دراسة اختيار المقاومة المثلى لمحددي التيار الفائق المقاوم لنظم نقل التيار المستمر المرنة

1 مقاوم سوبر كوندكتور محدد تيار العطل

1.1 مبدأ التشغيل

مع استمرار توسع شبكات الطاقة، تتزايد قدرة الدائرة القصيرة للأنظمة الكهربائية المحلية بسرعة، مما يشكل تحديات كبيرة لبناء وتشغيل الشبكة. للتغلب على مشكلة زيادة تيارات العطل، تلقى محددات تيار العطل السوبر كوندكتورية (SFCLs) التي تعتمد على مبادئ السوبر كوندكتور اهتمامًا متزايدًا. يمكن تصنيف SFCLs إلى أنواع مقاومة وإندوكتيفية بناءً على خصائص التخميد عند الانتقال إلى حالة المقاومة العالية.

من بين هذه، يتميز محدد تيار العطل السوبر كوندكتوري المقاوم ببنية بسيطة وحجم صغير وزن خفيف ومبدأ تشغيل واضح. بمجرد دخوله إلى حالة المقاومة العالية، تزداد المقاومة الحدودية بشكل حاد، مما يوفر قدرة قوية على كبح تيارات العطل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل قدرة الجهاز بسهولة من خلال تكوينات متوازية أو متسلسلة للموصلات السوبر كوندكتورية. في السنوات الأخيرة، ظهرت تطورات في مواد السوبر كوندكتور عند درجة حرارة الغرفة، مما جعل الأوساط الأكاديمية والصناعية تعتبر محددات التيار المقاومة SFCLs كاتجاه رئيسي للتطوير المستقبلي.

التيار الحراري والمجال المغناطيسي الحراري ودرجة الحرارة الحرارية هي المعالم الفيزيائية الرئيسية لتحديد ما إذا كان الموصل السوبر كوندكتوري في حالة السوبر كوندكتور. عندما يتجاوز أي من هذه المعالم قيمته الحرارية، ينتقل الموصل السوبر كوندكتوري من حالة السوبر كوندكتور إلى حالة الإخماد. يتكون عملية الإخماد من مرحلتين: الأولى هي حالة تدفق الفيض، تليها حالة المقاومة العادية. عندما يتجاوز كثافة التيار عبر الموصل السوبر كوندكتوري كثافته الحرارية، يدخل الموصل حالة تدفق الفيض.

حيث: E هو شدة المجال الكهربائي؛ EC هي شدة المجال الكهربائي الحراري؛ J هي كثافة التيار؛ JCT هي كثافة التيار الحرارية؛ α هي ثابتة؛ Tt1 و Tt2 هما درجة حرارة الموصل السوبر كوندكتوري في الأوقات t1 و t2 على التوالي؛ QRS هي الحرارة المتولدة بواسطة المقاومة Rs من t1 إلى t2؛ QC هي الحرارة المتبادلة بين الموصل السوبر كوندكتوري والبيئة المحيطة به خلال الفترة الزمنية t1–t2؛ Cm هي السعة الحرارية النوعية للموصل السوبر كوندكتوري؛ JCT(77) هي كثافة التيار الحرارية عند 77 K (77 K هي درجة حرارة البيئة النيتروجين السائل)؛ TC هي درجة الحرارة الحرارية؛ T هي درجة حرارة الموصل السوبر كوندكتوري.

وفقًا لمعادلة (1)، عندما تزداد كثافة التيار J، ترتفع شدة المجال الكهربائي E للموصل السوبر كوندكتوري بسرعة، مما يؤدي إلى زيادة مقاومته. تزيد المقاومة العالية من التأثير الحراري، كما هو موضح في معادلة (2)، ترتفع درجة حرارة الموصل السوبر كوندكتوري بالتوازي.

من معادلة (3)، يُعرف أن الارتفاع في درجة الحرارة يقلل من كثافة التيار الحرارية، مما يؤدي إلى زيادة أكبر في شدة المجال الكهربائي E، مما يجعل مقاومة الموصل السوبر كوندكتوري تستمر في النمو. مع زيادة المقاومة، تتعادل الحرارة المتولدة من الموصل السوبر كوندكتوري تدريجيًا مع الحرارة المنبعثة إلى البيئة المحيطة، وتستقر درجة الحرارة، وصولاً إلى حالة مقاومة ثابتة طبيعية.

