تكوينات نظام التيار المباشر عالي الجهد (HVDC)

التيار المباشر عالي الجهد، المعروف اختصاراً بـ HVDC، هو طريقة فعالة جداً لنقل الطاقة على مسافات طويلة، حيث يقلل بشكل كبير من خسائر الطاقة مقارنة بنظام النقل التقليدي بالتيار المتردد (AC). يمكن تنفيذ نظام HVDC في تكوينات مختلفة، كل منها مصمم لتلبية متطلبات التشغيل الخاصة. يقدم هذا المقال نظرة عامة موجزة على أنواع التكوينات الرئيسية لنظام HVDC.

أنظمة HVDC الظهر إلى الظهر

في تكوين الظهر إلى الظهر (B2B) لنظام HVDC، يتم وضع كل من المُستقيم والمُحول، وهما المكونان الرئيسيان للمحول، داخل نفس محطة الطرف. يتم ربط هذين المكونين للمحول مباشرة ببعضهما البعض. الوظيفة الرئيسية لهذا التكوين هي ربط نظامين منفصلين للطاقة الكهربائية المتناوبة. يتم تحقيق ذلك أولاً بتحويل الطاقة الكهربائية القادمة من التيار المتناوب إلى التيار المستقيم عبر المُستقيم، ثم تحويل الطاقة الكهربائية المستقيمة مرة أخرى إلى التيار المتناوب باستخدام المُحول.

أنظمة HVDC الظهر إلى الظهر (المتابعة)

يتم تركيب نظام الظهر إلى الظهر لـ HVDC داخل غرفة واحدة ويعمل على ربط نظامين غير متزامنين للطاقة الكهربائية المتناوبة. بما أن هناك اتصال مباشر بين المُستقيم والمُحول، فلا يوجد حاجة لخط نقل مستقيم. يتم الحفاظ على الجهد المستقيم المتوسط عمداً عند مستوى منخفض لتقليل عدد الثايروسترات المتصلة بالسلسلة. في الوقت نفسه، يمكن أن يصل تصنيف التيار لهذا التكوين إلى عدة آلاف أمبير.

هذا النوع من نظام HVDC مفيد بشكل خاص لربط نظامين غير متزامنين للطاقة الكهربائية المتناوبة في السيناريوهات التالية:

• عندما تعمل النظامين أو شبكات الطاقة الكهربائية المتناوبة بترددات مختلفة.

• عندما يكون للنظامين نفس التردد ولكن مع وجود فرق في الطور.

نظام HVDC ذو الطرفين

في تكوين نظام HVDC ذو الطرفين، هناك محطتان مختلفتان للطرف، كل منهما تعمل كمحطة محول. تحتوي إحدى المحطات على مُستقيم، بينما تحتوي الأخرى على مُحول. يتم ربط هذين الطرفين بواسطة خط نقل HVDC، مما يسمح بنقل كهربائي فعال على مسافات طويلة. تم تصميم هذا التكوين للتغلب على قيود النقل التقليدي بالتيار المتناوب لنقل الطاقة على مسافات طويلة، مستفيداً من مزايا الطاقة المستقيمة لتقليل خسائر الطاقة وتحسين كفاءة النقل عبر مناطق جغرافية واسعة.

يتميز نظام HVDC ذو الطرفين بتوصيل مباشر بين نقطتين دون أي خطوط نقل موازية أو نقاط وسيطة على طول الخط الناقل. هذه الخصائص تعطيه اسمه البديل وهو نقل الطاقة نقطة إلى نقطة. إنه مناسب بشكل مثالي لتطبيقات تزويد الطاقة بين موقعين بعيدين جغرافياً عن بعضهما البعض.

