاژهای مستقیم زیاد را داشته باشد. با استفاده از اتصالات موازی ترانسفورماتور ستاره/ مثلث و ستاره/ ستاره می توان به سهولت تعداد 12 پالس را بدست آورد در شکل است، پایین ترین مولفه جریان هارمونیکی مشخصه آن هارمونیک یازدهم بوده و هزینه فیلتر بطور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است.
کنترل سیستم HVDC: (کنترل آتش کلید)
آتش کردن کلید بر اساس اصول کنترل آتش هم فاصله صورت می گیرد که مبنای آن، یک نوسان کننده کنترل شده با ولتاژ است که قطاری از پالسها را در فرکانس که مستقیما با ولتاژ کنترلی DC، Vc، متناسب است ارسال می کند. در حال حاضر با این روش، حلقه های کنترلی متعددی برای تامین ولتاژ Vc بکار می روند. فاز هر کدام از پالس های آتش می تواند بسته به ولتاژ خط AC سه فاز، سینوسی متقارن باشند (فرکانس اصلی)، برای تمام کلیدهای یکسان است. باید به روشی زاویه فاز نوسان کننده به سیستم AC قفل شود. این امر با متصل کردن Vc در یک حلقه فیدبک منفی بازاء جریان ثابت یا زاویه خاموشی ثابت انجام می شود هنگام عملکرد در کنترل جریان ثابت، Vc از تقویت اختلاف (طخا) بین منبع جریان و جریان خط DC اندازه گیری شده بدست می آید، به این وطیله یک حلقه کنترلی فیدبک منفی ساده بوجود می آید که سعی دارد جریان ثابت را در مقداری بسیار نزدیک به هنگامیکه جریان برابر مقدار مرجع شد، خطای ثابت را در مقداری بسیار نزدیک به هنگامیکه جریان برابر مقدار مرجع شد، خطای تقویت شده (Vc) دقیقا برابر است با مقدار لازم برای اینکه فرکانس نوسان کننده شش برابر فرکانس منبع شود. خروجی های ring counter و در نتیجه پالس های کیت کلید به ولتاژ AC فازم عینی خواهند داشت. در عملکرد حالت ماندگار، این فاز برابر زاویه آتشی است. وقوع یک اغتشاش مانند لغت back end در سیستم DC موجب افزایش موقت جریان شده که باعث کاهش Vc و در نتیجع کند شدن نوسان کننده می گردد در نتیجه فاز نوسان کننده عقب افتاده و زاویه آتش افزایش می یابد. این امر موجب کاهش مجدد جریان شده و سیستم نهایتا دارای همان جریان، همان Vc و فرکانس نوسان کننده می گردد اما فاز آن تغییر کرده است یعنی تغییر کرده است. سیستم کنترل نیز تغییرات فرکانسی سیستم را دنبال خواهد کرد، که در این حالت نوسان کننده باید فرکانس خود را تغییر دهد، این امر منجر به Vc متفاوت و در نتیجه جریان متفاوتی خواهد شد، اما با تقویت بهره زیاد، خطای جریان را کم می کنند. این طرح جریان ثابت، مد کنترلی اصلی در خلال یکسوسازی است، در طی inversion نیز، هر زمان که کنترل جریان به عهده اینورتر است، به همین دطریق عمل می شود. پاسخ سیستم کنترل سریع است، اما بدلیل پاسخ های کندتر خط DC که شامل خازن، اندوکتانس و راکتانس هموارکننده است، اثر آن کم می شود.
کنترل زاویه خاموشی اینورتر با یک حلقه فیدبک منفی که بسیار شبیه حلقه جریان است انجام می شود اختلاف بین اندازه گیری شده و تنظیم وتقویت شده و مانند قبل Vc را بوجود می آورد با این تفاوت که یک کمیت نمونه برداری شده است نه یک کمیت پیوسته برای هر کلید زاویه خاموشی بصورت اختلاف زمانی بین لحظه صفر جریان و لحظه ای که ولتاژ آن از صفر می گذرد و مثبت می شود تعریف می گردد. برای هر پل شش مقدار وجود دارد که باید اندازه گیری شود. در عملکرد حالت ماندگار متقارن، این مقادیر یکسان هستند. در حالت نامتعادل، مقداری که بیشترین احتمال شکست کموتاسیون را با خود دارد کمترین مقدار است.