1.2 تطبيق R-SFCL في أنظمة التحويل المباشر المرن

في أنظمة التحويل المباشر المرن، يفتقر التيار المباشر إلى نقاط الصفر الطبيعية. بمجرد حدوث عطل قصير الدائرة، يرتفع تيار العطل بسرعة، مما يشكل تهديدًا خطيرًا للأجهزة الكهربائية في النظام. لضمان موثوقية النظام، يجب على مفاتيح الدائرة أن تعزل الخط المعطل بسرعة. حالياً، لم تلبي مفاتيح الدائرة المباشرة بعد متطلبات التطبيق العملية بالكامل.

عند حدوث عطل في الجانب المباشر، يتم عادة قطع المفاتيح الجانبية البديلة، ولكن هذا يؤدي حتماً إلى إيقاف محطة التحويل، وقد تتعرض الأجهزة الإلكترونية للطاقة للتلف بسبب التيار الزائد خلال هذه الفترة. يجب أن تقوم حماية التيار المباشر بإكمال كامل تسلسل الحماية في غضون بضع ميلي ثوانٍ، بينما يكون الوقت الأسرع لعمل مفاتيح الدائرة البديلة عادة حوالي 50 ميلي ثانية، مما يجعلها غير قادرة على حماية الأجهزة الإلكترونية للطاقة في النظام بشكل فعال.

توفر التقنية الحالية إمكانية الوصول لـ R-SFCLs إلى حالة المقاومة العادية في حوالي 3 ميلي ثانية. ينتقل محدد تيار العطل السوبر كوندكتوري المقاوم إلى حالة تحديد التيار أسرع بكثير من تشغيل الحماية بالترابط، ويحقق حالة المقاومة العالية قبل إزالة العطل، مما يقلل بشكل فعال من تيار القصر.

2 خصائص عطل التيار المباشر في أنظمة التحويل المباشر المرن

تأثير موقع نقطة العطل يقتصر فقط على معاوقة النظام، وليس على مسار التيار أو الخصائص الأساسية لعطل القصر. لتسهيل النمذجة، يتم وضع العطل في منتصف خط التيار المباشر ويفترض أنه قصر معدني. يتم بناء نموذج محاكاة لنظام التحويل المباشر المرن ذي الطرفين ونموذج R-SFCL باستخدام PSCAD/EMTDC، مع فولتية نظام محددة تبلغ ±110 kV وقوة محددة تبلغ 75 MW. يتم عرض موقع تركيب R-SFCL في الشكل 1.

عند حدوث عطل قصير الدائرة في التيار المباشر، يتم اكتشاف IGBT ويتم حجبه فوراً عن طريق وظيفة الحجب عند اكتشاف تيار العطل. ومع ذلك، فإن الدايودات المتصلة بالتوازي مع IGBT وخطوط النقل تشكل دائرة مستقيمة غير قابلة للتحكم، مما يسمح باستمرار التحويل حتى بعد حجب IGBT. يمكن تقسيم عطل القطب إلى القطب في التيار المباشر إلى ثلاث مراحل رئيسية: المرحلة الأولى تحدث مباشرة بعد العطل، حيث يتم تصريف مكثف الجانب المباشر بسرعة ويرتفع تيار التيار المباشر إلى قيمته القصوى في غضون بضع ميلي ثوانٍ.

في المرحلة الثانية، بعد انخفاض الجهد المكثف إلى الصفر، يمكن أن يصل التيار المتدفق عبر الدايودات إلى أكثر من عشرة أضعاف تياره المقنن، مما يجعل الأجهزة الإلكترونية للطاقة عرضة للغاية للتلف. في المرحلة الثالثة، عندما ينخفض تيار القصر المباشر دون تيار الشبكة البديلة، تبدأ الشبكة البديلة في تغذية تيار القصر إلى نقطة العطل المباشر. لا يوجد للعطل الأرضي المباشر المرحلة الثانية، إلا أن خصائصه مماثلة لتلك الخاصة بعطل القطب إلى القطب.