من أهم مزايا نظام HVDC ذو الطرفين أنه لا يتطلب مفتاح دارة HVDC. في حالة الصيانة أو عند إزالة الأعطال، يمكن استخدام مفاتيح الدارة الكهربائية المتناوبة على الجانب المتناوب لإطفاء الخط المستقيم. مقارنة بمفاتيح الدارة المستقيمة، فإن مفاتيح الدارة المتناوبة لديها تصميم أبسط وتكون أقل تكلفة، مما يجعل نظام HVDC ذو الطرفين أكثر اقتصادية وسهولة في الصيانة.

نظام التيار المستقيم متعدد الأطراف (MTDC)

يمثل نظام التيار المستقيم متعدد الأطراف (MTDC) تكويناً أكثر تعقيداً لنظام HVDC. يستخدم عدة خطوط نقل لإقامة اتصالات بين أكثر من نقطتين. يتكون هذا التكوين من عدة محطات أطراف، كل منها مجهز بمحول خاص به، جميعها مترابطة بشبكة خطوط نقل HVDC. ضمن هذه الشبكة، تقوم بعض المحولات بوظيفة المُستقيم، حيث تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية المتناوبة إلى مستقيم، بينما تعمل الأخرى كمحولات، حيث تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية المستقيمة مرة أخرى إلى تيار متناوب لتوزيعه على الأحمال. المبدأ الأساسي لنظام MTDC هو أن القوة الإجمالية المقدمة من محطات المُستقيم يجب أن تساوي القوة الإجمالية المستلمة من محطات المُحول (الأحمال)، مما يضمن تدفق طاقة متوازن وكفاءة عبر الشبكة المتصلة.

نظام التيار المستقيم متعدد الأطراف (MTDC) (المتابعة)

تشبه شبكة MTDC شبكة التيار المتناوب من حيث المرونة، لكنها تقدم ميزة فريدة وهي القدرة على التحكم بدقة في تدفق الطاقة داخل الشبكة الموزعة المستقيمة. ومع ذلك، يأتي هذا التحسين في الوظائف بتكاليف زيادة التعقيد، مما يجعل نظام MTDC أكثر تعقيداً بكثير من تكوين نظام HVDC ذو الطرفين.

في تكوين MTDC، لا يمكن الاعتماد على مفاتيح الدارة الكهربائية المتناوبة على الجانب المتناوب. على عكس نظام الطرفين، سيؤدي استخدام مفتاح الدارة المتناوب إلى إطفاء الشبكة المستقيمة بأكملها بدلاً من عزل الخط المعيب أو الذي يحتاج إلى صيانة فقط. لمعالجة هذا، يتطلب نظام MTDC مكونات تبديل DC متعددة، مثل مفاتيح الدارة. تم تصميم هذه المفاتيح الخاصة للفصل الآمن للدارة أو عزل أقسام محددة أثناء عمليات الصيانة أو عند إزالة الأعطال، مما يضمن استقرار وموثوقية الشبكة.

من الضروري الحفاظ على توازن النظام في نظام MTDC. يجب أن يتطابق التيار الإجمالي المقدم من محطات المُستقيم تماماً مع التيار المستهلك من محطات المُحول. عندما يحدث زيادة مفاجئة في الطلب على الطاقة من أي محطة مُحول، يجب زيادة إنتاج الطاقة المستقيمة بشكل متناسب لتلبية الحمل المتزايد. خلال هذه العملية، من الضروري مراقبة وتحكم عن كثب في الجهد المقدم والعملية المُحول لمنع التشغيل الزائد، والذي قد يؤدي إلى فشل النظام.

من أهم نقاط القوة لنظم MTDC هي موثوقيتها أثناء الانقطاعات القسرية. في حالة حدوث انقطاع طاقة غير متوقع في أحد محطات التوليد، يمكن للنظام إعادة توجيه الطاقة بسرعة من خلال محطات محول بديلة، مما يقلل من الاضطراب في تزويد الطاقة الكلي.