مشخصه های کنترلی و جهت عبور توان:
ایده ولتاژ/ جریان هیبرید در انتقال HVDC بکار رفته است تا نیازهای شرایط عملکرد خاص را برآورده سازد. این کار با تنظیم سطوح ولتاژ DC در هر دو طرف لینک از طریق کنترل تغییر دهنده تپ زیر بار در حالت ماندگار و با کنترل تایریستوری د صورت وقوع تغییرات کوچک یا بزرگ د شرایط عملکرد در هر کدام از سرهای لینک DC، انجام می گیرد. جریان DC تنها بوسیله مقاومت اندک خز انتقال محدود می شود و به همین دلیل در مقابل چنین تغییراتی بسیار حساس است. خواهیم دید که تعبیه کنترل کننده های جریان در هر دو انتها به همراه ترانسفورماتورهای تغییر دهنده تپ زیربار راه حل کاملا مناسبی برای این مساله است. از این رو عموما در انتقال HVDC از کنترل جریان استفاده می شود. در خطوط انتقال AC، جهت عبور توان با علامت اختلاف زاویه فاز ولتاژهای دو انتهای خط تعیین می شود، در واقع جهت عبور توان مستقل از دامنه ولتاژهای واقعی است. از طرف دیگر، در انتقال DC، جهت عبور توان به دامنه ولتاژهای ترمینال های مبدل یستگی دارد فاز مطلق یا نسبی ولتاژهای نقشی در این فرآیند ندارد. در هر حال با استفاده از نوع دیگری از کنترل زاویه آتش که موجب می شود جهت عبور توان مستقل از دامنه ولتاژهای AC باشد و در عوض، مانند همتای AC خود عمل کند، می توان این وضعیت را تغییر داد. مشخصه اصلی یک مبدلل از یکسوسازی کامل inversion تشریح گردیده است. فرض شده است که مبدل دارای کنترل کنندهای زاویه خاموشی ثابت و جریان ثابت باشد. معمولا اگر یکسوکننده وظیفه کنترل جریان را برعهده داشته باشد و اینورتر در کنترل زاویه خاموشی حداقل کارک ند، جبران توان راکتیو کل، به حداقل رسیده و بهره برداری از خط در بهترین وضعیت انجام می شود. این ترکیب بوسیله یک لینک DC با در ترمینال بدست می آید البته باید تنظیم جریان پستی که توان می دهد کمی بالاتر از تنظیم جریان پستی که توان دریافت می کند باشد. اختلاف بین این دو تنظیم، حاشیه جریانی (Idm) نامیده می شود. می توان اثر آن را با توجه که در آن جریان عمل کننده با کنترل جریان ثابت در انتهای یکسوکننده تنظیم شده بهتر درک کرد. کنترل کننده جریان انتهای اینوتر، جریانی ا می بیند که بزرگترا ز تنظیم آن است در نتیجه سعی می کند با افزایش ولتاژ خود، آن را کاهش دهد. این امر تا زمانی که به سقفی که توسط کنترل زاویه خاموشی حداقل در نقطه A تعیین می شود برسد ادامه می یابد. این نقطه کار حالت ماندگار عادی است و لازم می دارد که در انتهای یکسو کننده مشخصه ولتاژ طبیعی بالاتر باشد، در این وضعیت ممکن است انجام تغییر تپ زیر بار در ترانسفور مبدل لازم باشد. زمانیکه کاهش ولتاژ AC عمده ای در انتهای یکسو کننده رخ دهد، بطوریکه سقف ولتاژ DC (ولتاژ طبیعی) یکسوکننده کمتر از همین کمیت در اینورتر شود، کنترل کننده جریان اینورتر با افزایش آتش کردن (یعنی کاهش و در نتیجه ولتاژ DC اینورتر) جریان ثابت تغییر می کند. نقطه کار جدید A/ در جریانی که به اندازه حاشیه جریان کاهش یافته است، بدست می آید. تغییر جهت توان معمولا در اثر تغییر شرایط کار رخ نمی دهد بلکه با یک دستور کنترلی که با توه به ملاحظات کلی سیستم قدرت صادر می شود انجام می گیرد. شکل نشان می دهد که دوباره پس از اینکه پست I زاویه تاخیر را به ناحیه inverting افزایش می دهد و پست II در این فرآیندع جریان خط، صفر شده و کل سیستم بلوکه می شود. همانطور که قبلا گفته شد، پست یکسوکننده برای معکوس کردن توان به تنظیم جریان بالاتری نیاز دارد به همین دلیل باید حاشیه جریان، از مقدار مرجع پست I تفریق شود. به این ترتیب، مشخصه شکل بدست می آید. که نقطه کاری با قطبیت ولتاژ متفاوت حاصل می شود و نقش در پست عوض شده اما جهت جریان تغییر نکرده است و همان چیزی است که مورد نیاز بویژگی نیمه هادی است.
