سیستم‌های پیکربندی جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC)

جریان مستقیم ولتاژ بالا که به اختصار HVDC نامیده می‌شود، یک روش بسیار کارآمد برای انتقال توان در فواصل طولانی است و باعث کاهش قابل توجه ضایعات توان نسبت به انتقال سنتی جریان متناوب (AC) می‌شود. سیستم HVDC می‌تواند در پیکربندی‌های مختلفی پیاده‌سازی شود که هر کدام به نیازهای عملیاتی خاصی تنظیم شده‌اند. این مقاله یک مرور مختصر از انواع اصلی پیکربندی‌های سیستم HVDC ارائه می‌دهد.

سیستم‌های HVDC پشت به پشت

در پیکربندی HVDC پشت به پشت (B2B)، هر دو قطعه کلیدی مبدل، یعنی مستطیل‌ساز و معکوس‌ساز، در یک ایستگاه پایانه قرار دارند. این دو عنصر مبدل به صورت مستقیم پشت به پشت به یکدیگر متصل می‌شوند. عملکرد اصلی این پیکربندی اتصال دو سیستم توان AC جداگانه است. این اتصال از طریق تبدیل توان AC ورودی به DC از طریق مستطیل‌ساز و سپس تبدیل سریع توان 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 می‌شود و برای اتصال دو سیستم توان AC غیرهمگام استفاده می‌شود. با توجه به اتصال مستقیم پشت به پشت مستطیل‌ساز و معکوس‌ساز، نیازی به خط انتقال DC نیست. برای کاهش تعداد تایریستورهای متصل به سری، ولتاژ DC میانی به صورت عمدی در سطح پایین حفظ می‌شود. در حالی که نرخ جریان این پیکربندی می‌تواند به چند هزار آمپر برسد.

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

• وقتی دو سیستم یا شبکه‌های توان AC با فرکانس‌های متفاوت عمل می‌کنند.

• وقتی دو سیستم با فرکانس یکسان اما با اختلاف فاز عمل می‌کنند.

سیستم دوطرفه HVDC

در پیکربندی دوطرفه HVDC، دو ایستگاه پایانه متمایز وجود دارد که هر یک به عنوان ایستگاه مبدل عمل می‌کند. یک ایستگاه شامل مستطیل‌ساز و دیگری شامل معکوس‌ساز است. این دو طرف با خط انتقال HVDC متصل می‌شوند که اجازه می‌دهد توان الکتریکی به صورت کارآمد در فواصل طولانی منتقل شود. این تنظیمات برای غلبه بر محدودیت‌های انتقال سنتی AC برای انتقال توان در فواصل طولانی طراحی شده‌اند و از مزایای توان DC برای کاهش ضایعات توان و بهبود کارایی انتقال در مساحتهای جغرافیایی وسیع استفاده می‌کنند.

سیستم دوطرفه HVDC شامل اتصال مستقیم بین دو نقطه بدون هیچ خط انتقال موازی یا تپ‌های میانی در طول خط انتقال است. این ویژگی منجر به نام دیگر آن، انتقال توان نقطه به نقطه می‌شود. این سیستم برای کاربردهای تأمین توان بین دو مکان جغرافیایی دور از هم مناسب است.

یکی از مزایای قابل توجه سیستم دوطرفه HVDC عدم نیاز به شیرمدار HVDC است. در صورت نگهداری یا پاکسازی خطاهایی، می‌توان از شیرمدارهای AC روی سمت AC برای بی‌قدرت کردن خط DC استفاده کرد. نسبت به شیرمدارهای DC، شیرمدارهای AC طراحی ساده‌تری دارند و هزینه کمتری دارند که سیستم دوطرفه HVDC را اقتصادی‌تر و آسان‌تر برای نگهداری می‌کند.

سیستم چندطرفه DC (MTDC)

سیستم چندطرفه DC (MTDC) نمایانگر یک پیکربندی HVDC پیچیده‌تر است. این سیستم از خطوط انتقال چندگانه برای ایجاد اتصالات بین بیش از دو نقطه استفاده می‌کند. این تنظیمات شامل چندین ایستگاه پایانه است که هر یک با مبدل خود مجهز شده‌اند و همه آنها با شبکه خط انتقال HVDC به هم متصل شده‌اند. در این شبکه، برخی از مبدل‌ها به عنوان مستطیل‌ساز عمل می‌کنند و توان AC را به DC تبدیل می‌کنند، در حالی که برخی دیگر به عنوان معکوس‌ساز عمل می‌کنند و توان DC را به AC برای توزیع به بارها تبدیل می‌کنند. یک اصل اساسی سیستم MTDC این است که مجموع توان تأمین شده توسط ایستگاه‌های مستطیل‌ساز باید برابر با مجموع توان دریافتی توسط ایستگاه‌های معکوس‌ساز (بار) باشد تا جریان توان متعادل و کارآمد در شبکه متصل شده حفظ شود.

