تخفيض تيار الإندفاع في المحولات ذات الجهد المتوسط بواسطة جهاز التحكم في التبديل

أجهزة التحويل المُتحكم بها في نطاق الجهد المتوسط

منذ أكثر من ثلاثة عقود، تم تقديم أجهزة التحويل المُتحكم بها (CSDs) لأول مرة لتخفيف الترانزيات الناتجة عن مفاتيح الدائرة ذات الجهد العالي المتصلة بمكثفات الشبكة والمفاعلات الموازية. توسعت الأبحاث اللاحقة لتشمل تطبيقاتها على خطوط النقل والمحولات الكهربائية. في البداية، تم تحسين لحظات التحويل لهذه الأجهزة لكل مرحلة بشكل مستقل باستخدام مفاتيح الدائرة المستقلة للقطبين (IPO).

مؤخراً، ارتفع الطلب العالمي على الطاقة مما دفع إلى دمج مصادر الطاقة المتجددة في شبكات التوزيع ذات الجهد المتوسط بدلاً من الاعتماد فقط على أنظمة النقل ذات الجهد العالي (HV). هذه التحول أدى إلى الحاجة إلى معالجة مشاكل الهبوط الجهد الناجمة عن التيار الأولي غير المُتحكم به أثناء تشغيل المحولات.

عادة ما تعمل معدات التحويل ذات الجهد المتوسط بثلاثة أقطاب في وقت واحد، مما يختلف عن التشغيل المستقل في التطبيقات ذات الجهد العالي. هذا طلب تطورات كبيرة في تقنية CSDs لكي يتمكنوا من إدارة التيار الأولي للمحولات بكفاءة باستخدام مفاتيح قياسية تعمل بالأقطاب في الوقت نفسه. اليوم، يتم استخدام هذه التقنية على نطاق واسع ليس فقط في محطات الطاقة المتجددة مثل مزارع الرياح ومزارع الطاقة الشمسية الضوئية، ولكن أيضاً في الإعدادات الصناعية وشبكات النقل، حيث يعد التحكم في التيار الأولي ضروريًا لتشغيل المحولات ذات الجهد المتوسط والعالي بشكل موثوق.

التيار الأولي في المحولات ذات الجهد المتوسط

تتأثر شدة التيار الأولي أثناء تشغيل المحولات بشكل كبير بالفلوكس المتبقي داخل نواة المحول؛ يمكن أن يؤدي مستوى أعلى من الفلوكس المتبقي إلى زيادة التيار الأولي عند التشغيل العشوائي. تعد استراتيجيات التخفيف الفعالة ضرورية لتجنب الاضطرابات التشغيلية وضمان استقرار الشبكة.

من خلال تنفيذ تقنيات التحويل المتحكم بها المتقدمة، يمكن تقليل أو إلغاء هذه التيارات الأولية. هذه الأساليب لا تحسن فقط موثوقية النظام ولكنها أيضًا تمدد عمر المعدات وتقلل من تكاليف الصيانة وتحسن الكفاءة العامة في شبكات التوزيع ذات الجهد المتوسط. يعتبر تبني مثل هذه التقنيات تقدمًا حاسمًا في التكيف مع متطلبات الشبكات الكهربائية الحديثة المتغيرة.

العلاقة بين الفلوكس المتبقي والتيار الأولي للمحولات

أكدت البيانات الميدانية التي تم جمعها أثناء عمليات التشغيل الأولى لأجهزة التحويل المُتحكم بها (CSDs) على مفاتيح الدائرة ومعدات التحويل التي تعمل بأقطاب في الوقت نفسه العلاقة بين الفلوكس المتبقي والتيار الأولي للمحولات. عادةً ما يؤدي استخدام CSDs إلى تقليل التيار الأولي بنسبة 3:1 مقارنة بالتشغيل العشوائي، مما يقلل بشكل كبير من الاضطرابات المحتملة.

طرق تخفيف التيار الأولي باستخدام مفتاح الدائرة ذو الأقطاب المتزامنة

التوضيح التالي يوضح مفهوم التحويل المُتحكم به لتخفيف التيار الأولي المطبق على المحولات الكهربائية:

عند تشغيل محول كهربائي مُدمج في مرحلة R عند نقطة الصفر من الجهد (كما هو موضح على اليسار في الشكل 1)، فإنه يدفع نواة المحول إلى حالة التشبع العميق، مما يضيف فلوكسًا إضافيًا بقيمة 2 وحدة لكل وحدة (p.u.) إلى النواة. يمكن أن يؤدي هذا الشرط إلى حدوث تيارات أولية كبيرة بسبب تشبع النواة.