صلاحی بر مشخصه های اساسی:
در خلال خطاهای سیستم AC در انتها دریافت کننده خطر شکست کموتاسیون وجود دارد و اگر خطا از نظر الکتریکی نزدیک باشد، اینورتر به تنهایی توانایی بازگشت به حالت عادی را ندارد. در چنین مواقعی، کاهش فشار بر کلیدهای اینورتر ضروری است و این کار با افزودن حد ولتاژ پایین وابسته به جریان به مشخصه کنترلی یکسوکننده قابل انجام است. مشخصه های اصلاح شده شامل شاخه CD در یکسوکننده و شاخه EF/ در اینوتر است. نقاط شکست E , C معمولا بین 70% و 30% ولتاژ DC بوده و در شرایط خاص ممکن بوده و ممکن است نوسانات شدید در ولتاژ پدید آید. عبارات VDCOL و LVCL برای عملی بکار برده می شوند که هنگام کاهش ولتاژ، تنظیم جریان را کاهش می دهد. معمولا با قراردادت یک حد حداقل (که بزرگتر از 90 است و در شکل با KK/ نشان داده شده) برای ، از معکوس شدن ناخواسته ولتاژ اینورتر جلوگیری می شود. خطوط FG , DH معروف حدود حداکثر جریان در ولتاژ پایین هستند. مشکل دیگر در مشخصه های اساسی، زمانی رخ می دهد که ولتاژ مسقف یکسوکننده به ولتاژ سقف اینورتر بسیار نزدیک شود بطوریکه محل برورد مشخصه های بین Ids-Idm , Ids واقع شود. در این ناحیه هیچ کدام از کنترل کننده های جریان کاری انجام نمی دهند. در عمل جریان در یک نقطه وسط ثابت نمی شود و اینورتر بطور پریود یک وارد در کنترل جریان می شود. راه حل این نوع نوسان، تغییر شیب اندکی در مشخصه اینورتر (در شکل AB به جای A/B/) است.
کنترل توان در انتقال HVDC دارای بیشترین اهمیت است. ولتاژ و جریان (گرفته شده از ه دو قطب) در هم ضرب شده و مستقیما فیدبکی به کنترل کننده داده می شود این مانیتورینگ توان است. پس کنترل کننده اصلی (در یکی از در پست) یک فرمان جریانی به کنترل های قطب دو انتهایی لینک ارسال می کند. با وجود این، حدودی برای جلوگیری از فرمان های غیرقابل قبول (مثلا در هنگام راه اندازی) در نظر گرفته شده است. معمولا سیگنال کنترلی که به کنترل کننده جریان اعمال می شود توان است اما اگر فرکانس از حدود از قبل تعیین شده تجاوز کند، از کنترل فرکانس استفاده می شود. اما زمانیکه حداکثر توان ممکن در حال انتقال است نمی توان از کنترل فرکانس استفاده کرد.
مدارهای مبدل و اجزاء آن:
اجزاء الکتریکی اصلی هر قطب مبدل پست با جزئیات بیشتر در شکل رسم شده است. تمام اجزائی که در مستطیل پررنگ قرار دارند در کلید خانه وقع شده اند طرح شامل دو دسته کلید در هر انتها است. هر دسته کلید از دو پل شش پالس با اتصال سری که توسط دو ترانسفورماتور مبدل تغذیه می شوند تشکیل شده است. ترانسفورماتور بترتیب بصورت ستاره/ ستاره و ستاره/ مثلث بوده تا جا به جایی فاز 30 لازم برای عملکرد 12 پالس را تامین کنند. د هر انتهای لینک، دو مجموعه فیلتر وجود دارد که عبارتند از شاخه های تنظیم شده برای هرمونیکهای یازدهم و سیزدهم و یک شاخه بالا گذر تنظیم شده برای هارمونیک بیست و چهارم. فیلترها از نظر حرارتی برای عملکرد در ظرفیت کامل طراحی شده است و ضرایب اضافه بار کوتاه مدت و پیوسته نیز در نظر گرفته شده اند. یک فیلتر بالاگذر تنظیم شده برای هارمونیک دوازدهم نیز در طرف DC قرار گرفته است.
خازنهای موازی اضافی فقط در پست دیکینسون نصب شده اند زیرا ژنراتورهای کول کریک می توانند توان راکتیو مورد نیاز را تامین کنند. یک القاگر هموار کننده DC در طرف فشار ضعیف قرار گرفته و راکتورهای با هسته هوایی در طرف خط مبدل ها واقع شده اند، راکتورهای با هسته هوایی با محدود کردن پیشانی موج های با شیب تند که از طرف DC می آید در نظر گرفته شده اند. کلیدهای تایریستوری با برقگیرهای فاز به فاز حفاظت می شوند. سرکلید بالایی که به شین قطب های مثبت یا منفی متصل شده اند در معرض اضافه ولتاژهای بالاتر و حوادث دیگر هستند و با قرار دادن برقگیر برای هر کلید متصل است راکتور را محافظت می کند. برقگیر الکترود و قطب برای تکمیل حفاظت اضافه ولتاژ بکار می روند.
کلید تایریستوری فشار قوی:
تعداد زیادی تایریستور بطور سری بهم متصل می شوند تا یک کلید با ظرفیت ولتاژی کافی بدست آید. در اتصال سری تایریستورها لازم است عناصری را به کلید اضافه کنیم تا ولتاژ مرحله خاموشی یکنواختی بین ت تایریستورهای سری توزیع شود. در واقع برای هر تایریستور چندین عنصر پسیو در نظر گرفته می شود تا اولا اطمینان حاصل شود که این تقسیم ولتاژ بدرستی انجام می شود. ثانیا هر تایریستور در مقابل اضافه ولتاژ، نرخ افزایشی ولتاژ و نرخ افزایش جریان محافظت شود. تایریستور به همراه مدارهای اکش و درجه بندی ولتاژ محلی آن، یک طبقه تایریستور نامیده می شود.