سیستم چندطرفه DC (MTDC) (ادامه)

شبکه MTDC از نظر انعطاف‌پذیری مشابه یک شبکه AC است، اما مزیت منحصر به فردی دارد: توانایی کنترل دقیق جریان توان در شبکه توزیع DC. با این حال، این قابلیت افزونه با افزایش پیچیدگی همراه است و سیستم MTDC به طور قابل توجهی پیچیده‌تر از یک سیستم دوطرفه HVDC است.

در تنظیمات MTDC، استفاده از شیرمدارهای AC روی سمت AC امکان‌پذیر نیست. برخلاف یک سیستم دوطرفه، استفاده از شیرمدار AC منجر به بی‌قدرت کردن کل شبکه DC می‌شود به جای جدا کردن فقط خط خراب یا نیازمند نگهداری. برای مقابله با این مشکل، سیستم MTDC به اجزای متعددی از تجهیزات مداربندی DC نیاز دارد، مانند شیرمدارها. این شیرمدارهای DC تخصصی طراحی شده‌اند تا به طور ایمن مدارها را بی‌قدرت کنند یا بخش‌های خاصی را در زمان عملیات نگهداری یا پاکسازی خطاهای جدا کنند و ثبات و قابلیت اطمینان شبکه را تضمین کنند.

حفظ تعادل سیستم در یک سیستم MTDC بسیار مهم است. مجموع جریان تأمین شده توسط ایستگاه‌های مستطیل‌ساز باید دقیقاً با جریان مصرفی توسط ایستگاه‌های معکوس‌ساز همخوانی داشته باشد. وقتی که یک افزایش ناگهانی در تقاضای توان از هر یک از ایستگاه‌های معکوس‌ساز رخ می‌دهد، خروجی توان DC باید به طور متناسب افزایش یابد تا تقاضای بار افزایش یافته را برآورده کند. در طول این فرآیند، بسیار مهم است که ولتاژ تأمین شده و عملکرد معکوس‌سازها به طور دقیق مورد نظارت و کنترل قرار گیرند 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 اجباری است. در صورت خرابی ناگهانی توان در یکی از ایستگاه‌های تولید، سیستم می‌تواند به سرعت توان را از طریق ایستگاه‌های مبدل جایگزین تغییر مسیر دهد و اختلال در تأمین توان کلی را به حداقل برساند.

کاربردهای MTDC

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

• توان بادی دریایی: امکان اتصال چندین مزرعه بادی دریایی به شبکه توان ساحلی، که چالش‌های مرتبط با انتقال مقدار زیادی توان در فواصل طولانی از مکان‌های دور دریا را رفع می‌کند.

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

• اتصال شبکه: اجازه می‌دهد دو سیستم توان AC غیرهمگام به یکدیگر متصل شوند، که پایداری شبکه و قابلیت‌های تبادل توان را افزایش می‌دهد.

• تخصیص مجدد توان: امکان تخصیص مجدد توان در صورت خرابی توان در ایستگاه‌های تولید فردی، که تضمین می‌کند توان به مصرف‌کنندگان به طور مداوم تحویل داده شود.

• حمایت از شبکه AC: می‌تواند توان اضافی به شبکه‌های AC باردار ارائه دهد با استفاده از یک مستطیل‌ساز واحد و چندین معکوس‌ساز برای تزریق توان به شبکه AC، که موجب کاهش ترافیک و بهبود عملکرد کلی شبکه می‌شود.

• استفاده انعطاف‌پذیر از توان: ارائه انعطاف‌پذیری برای استفاده از توان در چندین نقطه داخل شبکه، تطبیق با تقاضاهای متنوع توان و نیازهای توزیع.

سیستم‌های MTDC می‌توانند به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی شوند:

سیستم MTDC سری

در پیکربندی MTDC سری، چندین ایستگاه مبدل به صورت سری به هم متصل می‌شوند، مانند اجزای یک مدار سری الکتریکی. یک ویژگی تعریف‌کننده این تنظیمات این است که جریان عبوری از هر ایستگاه مبدل یکسان است، زیرا توسط یکی از ایستگاه‌ها تنظیم می‌شود. با این حال، کاهش ولتاژ بین ایستگاه‌های مبدل توزیع می‌شود و هر ایستگاه بخشی از کاهش ولتاژ کل در شبکه متصل شده به صورت سری را تجربه می‌کند.

