پیکربندی‌های سیستم جریان مستقیم فشار قوی (HVDC)

جریان مستقیم فشار قوی که معمولاً با نام HVDC خلاصه می‌شود، یک روش بسیار کارآمد برای انتقال انرژی الکتریکی در فواصل طولانی است که به طور قابل توجهی از دیدگاه کاهش تلفات نسبت به انتقال جریان متناوب (AC) سنتی برتری دارد. سیستم HVDC می‌تواند در پیکربندی‌های مختلفی پیاده‌سازی شود، هر یک برای نیازهای عملیاتی خاص طراحی شده است. این مقاله مروری مختصر بر انواع اصلی پیکربندی‌های سیستم HVDC ارائه می‌دهد.

سیستم‌های HVDC پشت به پشت

در پیکربندی HVDC پشت به پشت (B2B)، هر دو قطعه اساسی تبدیل‌کننده یعنی مستطیل‌ساز و معکوس‌ساز در یک ایستگاه پایانه واحد قرار دارند. این دو عنصر تبدیل‌کننده مستقیماً به یکدیگر متصل می‌شوند. عملکرد اصلی این پیکربندی اتصال دو سیستم انرژی AC جداگانه است. این اتصال از طریق تبدیل جریان AC ورودی به DC با استفاده از مستطیل‌ساز و سپس تبدیل سریع جریان DC به AC با استفاده از معکوس‌ساز انجام می‌شود.

سیستم‌های HVDC پشت به پشت (ادامه)

تنظیمات HVDC پشت به پشت در یک اتاق واحد نصب می‌شوند و برای اتصال دو سیستم انرژی AC غیرهمزمان استفاده می‌شوند. با توجه به اتصال مستقیم پشت به پشت مستطیل‌ساز و معکوس‌ساز، نیازی به خط انتقال DC نیست. برای کاهش تعداد ترایستورهای متصل به صورت سری، ولتاژ DC میانی به طور عمداً در سطح پایین حفظ می‌شود. در عین حال، ظرفیت جریان این پیکربندی می‌تواند به چند هزار آمپر برسد.

این نوع سیستم HVDC به ویژه برای اتصال دو سیستم انرژی AC غیرهمزمان در سناریوهای زیر مفید است:

• وقتی دو سیستم یا شبکه AC با فرکانس‌های مختلف عمل می‌کنند.

• وقتی دو سیستم فرکانس یکسانی دارند اما اختلاف فازی وجود دارد.

سیستم دو پایانه‌ای HVDC

در پیکربندی دو پایانه‌ای HVDC، دو ایستگاه پایانه مجزا وجود دارد که هر یک به عنوان ایستگاه تبدیل‌کننده عمل می‌کند. یک ایستگاه شامل مستطیل‌ساز است، در حالی که دیگری شامل معکوس‌ساز است. این دو پایانه از طریق خط انتقال HVDC به یکدیگر متصل می‌شوند، که این اتصال امکان انتقال موثر انرژی الکتریکی در فواصل طولانی را فراهم می‌کند. این تنظیمات برای غلبه بر محدودیت‌های انتقال AC سنتی برای انتقال برق در فواصل طولانی طراحی شده‌اند و از مزایای برق DC برای کاهش تلفات و افزایش کارایی انتقال در مناطق جغرافیایی گسترده استفاده می‌کنند.

سیستم دو پایانه‌ای HVDC شامل اتصال مستقیم بین دو نقطه بدون هیچ خط انتقال موازی یا تاپ‌های میانی در طول خط انتقال است. این ویژگی به آن نام جایگزینی «انتقال برق نقطه به نقطه» می‌دهد. این سیستم برای کاربردهای تأمین برق بین دو مکان جغرافیایی دور از هم مناسب است.

یکی از مزایای قابل توجه سیستم دو پایانه‌ای HVDC عدم نیاز به مداربُر HVDC است. در صورت نیاز به تعمیر و نگهداری یا پاکسازی خطاها، مداربُرهای AC در سمت AC می‌توانند برای خاموش کردن خط DC استفاده شوند. نسبت به مداربُرهای DC، مداربُرهای AC طراحی ساده‌تری دارند و به قیمت کمتری در می‌آیند، که این موضوع سیستم دو پایانه‌ای HVDC را ارزان‌تر و آسان‌تر در نگهداری می‌کند.