ومع ذلك، عند تشغيل المحول عند قمة الجهد الإيجابي، فإن هذا الربع الدورة الإيجابي الأول يضيف فقط 1 p.u. من الفلوكس إلى النواة. عندما ينتقل الجهد بعد ذلك إلى نصف الدورة السلبية، يبدأ في تقليل الفلوكس داخل النواة. بما أن المحول لا يصل إلى حد التشبع تحت هذه الظروف، يتم تجنب تشبع النواة وبالتالي منع حدوث التيار الأولي.

هذا السيناريو يتوافق مع التشغيل الثابت للمحول، حيث يتاخر الفلوكس في النواة عن الجهد بمقدار 90 درجة. من خلال توقيت لحظة التشغيل بدقة لتتوافق مع نقاط مثلى في موجة الجهد، يتم تقليل خطر التيار الأولي، مما يضمن تشغيل المحول بشكل أكثر سلاسة واستقرارًا.

باختصار، تستفيد تقنيات التحويل المُتحكم به من التوقيت الدقيق لتخفيف التيار الأولي بشكل فعال. من خلال تجنب تشبع النواة عبر نقاط التشغيل الاستراتيجية في دورة الجهد، تضمن هذه الأساليب أداءً موثوقًا للمحولات وتعزز استقرار الشبكة وتقلل من الاضطرابات التشغيلية. هذا النهج يمثل تقدمًا حاسمًا في تقنية معدات التحويل ذات الجهد المتوسط، ويقدم فوائد كبيرة لكلاً من التركيبات الجديدة وترقية الأنظمة القائمة.

تصبح الأمور أكثر تعقيدًا عند استخدام مفتاح ثلاثي الأطوار يعمل بأقطاب في الوقت نفسه. في الواقع، اختيار اللحظة المناسبة لتشغيل المحول والتي تقلل من التيار الأولي في مرحلة واحدة قد يكون ضارًا بالنسبة للمرحلتين الأخريتين. يتم توضيح هذا في الشكل 2، حيث يؤدي تخفيف التيار الأولي لمرحلة R من المحول المُدمج (على اليسار) إلى تأثير سلبي على المراحل Y و B (على اليمين).

من خلال تحسين لحظة التشغيل لأحد الأطوار لتقليل التيار الأولي الخاص به، قد يؤدي ذلك بشكل غير مقصود إلى زيادة التيار الأولي في المرحلتين الأخريتين، مما يؤكد الحاجة إلى نهج متوازن في الأنظمة متعددة الأطوار.

كما تم شرحه سابقًا، فإن نمط الفلوكس المتبقي في المحول الكهربائي هو نتيجة لإيقافه السابق.

عند إعادة تشغيل المحول، يتم إضافة الفلوكس الديناميكي الناتج عن الجهد المطبق إلى الفلوكس المتبقي أو طرحه منه بناءً على قطبية الجهد المطبق. وفقًا لمبادئ التحويل المُتحكم به، يحدث أفضل لحظة لتشغيل مرحلة المحول الكهربائي عندما يتطابق الفلوكس المتوقع المُستحدث مع الفلوكس المتبقي الموجود (الشكل 3، على اليسار). على سبيل المثال، في وجود الفلوكس المتبقي الإيجابي، فإن تطبيق الجهد السلبي سيقلل أولاً الفلوكس في النواة إلى الصفر عند قمة الجهد السلبي ثم يصل فورًا إلى التشغيل الثابت للمحول دون تشبع نواته.

بالعكس (الشكل 3، على اليمين)، فإن تشغيل المرحلة عند نقطة الصفر الإيجابية للجهد سيضيف 2 p.u. من الفلوكس الإيجابي إلى النواة بالإضافة إلى الفلوكس المتبقي البالغ 0.5 p.u. وهذا يدفع نواة المحول الكهربائي إلى التشبع العميق، مما يؤدي إلى تيار أولي زائد. لذلك، يزيد وجود الفلوكس المتبقي من التيار الأولي الأقصى عند عدم التحكم في تشغيل المحول.