تطبيقات نظام MTDC

• تكامل الطاقة المتجددة: يسهل ربط عدة مزارع طاقة متجددة مستقيمة بأنظمة شبكية مختلفة، مما يتيح توزيع الطاقة النظيفة بكفاءة.

• طاقة الرياح البحرية: يسمح بربط عدة مزارع رياح بحرية بشبكة الطاقة البرية، مما يتجاوز التحديات المرتبطة بنقل كميات كبيرة من الطاقة على مسافات طويلة من مواقع بعيدة.

• نقل الطاقة الضخمة: يسمح بنقل كميات كبيرة من الطاقة من عدة محطات توليد متناوبة بعيدة إلى عدة مراكز حمل، مما يحسن توزيع الطاقة عبر مناطق واسعة.

• ربط الشبكات: يسمح بربط نظامين غير متزامنين للطاقة الكهربائية المتناوبة، مما يعزز استقرار الشبكة وقدرات تبادل الطاقة.

• إعادة توزيع الطاقة: يسمح بإعادة توزيع تزويد الطاقة في حالة فشل الطاقة في محطات التوليد الفردية، مما يضمن توصيل الطاقة المستمرة للمستهلكين.

• دعم شبكة التيار المتناوب: يمكن توفير طاقة إضافية للشبكات المتناوبة المشحونة باستخدام مستقيم واحد ومحولات متعددة لحقن الطاقة في الشبكة المتناوبة، مما يخفف الاختناقات ويحسن أداء الشبكة بشكل عام.

• توصيل الطاقة المرن: يوفر المرونة لتوصيل الطاقة في نقاط متعددة داخل الشبكة، مما يتكيف مع متطلبات الطاقة والتوزيع المختلفة.

يمكن تقسيم أنظمة MTDC إلى نوعين أساسيين:

نظام MTDC المتسلسل

في تكوين نظام MTDC المتسلسل، يتم ربط عدة محطات محول في سلسلة، مثل المكونات في الدائرة الكهربائية المتسلسلة. أحد خصائص هذا التكوين هو أن التيار الذي يتدفق عبر كل محطة محول يبقى متطابقاً، حيث يتم تحديده بواسطة إحدى المحطات. ومع ذلك، يتم توزيع انخفاض الجهد بين محطات المحول، حيث يواجه كل محطة جزءاً من انخفاض الجهد الإجمالي عبر الشبكة المتصلة بالتسلسل.

نظام MTDC المتسلسل (المتابعة)

يمكن اعتبار نظام MTDC المتسلسل كإصدار ممدود من نظام HVDC ذو الطرفين، حيث يتم دمج عدة محطات محول متصلة بالتسلسل، كما هو موضح في الرسم البياني المرافق. عادة ما تكون محطات المحول في تكوين MTDC المتسلسل ذات قدرة أقل مقارنة بتلك المستخدمة في أنظمة MTDC الموازية.

يستخدم هذا النظام عادة روابط DC أحادية القطبية، حيث يتم تأريض الخط المستقيم في نقطة محددة واحدة فقط. يمكن تركيب مكثف تأريض في نقاط أخرى على طول الخط كإجراء وقائي إضافي ضد التقلبات الكهربائية العابرة.

تواجه تنسيق العزل في نظام MTDC المتسلسل تحديات كبيرة بسبب التوترات المستقيمة المتغيرة في كل محطة. آلية التحكم في تدفق الطاقة في نظام MTDC المتسلسل أكثر تعقيدًا مقارنة بنظام MTDC الموازي. في نظام MTDC الموازي، يمكن تنظيم تدفق الطاقة عن طريق حقن التيار في خطوط محددة، بينما في نظام MTDC المتسلسل، يعتمد التحكم في تدفق الطاقة على تعديل الجهد في كل محطة طرفية.