نقش راکتور اشباع شونده، ارائه یک اندوکتانس بزرگ بصورت سری با خازنهای پراکنده مدار خارجی است این امر باری حفاظت تایریستورها در مقابل آسیب هایی که بلافاصله پس از آتش کردن بوجود می آید ضروری است. اما اندوکتانس بسیار زیاد نیز نا مطلوب است زیاد موجب می شود مبدل، توان راکتیو بیشتری جذب کند. راکتیو اشباع شونده فقط د جریانهای بسیار کم اندوکتانس زیادی از خود نشان می دهد و به این صورت از مشکل مذکور جلوگیری می شود. با کامل، اثر راکتیو ناچیز است. توزیع ولتاژ بوسیله چندین عنصر که در محدوده های فرکانس مختلفی کار می کنند انجام می شود. ولتاژ سیستم بوسیله یک مقاومت با درجه بندی (RC)DC توزیع می شود. توزیع ولتاژ در محدوده ای که از فرکانس قدرت شروع می شود و تا KHZ ادامه می یابد بوسیله یک زوج مکمل مدارهای درجه بندی (CD , RD) RC کنترل می شود. این محدوده فرکانس شامل فرکانس طبیعی نیز می باشد. بدلیل فرکانس طبیعی هنگامیکه کلیدهای در انتهای یک بازه هدایت خاموش می شود نوسانات ولتاژ رخ می دهد. مقادیر عناصر به صورتی انتخب می شود که دامنه این پرش overshot ولتاژ حداقل شود. شکست های عایقی درون مبدل ممکن است کلید را در معرض نوسانههای ولتاژی با فرکانس های بسیار بالاتر قرار دهد که در آن این مدارهای RC دیگر اثری نخواهند داشت. برای اطمینان از اینکه هیچ طبقه تایریستوری در معرض چنین ولتاژهای شدیدی قرار نمی گیرد، یک مدار درجه بندی خازنی اضافه می شود.
این خازن درجه بندی سریع (CFG) قرار داده می شد تا از طریق راکتو اشباع پذیر تخلیه شود و سهم آن در جریان هجومی تایریستور را محدود کند. معمولا تایریستور د نقطه خاصی از شکل موج که به وسیله سیستم کنترل تعیین می گردد، برای شروع هدایت نریگر می شود. فرمان آتش کلید بصورت یک سینگ نوری از سلول VBE که در پتانسیل زین است از طریق کابلهای نوری مجزا به تمام تایریستورهای موجود در کلید ارسال می شود. سیگنال نوری توسط واحد مدار گیت که در مجاورت هر تراتسیتور قرار گرفته رمزگشایی شده سپس یک پالس جریان برای آتش کردن تایریستور تولید می کند مدارگیت توان (اندک) مورد نیاز خود را از جابه جایی جریان در مدار درجه بندی RC در مدت حالت خاموش می گیرد. تایریستورها در اثر ولتاژ مستقیم بیش از حد یا مستقیم زیاد، آسیب می بینند. هنگامیکه احتمال می رود ولتاژ مستقیم از حداکثر مقدار ایمنی بیشتر شود از یک سیستم نریگر پشتیبانی که مبتنی بر BOD است استفاده می شود. این سیستم یک پالس بزرگ جریان به گیت تایریستور اصلی اعمال می کند و با سرعت به طور ایمن آن را به ناحیه هدایت نریگر می کند.
آرایش های HVDC:
ساده ترین طرح HVDC که در شکل نشان داده شده است آرایشی یک قطبی با سیر برگشت زمین است شامل یک هادی ست که یک یا چند واحد مبدل 12 پالسه را در انتها با هم سری یا موازی کرده از سیر زمین یا وریا استفاده می کند. در هر انتهای خط، با سیر یک الکترود وجود داشته باشد. بدلیل تداخل مغناطیسی و مسائل مربوط به خوردگی، معمولا از سیر برگشت فلزی به جای سیر زمین استفاده می شود.
در هر دو آزمایش، یک راکتور DC همواره کننده در هر انتهای خط HVDC لازم است و معمولا در طرف فشار قوی قرار می گیرد و اگر خط هوایی باشد، معمولا از فیلتر DC استفاده می شود.
«آرایشهای اصلی HVDC»
یک سیستم HVDC دو قطبی شکل از دو واحد مبدل 12 پالسی سری با الکترودهای خطر در هر انتها و دو هادی، یکی با قطبیت مثبت و دیگری با قطبیت منفی برای عبور توان در یک جهت تشکیل شده است. برای عبور در طرفه، پلاریتی دوهادی معکوس می شود. هنگامیکه هر دو قطب در حال کار کردن مستند جریان نامتعادلی را که از سیر زین می گذرد می توان به مقدار بسیار کمی محدود کرد. عملکرد HVDC با چند تینال هر چند عملی است اما بندرت بکار می رود. دو آرایش اصلی در شکل های d , c رسم شده است و مبدل ها بصورت سری یا موازی در طرف DC وصل شده اند.