اختيار اللحظة المناسبة لتشغيل المحول بحيث يتطابق الفلوكس المُستحدث مع الفلوكس المتبقي يمكن أن يمنع تشبع النواة بشكل فعال، مما يقلل من التيار الأولي ويضمن تشغيل المحول بشكل سلس. هذه الاستراتيجية لا تحسن فقط موثوقية النظام ولكنها أيضًا تمدد عمر المعدات وتقلل من تكاليف الصيانة. تعتبر توقيت التشغيل المناسب خاصة حاسمًا في الأنظمة متعددة الأطوار لتحقيق توازن الأداء عبر الأطوار، مما يضمن استقرار الشبكة وكفاءتها.

هذا النهج يؤكد أهمية مراعاة تأثير الفلوكس المتبقي عند تصميم وتنفيذ تقنيات التحويل المُتحكم به للمحولات الكهربائية، بهدف تحقيق شبكات نقل الطاقة الأكثر كفاءة ومعتمدة.

عند وجود الفلوكس المتبقي في نواة المحول، تصبح الحالة مع مفتاح الدائرة ذو الأقطاب المتزامنة أكثر تعقيدًا. يجب أن يأخذ أفضل لحظة للتشغيل في الاعتبار التشغيل المتزامن لجميع الأطوار الثلاثة بناءً على حجم وقطبية الفلوكس المتبقي. ومع ذلك، لكل نمط ممكن من الفلوكس المتبقي، هناك دائمًا لحظة تشغيل مثلى تؤدي إلى تشبع أقل للمحول (الشكل 4).

في المثال التالي، نمط الفلوكس المتبقي هو 0، -0.5، و +0.5 p.u. في المراحل R، Y، و B على التوالي. تشغيل المحول الكهربائي عند 90° (قمة الجهد في مرحلة R) يؤدي إلى أقل تشبع للمراحل. ومع ذلك، إغلاق المرحلة الزرقاء (افتراضًا مرحلة B) عند نقطة الصفر الإيجابية للجهد (240°) سيتسبب في أسوأ تيار أولي، والذي سيكون 6.5 مرة أعلى من اللحظة المثلى للتشغيل المحسوبة بواسطة جهاز التحويل المُتحكم به (CSD).

هذا يبرز أهمية تحديد اللحظة المثلى للتشغيل بدقة لكل حالة فلوكس متبقي محددة لتقليل تشبع المحول والتيار الأولي. التوقيت الصحيح يضمن تشغيلًا أكثر سلاسة ويحسن موثوقية وكفاءة النظام الكهربائي.

عند عدم التحكم في تشغيل المحول الكهربائي، سيظهر دائماً أسوأ تيار أولي ممكن في المرحلة التي تحتوي على أعلى فلوكس متبقي. يقوم جهاز التحويل المُتحكم به (CSD) بتقليل التيار الأولي للتشغيل من خلال حساب اللحظة المثلى لإغلاق الأقطاب بناءً على نمط الفلوكس المتبقي. وبالتالي، تحت ظروف الفلوكس المتبقي العالي المحددة، يمكن القضاء تمامًا على التيار الأولي.

يوضح الشكل 5 التيار الأولي النسبي النظري أثناء التشغيل كدالة لأعلى قيمة من الفلوكسات الثلاثة المقيسة في المحول (مع ركبة تشبع تبلغ 1.2 p.u.). يتم تطبيع التيار الأولي الأقصى إلى التيار الأقصى للتشغيل للنواة المُدمجة. عندما يكون الفلوكس المتبقي في النواة عاليًا (على المحور الأفقي)، يقوم CSD بإزالة التيار الأولي من خلال منع المحول من الدخول في حالة التشبع (الجزء السفلي من الخط الأزرق). بالعكس، تشغيل المحول الكهربائي في لحظة عشوائية يمكن أن يدفع المحول إلى التشبع الكامل (الخط الأحمر)، مما يؤدي إلى تيار أولي زائد وهبوط جهد على الشبكة. يوضح هذا الرسم البياني فعالية تخفيف التيار الأولي الذي يوفره CSD مقارنة بالتشغيل العشوائي أو غير المُتحكم به.