سیستم چندپایانه‌ای DC (MTDC)

سیستم چندپایانه‌ای DC (MTDC) نمایانگر یک پیکربندی HVDC پیچیده‌تر است. این سیستم از چندین خط انتقال برای ایجاد ارتباط بین بیش از دو نقطه استفاده می‌کند. این تنظیمات شامل چندین ایستگاه پایانه است که هر یک با تبدیل‌کننده خود مجهز شده و همه از طریق یک شبکه خط انتقال HVDC به یکدیگر متصل شده‌اند. در این شبکه، برخی تبدیل‌کننده‌ها به عنوان مستطیل‌ساز عمل می‌کنند و برق AC را به DC تبدیل می‌کنند، در حالی که برخی دیگر به عنوان معکوس‌ساز عمل می‌کنند و برق DC را به AC برای توزیع به بارها تبدیل می‌کنند. یک اصل بنیادی سیستم MTDC این است که مجموع قدرت توسط مستطیل‌ساز‌ها باید برابر با مجموع قدرت دریافتی توسط معکوس‌ساز‌ها (بارها) باشد تا جریان برق به طور متعادل و کارآمد در شبکه متصل شده منتقل شود.

سیستم چندپایانه‌ای DC (MTDC) (ادامه)

شبکه MTDC از نظر انعطاف‌پذیری مشابه شبکه AC است، اما مزیت منحصر به فردی دارد: توانایی کنترل دقیق جریان برق در شبکه توزیع DC. با این حال، این قابلیت افزایش یافته باعث افزایش پیچیدگی می‌شود و سیستم MTDC به طور قابل توجهی پیچیده‌تر از یک سیستم دو پایانه‌ای HVDC است.

در تنظیمات MTDC، استفاده از مداربُرهای AC در سمت AC عملی نیست. برخلاف سیستم دو پایانه‌ای، استفاده از مداربُر AC خاموش کردن کل شبکه DC را به جای جدا کردن فقط خط خراب یا خط نیازمند تعمیر و نگهداری می‌نماید. برای حل این مشکل، سیستم MTDC نیاز به چندین مولفه مداربُر DC دارد، مانند مداربُرهای DC. این مداربُرهای DC تخصصی طراحی شده‌اند تا به طور ایمن مدارها را خاموش کنند یا بخش‌های خاصی را در زمان تعمیر و نگهداری یا پاکسازی خطاها جدا کنند و اطمینان از ثبات و قابلیت اعتماد شبکه را فراهم کنند.

حفظ تعادل سیستم در سیستم MTDC بسیار مهم است. مجموع جریان توسط مستطیل‌ساز‌ها باید دقیقاً با جریان مصرفی توسط معکوس‌ساز‌ها مطابقت داشته باشد. وقتی که ناگهان تقاضای قدرت از هر معکوس‌ساز افزایش یابد، خروجی قدرت DC باید به طور متناسب افزایش یابد تا بتواند بار افزایش یافته را برآورده کند. در طول این فرآیند، ضروری است که ولتاژ تامین شده و عملکرد معکوس‌ساز‌ها به طور دقیق نظارت و کنترل شوند تا از بارگیری بیش از حد جلوگیری شود که می‌تواند منجر به خرابی سیستم شود.

یکی از نقاط قوت اصلی سیستم‌های MTDC قابلیت اطمینان آنها در مواقع خروج اضطراری است. در صورت خرابی ناگهانی یکی از ایستگاه‌های تولید، سیستم می‌تواند به سرعت قدرت را از طریق ایستگاه‌های تبدیل‌کننده جایگزین هدایت کند و اختلال در تأمین برق کلی را به حداقل برساند.

کاربردهای سیستم MTDC

• یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر: تسهیل اتصال چندین مزرعه انرژی تجدیدپذیر مبتنی بر DC به شبکه‌های مختلف برق، که امکان توزیع مؤثر انرژی تمیز را فراهم می‌کند.

• انرژی بادی دریایی: امکان اتصال چندین مزرعه بادی دریایی به شبکه برق داخلی، که چالش‌های مرتبط با انتقال مقدار زیادی برق از مکان‌های دور دریایی را غلبه می‌کند.

• انتقال برق در مقیاس بزرگ: امکان انتقال برق در مقیاس بزرگ از چندین ایستگاه تولید AC دوردست به چندین مرکز بار، بهینه‌سازی توزیع برق در مناطق وسیع.

• اتصال شبکه: اجازه اتصال بین دو سیستم برق AC غیرهمزمان، افزایش ثبات شبکه و قابلیت‌های تبادل برق.