آریش های پشت به پشت:
با توجه به مقرون به صرفه بودن روش پشت به پشت، اغلب در هنگام طراحی انتقال HVDC بین در سیستم آسنگرون، اتصالات میانی با طول صفر ترجیح داده می شود. اخیرا در آمریکای شمالی و هند از روش پشت به پشت بطور گسترده ای استفاده شده است. برای ظرفیتهای نسبتا کم حدود (50 تا 100 مگاوات) لینک پشت به پشت دارای طرحی یک قطبی بوده و معمولا دارای یک راکتور هموار کننده نیز می باشند. آرایش های دو قطبی همراه راکتور هموار کننده یا بدون آن برای ظرفیت های زیاد بکار می روند ( 500 MW یا بیشتر). کلیدهای هر دو مبدل در طرح پشت به پشت را می توان به همراه کنترل، سیستم خنک کننده و سرویس های جانبی دیگر آنها در محوطه یک کلید قرار داد. در این سیستمها، بهینه سازی کل پست با توجه به ظرفیت های ولتاژ و جریان برای یک توان مفروض به منظور حداقل ثرن هزینه بهره برداری ساده است. معمولا در مقایسه با اتصالات میانی HVDC های طولانی، ولتاژ Dc پایین بوده و جریان کلید تایریستوری زیاد است. علت اصلی این است که از یک طرف هزینه کلیدها بسیار شدیدتر به ولتاژ بستگی دارد زیرا با افزایش ولتاژ تعداد تایریستورها افزایش می یابد و از طرف دیگر حداکثر جریان ممکن، هزینه بسیار کمی به قیمت یک تایریستور می افزاید.
تحلیل سیستم قدرت دارای مبدل های HVDC
در مطالعات بخش بار در فرکانس قدرت هر ترمینال لینک DC را می توان به عنوان یک شین بار در نظر گرفت یعنی با تعیین a , p آن برای راحتی بیشتر و بهبود همگرایی، باید بعضی از متغیرهای لینک DC را بطور ضمنی وارد پخش بار به جای a , P کرد. با دسته متغیرهای زیر روابط ساده ای برای تمام استراترن های کنترلی معمول حاصل می شود.
Id/ , Vd ولتاژ و جریان طرف Dc هستند. وضعیت تپ غیر نامی ترانسفورماتور مبدل است. زاویه و جابه جایی بین جریان و ولتاژ AC در فرکانس اصلی است. در این راه حل، باید از تکرار ترتیبی DC , AC استفاده کرد یا روش نیوتن و افسون AC/DC یکپارچه را بکار برد. هارمونیکهای مشخصه یعنی هارمونیکهایی که با تعداد پالس مرتبط هستند را می توان به سهولت را از مدل حالت ماندگار متقارن مبدل محاسبه کرد. علاوه به این هارمونیکها اغلب بوسیله فیلترهای محلی حذف شده و اثری بر بقیه سیستم ندارند. معمولا در سیستم های قدرت عادی نیازی به شبیه سازی حالت ماندگار سه فاز نیست اما رفتار لینک Dc و خصوصا تولید هارمونیکهای غیرمشخصه ای از عدم تعادل ولتاژ شدیدا تاثیر می پذیرد. علاوه بر این در غیاب فیلترهای کامل، این هامونیکها در اثر تشدیدهای موازی بین فیلتر و امپدانس سیستم AC، تقویت می شوند. از این رو در صورت وجود مبدل های AC/DC، نیاز به مدل سازی سه فاز بیشتر است. معمولا جریان های هارمونیکی که توسط مبدلها تولید می شوند. سپی از سطوح هارمونیک در طی پاسخ ثابت در نظر گرفته می شود. به عبارت دیگر مبدل به صورت یک تزریق کننده جریان هارمونیکی ثابت در نظر گرفته شده و می توان از روش حل مستقیم استفاده کرد. تخمین قابل اطمینانی از محتوی هارمونیک غیر مشخصه ای نیاز به مدل دقیقتری دارد و اغلب الگوریتم تکرار پیچیده ای که شامل سیستم های DC , AC است لازم می باشد.
روشهای بسیاری برای بدست آوردن دسته معادلات غیرخطی دقیقی که حالت ماندگار سیستم را توصیف کند بکار رفته است. سیستم به نواحی خطی و تجهیزات غیرخطی تقسیم می شود. تجهیزات غیرخطی با معادلات جداگانه ای بیان می شود و شرایط مرزی سستم خطی را بدست می دهند.
حال پاسخ سیستم، عبارت است از پاسخی برای شرایط مرزی هر وسیله غیرخطی. مدل سازی تجهیزات از طریق شبیه سازی حالت ماندگار در حوزه زمان نمونه برداری شکل موج و ffT و اخیرا با عبارات تحلیلی فاز و هارمونیک انجام می گیرد. اگر لینگ HVDC بصورتی بیان می شود که بتوان آن را با روش نیوتن حل کرد، در مساله مدل سازی تجهیزات و حل سیستم کاملا دکوپله شده و استفاده از روشهای متعدد بهبود روش نیوتن که بوسیله کارشناسان تحلیل عدیی کسترش داده شده، به سهولت امکان پذیر است.
