Μείωση του ρεύματος εισόδου μεσαίου υπέρτασης μετατροπέα μέσω συσκευής ελέγχου κατάλληλης σύνδεσης

Ελεγχόμενα Στροφικά Συστήματα στο Διάστημα του Μεσαίου Τάσης

Περισσότερα από τρία δεκαετίες πριν, τα ελεγχόμενα στροφικά συστήματα (CSDs) παρουσιάστηκαν για πρώτη φορά για να μειώσουν τις μεταβατικές καταστάσεις που προκαλούνται από υψηλής τάσης προστατικά στροφικά συστήματα που συνδέονται με παράλληλα ρεακτόρες και ταμπούρα. Στη συνέχεια, η έρευνα επέκτεινε την εφαρμογή τους σε μεταφορικές γραμμές και διαστημικοί μετατροπείς. Αρχικά, αυτά τα συστήματα βελτίωσαν τις στιγμές στροφής σε βάση ανά φάση χρησιμοποιώντας προστατικά στροφικά συστήματα με ανεξάρτητη λειτουργία κάθε πόλου (IPO).

Πρόσφατα, ο αύξησης της παγκόσμιας ζήτησης ενέργειας έχει ενθαρρύνει την ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε διανομικά δίκτυα μεσαίου τάσης, αντί να εξαρτώνται μόνο από συστήματα μεταφοράς υψηλής τάσης (HV). Αυτή η μεταβολή έχει αναγκάσει να αντιμετωπιστούν θέματα παρακμής τάσης που προκαλούνται από ανεξέλεγκτες ροές ρεύματος κατά την ενεργοποίηση των μετατροπέων.

Τα στροφικά συστήματα μεσαίου τάσης λειτουργούν συνήθως με ταυτόχρονη λειτουργία των τριών πόλων, η οποία διαφέρει από την ανεξάρτητη λειτουργία σε εφαρμογές υψηλής τάσης. Αυτό απαιτούσε σημαντικές προόδους στην τεχνολογία CSD για να διαχειριστεί αποτελεσματικά τις ροές ρεύματος κατά την ενεργοποίηση των μετατροπέων χρησιμοποιώντας πρότυπα στροφικά συστήματα με ταυτόχρονη λειτουργία πόλων. Σήμερα, αυτή η καινοτομία είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη όχι μόνο σε εγκαταστάσεις ανανεώσιμης ενέργειας, όπως παρκά ανεμογεννήτριων και φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, αλλά και σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις και δίκτυα μεταφορών, όπου ο έλεγχος των ροών ρεύματος είναι κρίσιμος για την αξιόπιστη ενεργοποίηση μετατροπέων μεσαίου και υψηλού τάσης.

Ροές Ρεύματος Ενεργοποίησης σε Μετατροπείς Μεσαίου Τάσης

Η μέγεθος της ροής ρεύματος κατά την ενεργοποίηση των μετατροπέων επηρεάζεται σημαντικά από την υπόλοιπη φλούξη στον πυρήνα του μετατροπέα· υψηλότερα επίπεδα υπόλοιπης φλούξης μπορούν να οδηγήσουν σε μεγαλύτερες ροές ρεύματος κατά την τυχαία ενεργοποίηση. Αποτελεσματικές στρατηγικές περιορισμού είναι απαραίτητες για να αποφευχθούν λειτουργικές διαταραχές και να εξασφαλιστεί η σταθερότητα του δικτύου.

Με την εφαρμογή προηγμένων τεχνικών ελεγχόμενης στροφής, είναι δυνατό να μειωθούν ή να εξαλειφθούν αυτές οι ροές ρεύματος. Αυτές οι μέθοδοι όχι μόνο ενισχύουν την αξιοπιστία του συστήματος, αλλά επίσης επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής των εξοπλισμών, μειώνουν το κόστος συντήρησης και βελτιώνουν την ολοκληρωμένη απόδοση στα δίκτυα διανομής μεσαίου τάσης. Η αποδοχή τέτοιων τεχνολογιών αποτελεί μια κρίσιμη πρόοδο στην προσαρμογή στις εξελίξεις των σύγχρονων δικτύων ηλεκτρικής διανομής.