• تخصیص مجدد برق: امکان تخصیص مجدد تأمین برق در صورت خرابی در ایستگاه‌های تولید فردی، تضمین تحویل پیوسته برق به مصرف‌کنندگان.

• حمایت از شبکه AC: می‌تواند قدرت اضافی را به شبکه‌های AC بارگیری شدید ارائه دهد با استفاده از یک مستطیل‌ساز و چندین معکوس‌ساز برای تزریق برق به شبکه AC، کاهش ترافیک و بهبود عملکرد کلی شبکه.

• تپش قدرت انعطاف‌پذیر: ارائه انعطاف‌پذیری برای تپش قدرت در چندین نقطه درون شبکه، تطبیق با تقاضاهای متنوع برق و نیازهای توزیع.

سیستم‌های MTDC می‌توانند به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی شوند:

سیستم MTDC سری

در پیکربندی MTDC سری، چندین ایستگاه تبدیل‌کننده به صورت سری به یکدیگر متصل می‌شوند، مانند اجزای یک مدار الکتریکی سری. یکی از ویژگی‌های تعریف‌کننده این تنظیمات این است که جریان عبوری از هر ایستگاه تبدیل‌کننده یکسان است، زیرا توسط یکی از ایستگاه‌ها تنظیم می‌شود. با این حال، فشار الکتریکی بین ایستگاه‌های تبدیل‌کننده توزیع می‌شود، با اینکه هر ایستگاه بخشی از کل فشار الکتریکی در شبکه متصل به سری را تجربه می‌کند.

سیستم MTDC سری (ادامه)

سیستم MTDC سری می‌تواند به عنوان یک نسخه گسترش یافته از سیستم دو پایانه‌ای HVDC در نظر گرفته شود که شامل چندین ایستگاه تبدیل‌کننده متصل به سری است، مانند آنچه در نمودار همراه نشان داده شده است. معمولاً، ظرفیت ایستگاه‌های تبدیل‌کننده در سیستم MTDC سری کمتر از آنچه در سیستم‌های MTDC موازی استفاده می‌شود.

این سیستم معمولاً از لینک‌های DC یک قطبی استفاده می‌کند که خط DC تنها در یک نقطه خاص زمین شده است. برای محافظت در برابر تحریکات الکتریکی موقت، یک خازن زمین‌کردن می‌تواند در نقاط دیگر خط نصب شود به عنوان یک اقدام محافظتی اضافی.

هماهنگی عایق‌بندی در سیستم MTDC سری چالش‌های قابل توجهی دارد به دلیل ولتاژ‌های DC متفاوت در هر ایستگاه. مکانیسم کنترل جریان برق در سیستم MTDC سری پیچیده‌تر از سیستم MTDC موازی است. در سیستم MTDC موازی، جریان برق می‌تواند با تزریق جریان به خطوط خاص تنظیم شود، در حالی که در سیستم MTDC سری، کنترل جریان برق به وسیله تنظیم ولتاژ در هر ایستگاه پایانه انجام می‌شود.

معکوس کردن جریان برق در سیستم MTDC سری می‌تواند به راحتی با استفاده از هر دو نوع تبدیل‌کننده منبع ولتاژ (VSC) و منبع جریان (CSC) انجام شود. با این حال، هنگامی که خرابی یا نیاز به تعمیر و نگهداری خط خاصی وجود دارد، کل شبکه DC خاموش خواهد شد. مشابه سیستم دو پایانه‌ای HVDC، مداربُرهای AC سمت AC برای خاموش کردن شبکه DC استفاده می‌شوند. گسترش سیستم MTDC سری نیز دشواری‌هایی دارد. نصب ایستگاه‌های پایانه جدید نیاز به خاموش کامل شبکه دارد، زیرا شبکه DC حلقه‌ای باید در محل نصب شکسته شود و تأمین برق به تمام ایستگاه‌های دیگر در مسیر مختل می‌شود.