با استفاده از روشهای تکراری دقیق می توان می توان پاسخ مبدل HVDC را به وضعیت های متعدد غیر ایده آل سیستم AC , DC بدست آورد نتایج اصلی به شرح زیر است:
مبدل AC/DC مانند یک مدولاتور فرکانس عمل می کند. رابطه بین فرکانس های هارمونیک (یا غیرهارمونیک) در هر دو طرف مبدل مطابق است. اثر متقابل اصلی بین سه قسمت وجود دارد. تغییری در هارمونیک Kام یک طرف مبدل بر هارمونیک k-1 , k+1 طرف دیگر اثر می گذارد. انتهای کموتاسیون به هارمونیکهای ولتاژ ترمینال و جریان DC بسیار حساس است. لحظه آتش کردن به هارمونیک جریان DC حساس است. زاویه تاخیر میانگین با جریان DC میانگین مرتبط است به همین دلیل به تغییرات ولتاژ اصلی ترمینال، بی نهایت حساس می باشد. علاوه بر این به هارمونیکها همراه مولفه اصلی یعنی هارمونیکهای یازدهم و سیزدهم در طرف AC حساس است.
رفتار لینک DC در خلال اغتشاش در ریتم AC , DC و یا مبدل را نمی توان با استفاده از شبیه سازی حالت ماندگار یا نیمه ماندگار به دست آورد زیرا اغتشاش موجب تغییر عملکرد پل می شود. در حالتی که اینورتر وجود دارد، وفوع خطا در سیستم AC عموما موجب شکست کموتاسیون می شود. باید تحلیل مفصلی با استفاده از شبیه سازی گذاری الکترومغناطیسی انجام گیرد. رایجترین شبیه سازی گذرا، بر مبنای برنامه های EMTP است که شامل مدلهای مفصل مبدل HVDC نیز می باشند. خصوصا برنامه PSCAD- EMTDC برای انتقال تهیه شده است. پله های انتگرال گیری کوچکی (معمولا 50Ms) که در برنامه های EMPT بکار می رود تخمین دقیقی از شکلم وج های جریان و ولتاژ واقعی اعوجاج یافت پس از وقوع یک اغتشاش را بدست می دهد. برای شبیه سازی گذاری الکترومغناطیسی سیستم های HVDC همیشه لازم است که لحظه های کلیدزنی دقیقا تعیین شوند. آنها همیشه بین پله های زمانی شبیه سازی واقع می شوند و کار زیادی برای حذف خطاهای ناشی از این عدم تطابق لحظه کلیدزنی و پله شبیه سازی انجام می گیرد. اولین راه حل این مشکل در مدلهای مبدل متغیر حالت بکار برده شد. در این روش پله شبیه سازی تغییر می کند تا با لحظه کلیدزنی همزمان شود و در هر حالت گذاری سریع پس از کلیدزنی را دنبال کند. اخیرا در برنامه های گذرای الکترومغناطیس بطور موقعیت آمیزی از روش میان یابی استفاده شده است. بکارگیری این برنامه ها برای شبیه سازی سیستم های شامل FACTS , HVDC مورد بحث قرار گرفته است. در مطالعات پایداری گذرا و دینامیکی در مدل های مولفه حالت شبه ماندگار در هر پله راه حل الکترومکانیکی استفاده می شود. مانند شبیه سازی خطا، بدلیل وجود لینک DC نمی توان از این مدل ها حالت ماندگار برای اغتشاش های نزدیک به واحد مبدل استفاده کرد. اما بر خلاف شبهی سازی خطا در مطالعات پایداری تنظیم های پریودیک زاویه رتور ژنراتور و enfهای درونی لازم است. این اطلاعات را نمی توان با برنامه های گذرای الکترومغناطیسی بدست آورد. از این رو در حالت کلی، بررسی پایداری AC/DC مستلزم استفاده از سه برنامه اصلی که در بخش قبل نام برده شده می باشد یعنی: بخش باز، تحلیل الکترومغناطیسی چند ماشینه و گذرای الکترومغناطیسی در این باره مطرح شده است.
کاربردها و روندهای جدید:
دلیل اصلی بوجود آوردن HVDC، هزینه انتقال توان در مسیرهای الکتریکی طولانی بود که در صورت انتقال با کابل، در مسافت های جغرافیای نسبتا کوچکی (50 کیلومتر یا کمتر) هزینه زیادی بوجود می آمد. بدلیل عدم وجود محدودیت های سنکرونی، استفاده از اتصالات میانی HVDC در حال گسترش است. هم اکنون 20 اتصال میانی آسنگرون پشت به پشت در دنیا وجود دارد که اکثر آنها در آمریکای شمالی واقع شده اند. در حال حاضر تلاش ها به این سمت متمرکز شده است.