Σχέση Υπόλοιπης Φλούξης και Ροής Ρεύματος Ενεργοποίησης των Μετατροπέων

Τα πεδιακά δεδομένα που συγκεντρώθηκαν κατά την ενεργοποίηση των ελεγχόμενων στροφικών συστημάτων (CSDs) σε προστατικά στροφικά συστήματα και στροφικά συστήματα με ταυτόχρονη λειτουργία πόλων έχουν επιβεβαιώσει τη σχέση μεταξύ υπόλοιπης φλούξης και ροής ρεύματος ενεργοποίησης των μετατροπέων. Η χρήση CSDs συνήθως αποτελεί σε μείωση 3:1 της ροής ρεύματος σε σύγκριση με την τυχαία ενεργοποίηση, μειώνοντας σημαντικά τις δυνητικές διαταραχές.

Μέθοδοι Περιορισμού Ροής Ρεύματος με Προστατικά Στροφικά Συστήματα Μετάδοσης

Η εξήγηση που ακολουθεί δείχνει την έννοια της ελεγχόμενης στροφής για τον περιορισμό της ροής ρεύματος ενεργοποίησης των μετατροπέων:

Όταν ενεργοποιείται η φάση R ενός απομαγνητισμένου μετατροπέα στην τομή μηδενικής τάσης (όπως φαίνεται στο αριστερό μέρος του Σχήματος 1), αυτό επιβάλλει τον πυρήνα του μετατροπέα σε βαθιά κατάσταση κεντροποίησης, προσθέτοντας 2 μονάδες περιοχής (p.u.) φλούξης στον πυρήνα. Αυτή η κατάσταση μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές ροές ρεύματος λόγω της κεντροποίησης του πυρήνα.

Ωστόσο, όταν ο μετατροπέας ενεργοποιείται στην κορυφή της θετικής τάσης, αυτό το πρώτο θετικό τεταρτημόριο προσθέτει μόνο 1 p.u. φλούξης στον πυρήνα. Καθώς η τάση μετατρέπεται στην αρνητική μισή περίοδο, αρχίζει να μειώνει τη φλούξη στον πυρήνα. Επειδή ο μετατροπέας δεν φθάνει στο όριο κεντροποίησης υπό αυτές τις συνθήκες, αποφεύγεται η κεντροποίηση του πυρήνα, προελαμβάνοντας έτσι την εμφάνιση ροής ρεύματος.

Αυτή η κατάσταση αντιστοιχεί στη σταθερή ενεργοποίηση του μετατροπέα, όπου η φλούξη του πυρήνα καθυστερεί την τάση κατά 90 βαθμούς. Με την ακριβή επιλογή της στιγμής ενεργοποίησης για να συμπίπτει με τα βέλτιστα σημεία στην κύματος τάσης, ο κίνδυνος ροής ρεύματος μειώνεται, εξασφαλίζοντας μια πιο ομαλή και σταθερή λειτουργία του μετατροπέα.

Σε σύντομη συμπερίληψη, οι τεχνικές ελεγχόμενης στροφής εκμεταλλεύονται την ακριβή χρονοστιγμία για τον αποτελεσματικό περιορισμό της ροής ρεύματος. Με την αποφυγή της κεντροποίησης του πυρήνα μέσω στρατηγικών ενεργοποίησης, αυτές οι μέθοδοι εξασφαλίζουν αξιόπιστη λειτουργία του μετατροπέα, ενισχύουν τη σταθερότητα του δικτύου και μειώνουν τις λειτουργικές διαταραχές. Αυτή η προσέγγιση αντιπροσωπεύει μια κρίσιμη πρόοδο στην τεχνολογία των στροφικών συστημάτων μεσαίου τάσης, προσφέροντας σημαντικά οφέλη για καινούριες εγκαταστάσεις και ενημερώσεις υφιστάμενων συστημάτων.

Η κατάσταση γίνεται πιο περίπλοκη όταν χρησιμοποιείται ένα τριφασικό στροφικό σύστημα με ταυτόχρονη λειτουργία πόλων. Στην πραγματικότητα, η επιλογή της στιγμής ενεργοποίησης που μειώνει τη ροή ρεύματος σε μία φάση μπορεί να είναι επιβλαβής για τις άλλες δύο φάσεις. Αυτό είναι εμφανές στο Σχήμα 2, όπου ο περιορισμός της ροής ρεύματος για τη φάση R ενός απομαγνητισμένου μετατροπέα (αριστερά) επηρεάζει αρνητικά τις φάσεις Y και B (δεξιά).