سیستم MTDC موازی

در سیستم MTDC موازی، چندین ایستگاه تبدیل‌کننده که به عنوان معکوس‌ساز یا ایستگاه بار عمل می‌کنند به یک ایستگاه تبدیل‌کننده واحد متصل می‌شوند که به عنوان مستطیل‌ساز عمل می‌کند. این ایستگاه مستطیل‌ساز قدرت به کل شبکه DC تامین می‌کند. مانند یک مدار الکتریکی موازی، ولتاژ در تمام ایستگاه‌های معکوس‌ساز یا بار یکسان است، با اینکه مقدار آن توسط یکی از ایستگاه‌های تبدیل‌کننده تنظیم می‌شود. در مقابل، تامین جریان با توجه به نیاز قدرت هر ایستگاه متفاوت است. برای حفظ تامین جریان متعادل، جریان به طور پویا بر اساس نیازهای قدرت هر ایستگاه بار تنظیم می‌شود. معمولاً، ظرفیت ایستگاه‌های پایانه در سیستم MTDC موازی بیشتر از آنچه در شبکه MTDC سری استفاده می‌شود.

سیستم MTDC موازی (ادامه)

معکوس کردن قدرت در سیستم MTDC موازی می‌تواند از طریق معکوس کردن ولتاژ یا جریان انجام شود. هنگام استفاده از معکوس کردن ولتاژ که معمولاً با ایستگاه‌های پایانه مبتنی بر تبدیل‌کننده منبع جریان (CSC) مرتبط است، تأثیری بر تمام ایستگاه‌های تبدیل‌کننده دارد. بنابراین، یک سیستم کنترل و ارتباط بسیار پیشرفته بین این تبدیل‌کننده‌ها باید پیاده‌سازی شود تا این تأثیر را مدیریت کند. در مقابل، اگر معکوس کردن قدرت از طریق روش معکوس کردن جریان انجام شود که معمولاً با ایستگاه‌های پایانه مبتنی بر تبدیل‌کننده منبع ولتاژ (VSC) مرتبط است، فرآیند بسیار ساده‌تر است. این دلیل اصلی است که VSC‌ها نسبت به CSC‌ها در سیستم‌های MTDC موازی مورد ترجیح قرار می‌گیرند.

در یک سیستم MTDC مبتنی بر VSC، از آنجا که ولتاژ ثابت است، ظرفیت ایستگاه پایانه توسط ظرفیت جریان مبدل ولتاژ تعیین می‌شود. این پیکربندی مزیت قابل توجهی در کنترل جریان برق در شبکه DC دارد. می‌توان جریان برق را با تزریق جریان به خطوط خاص تنظیم کرد که این رویکرد نسبت به مکانیسم کنترل قدرت در سیستم‌های سری که بر اساس کنترل ولتاژ در هر ایستگاه است، راحت‌تر است.

یکی از ویژگی‌های بارز سیستم MTDC موازی مقاومت آن در برابر خرابی‌ها است. اگر خرابی در هر یک از ایستگاه‌های پایانه رخ دهد، بقیه شبکه DC تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. با این حال، برای جدا کردن خطوط DC خاص مرتبط با ایستگاه خراب، نیاز به یک مداربُر DC جداگانه است. علاوه بر این، در زمان گسترش شبکه DC، نیازی به مختل کردن تأمین برق نیست. این به این دلیل است که ایستگاه‌های پایانه جدید می‌توانند به صورت موازی با خطوط موجود نصب شوند و ادغام بدون اختلال در توزیع برق جاری انجام شود.

مزیت دیگر سیستم MTDC موازی هماهنگی عایق‌بندی نسبتاً ساده‌تر آن نسبت به یک سیستم سری است. به دلیل ولتاژ ثابت در سراسر شبکه، نیازهای عایق‌بندی آسان‌تر مدیریت می‌شوند.

سیستم MTDC موازی می‌تواند به دو دسته تقسیم‌بندی شود:

سیستم MTDC شعاعی

سیستم MTDC شعاعی نوع خاصی از پیکربندی MTDC موازی است. در این تنظیمات، اگر خط انتقالی یا پیوندی شکسته شود یا حذف شود، این منجر به قطع تأمین برق به یک یا چند ایستگاه تبدیل‌کننده خواهد شد. این ویژگی سیستم MTDC شعاعی را نسبتاً آسیب‌پذیر در برابر سناریوهای خرابی نقطه واحد می‌کند، زیرا هر اختلال در خط انتقال می‌تواند تأثیر مستقیمی بر تأمین برق به بخش‌هایی از شبکه داشته باشد.

شکل ارائه شده یک تنظیم را نشان می‌دهد که در آن چهار ایستگاه معکوس‌ساز به یک ایستگاه مستطیل‌ساز متصل شده‌اند. در این تنظیمات، واضح است که اگر خط خاصی شکسته شود، این منجر به قطع تأمین برق به حداقل یک ایستگاه پایانه خواهد شد. این آسیب‌پذیری سیستم MTDC ش