که با استفادها از تجهیزات خاموش شونده بوسیله گیت، بتوان اتصال دهنده های میانی آسنکرون پشت به پشت منبع ولتاژی ساخت که در هر چهار ناحیه کار کند. در این راستا، GTOها برای تبدیل توان DC به سیستم های AC که تقویت ولتاژ کمی داشته یا فاقد آن هستند مناسب می باشند. در چنین صورتی دیگر به کندانسورهای سنرکون یا سیستم استاتیکی VAR که در بعضی از طرح های امروزی بکار می روند نیازی نخواهد بود. قبل از اینکه بتوان از GTOها برای انتقال DC استفاده کرد باید در مورد کاهشی تلفات کلیدزنی و اتصال سری آنها اطمینان حاصل شود. اگر این امر پذیرفته شود که در آینده برای انتقال DC، باید از مبدل های GTO استفاده شود، آنگاه طراح سیستم باید یک استراتژی کنترلی که شامل کنترل توان DC، ولتاژ AC و فرکانس سیستم AC است تعیین کند. در حال حاضر ظرفیت GTOها بسیار کمتر از تایریستورها می باشد همچنین هزینه و تلفات آنها تقریبا دو برابر تایریستورها است، این سه ویژگی (ظرفیت، هزینه و تلفات GTO) تاثیر زیادی بر هزینه تجهیزات دیگر در یک پست کانورتری کامل دارد. تکنولوژی مبدل منبع ولتاژی را می توان برای گسترش مقدار توان انتقال HVDC به نحوی اقتصادی تا چمد مگاوات کاهش داد و حتی سیستم های توزیع یا صنعتی پسیو را بدون منبع تغذیه دیگری کاملا تغذیه کرد.
در این صورت فیدر Dc سطح ولتاژ و فرکانس را کنترل می کند. یک طرح پایلوت به طول 10 کیلومتر اخیرا بوسیله ABB در سوئد تشکیل شده است در این پروژه از مبدل های IGBT استفاده شده و در هیچکدام از دو انتها ترانسفورماتورهای قرار داده نشده است. کاربردهای احتمالی HVDC کم مقدار عبارت است از: تامین توان جزایر، تغذیه شهرها، تولید در مقیاس های کم در مناطق دور افتاده، و تولید خارج از حمل. در صورت ظهور ادوات نیمه هادی جدید، تکنولوژی مبدل مبتنی بر تایریستور به این صورت نخواهد ماند. ABB در حال انجام پروژه HVDC 2000 است، در این ABB نسل جدیدی از پست های مبدل HVDC را مطرح کرده است که از آخرین پیشرفت ها بهره می گیرند و هدف از آنها، بهبود عملکرد، سهولت طراحی و کاهش زمان سخت است. ویژگی های HVDC 2000 به شرح زیر است:
مبدل با کموتاسیون خازن سری (CCC). فیلترهای AC تنظیم شده فعال. کلیدهای تایریستوری خارج از ساختمان یا عایق هوا. فیلترهای DC اکتیو.
شکل صفحه قبل پست HVDC که به نیروگاه وصل شده است و در آن ژنراتورها و مبدل ها با هم در واحدهای منفرد قرار داده شده اند. طرف DC امکان ترکیب موازی و یا سری موازی واحجدها بوجود دارد. از طرق انتقال DC، با مسافت یا بدون مسافت می توان واحدهای جدید را بدون افزایش سطح خطای سیستم و بدون خطر ناپایداریهای سنکرون، اضافه کرد. ایده جدیدی که اتصال واحد نامیده می شود توسط کمیته های تحقیق SC11 , SC14 سیگره مورد بررسی قرار گرفته است این آرایش در شکل آمده است. ترانسفورماتورهی مبدل وصل شده و جریانهای هارمونیکی تولید شده بوسیله طرح واحد متصل شده 12 پالسه، توسط ژنراتور جذب شده و در نتیجه نیازی به استفاده از فیلترهای AC نیست. علاوه بر این، کنترل ولتاژ را می توان تماما بوسیله تحریک ژنراتور انجام داد و دیگر نیازی به ترانسفورماتورهای تغییر دهنده تپ زیربار نیست. طرح اتصال مستقیم برای تولید الکتریسیته از منابع دوردست توان، مناسب است. می توان از قابلیت آن در کار با سرعت متغیر برای بهینه سازی مجموعه آبی در بارهای مختلف و ارتفاع متغیر آب استفاده کرد. این ویژگی در کاربردهای تولید توان از باد و تلمبه ذخیره نیز مهم است. تقریبا پس از نیم قرن عملکرد قابل اطمینان انتقال HVDC، امروزه این سیستم به خوبی در مسافت های طولانی و برای اتصال میانی سیستم های قدرت اسنکرون بکار می رود با این حال هنوز بعضی از کشورها با شک و تردید به آن می نگرند. اتصال دهنده میانی HVDC یکی از ادوات FAVTS به حساب می آید و از تکنولوژی پیشرفته روز برخوردار است و کنترل پذیری بالایی را فراهم می آورد.