Βελτιώνοντας τη στιγμή ενεργοποίησης για μία φάση για να μειωθεί η ροή ρεύματος, οι συνθήκες για τις άλλες δύο φάσεις μπορεί να οδηγήσουν σε αυξημένες ροές ρεύματος, τονίζοντας την ανάγκη για ισορροπημένη προσέγγιση σε πολυφάσικα συστήματα.

Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, το μοτίβο της υπόλοιπης φλούξης σε έναν μετατροπέα είναι το αποτέλεσμα της προηγούμενης απομαγνητοποίησής του.

Κατά την επανενεργοποίηση ενός μετατροπέα, η δυναμική φλούξη που προκαλείται από την εφαρμοσμένη τάση προστίθεται ή αφαιρείται από την υπόλοιπη φλούξη, ανάλογα με την πολικότητα της εφαρμοσμένης τάσης. Σύμφωνα με τις αρχές της ελεγχόμενης στροφής, η βέλτιστη στιγμή ενεργοποίησης μιας φάσης ενός μετατροπέα συμβαίνει όταν η προοπτική δυναμική φλούξη ταιριάζει με την υπάρχουσα υπόλοιπη φλούξη (Σχήμα 3, αριστερά). Για παράδειγμα, στην παρουσία υπόλοιπης φλούξης θετικής πολικότητας, η εφαρμογή αρνητικής τάσης θα μειώσει πρώτα τη φλούξη του πυρήνα σε μηδέν στην κορυφή της αρνητικής τάσης και θα ξεκινήσει αμέσως τη σταθερή λειτουργία του μετατροπέα χωρίς να κεντροποιήσει τον πυρήνα.

Αντίθετα (Σχήμα 3, δεξιά), η ενεργοποίηση της φάσης στην τομή μηδενικής τάσης θα προσθέσει 2 p.u. θετικής φλούξης στον πυρήνα πάνω από την υπάρχουσα 0.5 p.u. υπόλοιπη φλούξη. Αυτό θα προωθήσει τον πυρήνα του μετατροπέα σε βαθιά κεντροποίηση, προκαλώντας υπερβολική ροή ρεύματος. Συνεπώς, η παρουσία υπόλοιπης φλούξης αυξάνει τη μέγιστη ροή ρεύματος όταν η ενεργοποίηση του μετατροπέα είναι ανεξέλεγκτη.

Η ακριβής επιλογή της στιγμής ενεργοποίησης για να ταιριάζει την προκαλούμενη φλούξη με την υπόλοιπη φλούξη μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά την κεντροποίηση του πυρήνα, μειώνοντας έτσι την ροή ρεύματος και εξασφαλίζοντας μια ομαλή λειτουργία του μετατροπέα. Αυτή η στρατηγική όχι μόνο ενισχύει την αξιοπιστία του συστήματος, αλλά επίσης επεκτείνει τη διάρκεια ζωής των εξοπλισμών και μειώνει το κόστος συντήρησης. Η κατάλληλη χρονοστιγμία ενεργοποίησης είναι ειδικά κρίσιμη σε πολυφάσικα συστήματα για να εξισορροπηθεί η απόδοση σε όλες τις φάσεις, εξασφαλίζοντας τη σταθερότητα και την αποτελεσματικότητα του δικτύου.

Αυτή η προσέγγιση υπογραμμίζει τη σημασία της λήψης υπόψη της επίδρασης της υπόλοιπης φλούξης κατά τη σχεδίαση και την εφαρμογή τεχνολογιών ελεγχόμενης στροφής για μετατροπέας, με στόχο την επίτευξη πιο αποτελεσματικών και αξιόπιστων δικτύων μεταφοράς ενέργειας.

Όταν υπάρχει υπόλοιπη φλούξη στον πυρήνα του μετατροπέα, η κατάσταση με ένα προστατικό στροφικό σύστημα μετάδοσης γίνεται ακόμη πιο περίπλοκη. Η βέλτιστη στιγμή ενεργοποίησης πρέπει να λαμβάνει υπόψη την ταυτόχρονη λειτουργία όλων των