يمكن تحقيق عكس تدفق الطاقة في نظام MTDC المتسلسل بسهولة باستخدام محوّلات مصدر الجهد (VSC) ومحوّلات مصدر التيار (CSC). ومع ذلك، عند حدوث عطل أو الحاجة إلى صيانة خط معين، ستتعرض الشبكة المستقيمة بأكملها للانقطاع. مشابهة لنظام HVDC ذو الطرفين، يتم استخدام مفاتيح الدارة على الجانب المتناوب لإطفاء الشبكة المستقيمة. توسيع نظام MTDC المتسلسل يواجه أيضاً صعوبات. تتطلب تركيب محطات طرفية جديدة إطفاء كامل للشبكة، حيث يجب قطع الشبكة المستديرة في نقطة التركيب، مما يؤثر على تزويد الطاقة لجميع المحطات الأخرى على طول المسار.

نظام MTDC الموازي

في نظام MTDC الموازي، يتم ربط عدة محطات محول تعمل كمحولات أو محطات تحميل بمحطة محول واحدة تعمل كمستقيم. يقوم هذا المستقيم بتزويد الطاقة للشبكة المستقيمة بأكملها. مشابهة للدائرة الكهربائية الموازية، يظل الجهد ثابتًا عبر جميع محطات المحول أو التحميل، ويتم تحديده بواسطة إحدى محطات المحول. من ناحية أخرى، يختلف تزويد التيار وفقًا لمتطلبات الطاقة لكل محطة. لضمان تزويد تيار متوازن، يتم ضبط التيار بشكل ديناميكي استجابة لمتطلبات الطاقة لكل محطة تحميل. عادة ما تكون محطات الأطراف في نظام MTDC الموازي ذات قدرة أعلى من تلك الموجودة في شبكة MTDC المتسلسلة.

نظام MTDC الموازي (المتابعة)

يمكن تحقيق عكس تدفق الطاقة في نظام MTDC الموازي باستخدام إما طريقة عكس الجهد أو طريقة عكس التيار. عند استخدام عكس الجهد، والذي يرتبط عادة بمحطات محول تستند إلى مصدر التيار (CSC)، فإنه يؤثر على جميع محطات المحول. لذلك، يجب تنفيذ نظام تحكم واتصال معقد للغاية بين هذه المحولات لإدارة هذا التأثير. من ناحية أخرى، إذا تم تحقيق عكس تدفق الطاقة باستخدام طريقة عكس التيار، والتي غالبًا ما ترتبط بمحطات محول تستند إلى مصدر الجهد (VSC)، فإن العملية تكون أكثر بساطة في التنفيذ. هذا هو السبب الرئيسي لاستخدام VSCs بدلاً من CSCs في أنظمة MTDC الموازية.

في نظام MTDC المستند إلى VSC، وبما أن الجهد ثابت، يتم تحديد تصنيف الطاقة لمحطة الأطراف بواسطة تصنيفات التيار للمحول الصمام. يوفر هذا التكوين ميزة كبيرة في التحكم في تدفق الطاقة داخل الشبكة المستقيمة. يمكنه تنظيم تدفق الطاقة بدقة عن طريق حقن التيار في خطوط محددة، وهو نهج أكثر ملاءمة مقارنة بآلية التحكم في الطاقة في الأنظمة المتسلسلة التي تعتمد على التحكم في الجهد في كل محطة.

من أهم ميزات نظام MTDC الموازي هو صموده أمام الأعطال. إذا حدث عطل في أي من محطات الأطراف، تظل باقي الشبكة المستقيمة غير متأثرة. ومع ذلك، لعزل الخطوط المستقيمة المحددة المرتبطة بالمحطة المعيبة، يتطلب الأمر مفتاح دارة مستقيم منفصل. بالإضافة إلى ذلك، أثناء توسيع الشبكة المستقيمة، لا يتعين إيقاف تزويد الطاقة. هذا لأن محطات الأطراف الجديدة يمكن تركيبها موازية للخطوط القائمة، مما يضمن التكامل السلس دون التأثير على توزيع الطاقة المستمر.