انتقال به صورت جریان مستقیم فشار قوی:
انتقال به صورت جریان مستقیم فشار قوی (HVDC) در بعضی حالات بر انتقال جریان متناوب برتری دارد. اولین کاربرد تجاری انتقال HVDC بین سرزمین اصلی سوئد و جزیره گات لند در سال 1954 میلادی صورت پذیرفت. این سیستم از شیرهای قوس جیوه ای استفاده کرد و یک ارتباط زیر آبی 20 مگاواتی به طول 90 کیلومتر را تامین کرد. از آن موقع بکارگیری انتقال HVDC همواره رو به افزایش بوده است. با اختراع کنورتورهای شیرتریستوری انتقال HVDC جاذبه بیشتری پیدا کرد. ولین سیستم HVDC که از شیرهای تریستوری استفاده می کرد طرح سودخانه بود که در سال 1972 میلادی به بهره برداری رسید و یک ارتباط جریان مستقیم 320 مگاواتی دوطرفه را بین سیستمهای قدرت استانهای نیو بودند و یک کبک کانادا برقرار می نمود.
امروزه، شیرهای تریستوری، تجهیزات استاندارد پستهای کنورتورهای جریان مستقیم هستند. پیشرفتهای اخیر در تجهیزات تبدیل، اندازه و هزینه آنها را کاهش و قابلیت اعتماد آنها را افزایش داده است. این پیشرفتها منجر به استفاده گسترده از انتقال HVDC شده است.
در امریکای شمالی، ظرفیت کل خطوط در سال 1987 میلادی بالغ بر 14000 مگاوات بوده است اکنون خطوط دیگری در دست ساخت است. اینک انواع کاربردهایی که در آنها از انتقال HVDC استفاده شده، بیان می شود:
1-کابلهای زیردریایی (زیرآبی) طولانیتر از 30 کیلومتر. در این موارد به علت ظرفیت خازنی زیاد کابل که نیازمند پستهای واسطه ای جبرانسازی است، استفاده از انتقال به صورت جریان متناوب عملی نیست.
2-ارتباط ناهماهنگ بین دو سیستم جریان متناوب که بع علت مسائل پایداری یا اختلاف در فرکانسهای اسمی دو سیستم، استفاده از خطوط جریان متناوب عملی نیست.
3-انتقال مقادیر زیاد توان در مسافتهای طولانی به وسیله خطوط هوای.
در مسافتهای بالاتر از 600 کیلومتر، انتقال HVDC، رقیبی برای انتقال جریان متناوب به شمار می رود. سیستمهای HVDC توانایی کنترل سریع توان انتقالی را دارند، بنابراین تاثیر مهمی بر پایداری سیستمهای قدرت جریان متناوب جنبی دارند. برای مطالعه پایداری سیستم قدرت درک مشخصه های سیستمهای HVDC، اساسی است. علاوه بر این، به منظور اطمینان از عملکرد قابل قبول سیستم کلی جریان متناوب و جریان مستقیم، طراحی صحیح کنترلهای HVDC، بسیار حیاتی است.
ساختارها و اجزای سیستم HVDC (طبقه بندی خطوط HVDC)
خطوط HVDC را می توان به طور کلی به طبقات زیر تقسیم می شوند:
• خطوط تک قطبی
• خطوط دوقطبی
• خطوط هم قطبی
ساختار اصلی یک خط تک قطبی در شکل نشان داده شده است. این خط از یک هادی که معمولا دارای پلاریته (قطب) منفی است، استفاده می شود و سیر برگشت از طریق آب یا زمین تامین می شود. ملاحظات هزینه، اغلب منجر به استفاده از چنین سیستمهایی، بخصوص برای انتقال کابلی می شود. همچنین ممکن است این نوع ساختار، اولین مرحله در یک سیستم دو قطبی باشد.
در حالتی که مقاومت زمین بسیار زیاد است یا تداخل احتمالی با سازه های فلزی زیرزمینی و یا زیرآبی مورد اعتراض است، به جای مسیر برگشت از طریق زمین، ممکن است از یک مسیر برگشت فلزی استفاده شود. در این صورت هادی ای که مسیر فلزی برگشت را تشکیل می دهد، در ولتاژ پایین قرار دارد. ساختار خط دو قطبی در شکل دیگر نشان داده شده است. این خط، دارای دو هادی یکی مثبت و دیگری منفی است. و پایانه دارای دو کنورتور با ولتاژ نامی مساوی است که در طرف جریان مستقیم به طور سری به هم متصل شده اند. محل اتصال بین کنورتورها، زمین شده است. معمولا، جریانهای دو قطب، به طور مستقیم کار کنند. اگر به علت بروز خطایی بر هادی یک قطب جدا شود، قطب دیگر می توانند با زمین کار کند و بدین ترتیب نیمی یا بیشتر از بار نامی را با استفاده از قابلیتهای اضافه بار کنورتورها و خط خود، حمل نماید.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 76 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