خلال تغذية التيار البديل، يكون تيار العطل المتدفق عبر الدايودات حوالي عشرة أضعاف تياره المقنن. يتم توضيح مسارات التيار لهذه النوعين من عطل القصر المباشر في النظام المرن للتيار المباشر في الشكل 2 والشكل 3 على التوالي. يمكن تركيب R-SFCL على مسار تيار العطل لزيادة مقاومة حلقة القصر بسرعة، مما يوفر المزيد من الوقت لإزالة العطل ويخفض المتطلبات على وقت الفتح الطبيعي وقدرة القطع لمفاتيح الدائرة المباشرة.

3 تحليل المحاكاة

استخدام برنامج المحاكاة PSCAD/EMTDC، تم دمج نموذج R-SFCL المطور في نموذج محاكاة النظام الثنائي الطرف للتحويل المباشر المرن بقدرة 75 MW للتحقق منه. يتم عرض أداء تحديد التيار تحت عطل القطب إلى القطب المباشر في الشكل 4، وأداء تحديد التيار تحت عطل الخط إلى الأرض المباشر في الشكل 5. كما يمكن رؤيته من الشكل 4 والشكل 5، يتناقص تيار العطل القصوى مع زيادة المقاومة العادية. من الواضح أن هناك علاقة تناقصية بين مقاومة R-SFCL وتيار العطل القصوى بعد التركيب.

لتوسيع نطاق التطبيقات، تم تدرجياً زيادة النموذج الأصلي بناءً على ثلاثة قدرات للنظام: 75 MW و 150 MW و 300 MW. تحت ظروف عطل القطب إلى القطب المباشر وعطل الخط إلى الأرض المباشر، تم دراسة العلاقة بين قيمة المقاومة العادية لـ R-SFCL وتيار القصر القصوى من خلال الحصول على قيم القصوى لتيارات القصر. يتم عرض النتائج في الشكل 6 والشكل 7.

باستخدام وظيفة التكيف المنحني في MATLAB، تم تكييف المنحنيات في الشكل 6 والشكل 7 على التوالي، مما أدى إلى تعبيرات وظيفية من الشكل f(x) = ae⁻ᵇˣ + c، مع قائمة محددة من المعلمات في الجدول 1. من خلال التفريق في الوظيفة المتكيفة، يتم الحصول على f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. من الجدول 1، يمكن ملاحظة أن للمعلم b قيمة ثابتة تقريباً لنفس نوع العطل، بينما يزداد المعلم a مع قدرة النظام. بما أن b صغيرة نسبياً، فإن تعبيرات المنحدرات للمنحنيات لنفس نوع العطل تكون متطابقة تقريباً.لذلك، تظهر R-SFCLs ذات نفس المقاومة العادية نفس معدل التغيير في تيار العطل القصوى عبر قدرات مختلفة لنظام لنفس نوع العطل، مما يشير إلى أداء موحد في تحديد التيار.

وبالإضافة إلى ذلك، مع زيادة المقاومة العادية لـ R-SFCL بشكل خطي، يتناقص تأثير تحديد التيار تدريجياً. بناءً على المنحدرات للمنحنيات في الشكل 6 والشكل 7، يكون نطاق المقاومة العادية الأمثل لـ R-SFCL لتحقيق أعلى معدل تخفيض في تيار العطل القصوى هو 0–10 Ω.

4 الاستنتاج

تركيب R-SFCL على الجانب المباشر للخرج في محطة التحويل في نظام التحويل المباشر المرن يمكن أن يقلل بشكل فعال من تيارات عطل القصر المباشر. مع زيادة قيمة المقاومة لـ R-SFCL بشكل خطي، يتناقص تأثير تحديد التيار تدريجياً. مع الأخذ في الاعتبار الوضع الحالي للبحث، والتكلفة الهندسية، ومتطلبات المساحة الأرضية، يوصى بأن يكون نطاق المقاومة العادية الأمثل لـ R-SFCL هو 0–10 Ω.