من مزايا نظام MTDC الموازي الأخرى أنه يتميز بتنسيق عزل أبسط نسبيًا مقارنة بالنظام المتسلسل. نظرًا لثبات الجهد عبر الشبكة، تكون متطلبات العزل أسهل في الإدارة.

يمكن تصنيف نظام MTDC الموازي إلى فئتين:

نظام MTDC الشعاعي

نظام MTDC الشعاعي هو نوع محدد من تكوينات MTDC الموازية. في هذا التكوين، إذا حدث انقطاع في خط نقل أو إزالة رابط واحد، سيؤدي ذلك إلى انقطاع تزويد الطاقة لأحد محطات المحول أو أكثر. تجعل هذه الخاصية نظام MTDC الشعاعي عرضة للحالات التي يمكن أن تؤدي فيها نقطة فشل واحدة إلى انقطاع الطاقة، حيث يمكن أن يكون له أي انقطاع في خط النقل تأثير مباشر على تزويد الطاقة لجزء من الشبكة.

يوضح الشكل المرفق تكوينًا حيث يتم ربط أربع محطات محول بمحطة مستقيم واحدة. في هذا التكوين، من الواضح أن انقطاع أي خط واحد سيؤدي حتمًا إلى انقطاع تزويد الطاقة لأحد محطات الأطراف على الأقل. هذه الضعف يجعل نظام MTDC الشعاعي أقل موثوقية مقارنة بأنظمة MTDC الشبكية أو الحلقة.

نظام MTDC الشبكي (الحلقي)

في نظام MTDC الشبكي أو الحلقي، يتم ربط محطات المحول (التحميل) بمحطة مستقيم واحدة في تكوين شبكي أو حلقي. من أهم مزايا هذا التكوين أنه حتى في حالة انقطاع خط نقل واحد أو إزالة رابط واحد، لا يؤدي ذلك إلى انقطاع تزويد الطاقة لأي من محطات المحول. يوضح الشكل التالي نظام MTDC الشبكي أو الحلقي بوضوح. هذه المرونة في مواجهة أعطال الخطوط تجعل نظام MTDC الشبكي أو الحلقي خيارًا أكثر موثوقية لنقل وتوزيع الطاقة في بعض التطبيقات، حيث يمكنه تحمل الاضطرابات بشكل أفضل وضمان تزويد الطاقة المستمر للمحطات المتصلة.

كما هو موضح، في نظام MTDC الشبكي أو الحلقي، لا يؤدي إزالة رابط واحد إلى انقطاع تزويد الطاقة لأي محطة محول. بدلاً من ذلك، يتم إعادة توجيه الطاقة الكهربائية تلقائيًا عبر روابط بديلة داخل الشبكة. يتم تحقيق هذا التوجيه السلس بفضل الطبيعة المتصلة للتكوين الشبكي أو الحلقي. ومع ذلك، من الضروري ملاحظة أن هذه الروابط البديلة يجب تصميمها بدقة لتوفير نقل الطاقة المتزايد مع تقليل خسائر الطاقة.

يعد عدم حدوث انقطاعات في نظام MTDC الشبكي ميزة مهمة. فهو يضمن تزويد طاقة مستمر ومستقر حتى في مواجهة أعطال غير متوقعة في الروابط. وبالتالي، يوفر نظام MTDC الشبكي الموصل بشكل موازي موثوقية أكبر مقارنة بنظامه الشعاعي الموصل بشكل موازي. الضعف في نظام الشعاعي في مواجهة انقطاعات الطاقة بسبب أعطال الروابط الواحدة يصبح أقل أهمية مقارنة بالقدرة القوية لنظام الشبكي على الحفاظ على تدفق الطاقة في ظروف مماثلة، مما يجعل نظام MTDC الشبكي أو الحلقي الخيار المفضل للتطبيقات التي تتطلب تزويد طاقة مستمر بلا انقطاع.