سیستم MTDC سری (ادامه)

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

این سیستم معمولاً از لینک‌های DC تک‌قطبی استفاده می‌کند که خط DC فقط در یک نقطه خاص زمین شده است. برای محافظت در برابر شارهای الکتریکی موقت، می‌توان یک خازن زمین‌سازی در نقاط دیگر خط نصب کرد به عنوان یک اقدام محافظتی اضافی.

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

معکوس کردن جریان توان در سیستم MTDC سری می‌تواند با استفاده از هر دو نوع مبدل منبع ولتاژ (VSC) و مبدل منبع جریان (CSC) به راحتی انجام شود. با این حال، در صورت وقوع خطایی یا نیاز به نگهداری برنامه‌ریزی شده برای خط خاصی، کل شبکه DC تاریک می‌شود. مشابه سیستم دوطرفه HVDC، از شیرمدارهای سمت AC برای بی‌قدرت کردن شبکه DC استفاده می‌شود. گسترش سیستم MTDC سری نیز دشواری‌هایی دارد. نصب ایستگاه‌های پایانه جدید نیازمند تاریک کامل شبکه است، زیرا شبکه DC حلقه‌ای باید در نقطه نصب تقسیم شود، که موجب قطع تأمین توان به تمام ایستگاه‌های دیگر در مسیر می‌شود.

سیستم MTDC موازی

در سیستم MTDC موازی، چندین ایستگاه مبدل که به عنوان معکوس‌ساز یا ایستگاه بار عمل می‌کنند به یک ایستگاه مبدل واحد که به عنوان مستطیل‌ساز عمل می‌کند متصل می‌شوند. این ایستگاه مستطیل‌ساز توان را به کل شبکه DC تأمین می‌کند. مشابه یک مدار موازی الکتریکی، ولتاژ در تمام ایستگاه‌های معکوس‌ساز یا بار یکسان است، که مقدار آن توسط یکی از ایستگاه‌های مبدل تنظیم می‌شود. در مقابل، تأمین جریان بر اساس تقاضای توان در هر ایستگاه متفاوت است. برای حفظ تأمین جریان متعادل، جریان به طور پویا به پاسخ نیازهای توان ایستگاه‌های بار تنظیم می‌شود. معمولاً، ظرفیت ایستگاه‌های پایانه در سیستم MTDC موازی بیشتر از آنچه در شبکه MTDC سری است.

سیستم MTDC موازی (ادامه)

معکوس کردن توان در سیستم MTDC موازی می‌تواند از طریق معکوس کردن ولتاژ یا معکوس کردن جریان انجام شود. وقتی از روش معکوس کردن ولتاژ استفاده می‌شود که معمولاً با ایستگاه‌های پایانه مبتنی بر مبدل منبع جریان (CSC) مرتبط است، تأثیر آن بر تمام ایستگاه‌های مبدل است. بنابراین، یک سیستم کنترل و ارتباط بسیار پیشرفته بین این مبدل‌ها باید پیاده‌سازی شود تا این تأثیر را مدیریت کند. از طرف دیگر، اگر معکوس کردن توان با استفاده از روش معکوس کردن جریان انجام شود که معمولاً با ایستگاه‌های پایانه مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ (VSC) مرتبط است، فرآیند بسیار ساده‌تر است. این دلیل اصلی است که VSC‌ها در سیستم‌های MTDC موازی ترجیح داده می‌شوند.

در یک سیستم MTDC مبتنی بر VSC، چون ولتاژ ثابت است، ظرفیت ایستگاه پایانه توسط نرخ‌های جریان مبدل صمامی تعیین می‌شود. این تنظیمات مزیت قابل توجهی در کنترل جریان توان در شبکه DC ارائه می‌دهند. می‌توانند جریان توان را با تزریق جریان به خطوط خاص به طور دقیق تنظیم کنند، که یک روش راحت‌تر نسبت به مکانیسم کنترل توان در سیستم‌های سری که به وسیله تنظیم ولتاژ در هر ایستگاه انجام می‌شود، است.

یکی از ویژگی‌های قابل توجه سیستم MTDC موازی، تحمل آن در برابر خطاهایی است. اگر خطایی 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 شیرمدار DC جداگانه است. علاوه بر این، در زمان گسترش شبکه DC، نیازی به قطع تأمین توان نیست. این به این دلیل است که ایستگاه‌های پایانه جدید می‌توانند به صورت موازی با خطوط موجود نصب شوند، که ادغام بدون وقفه را بدون مختل کردن توزیع توان در حال انجام امکان‌پذیر می‌کند.

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

سیستم MTDC موازی می‌تواند به دو دسته تقسیم‌بندی شود:

سیستم MTDC شعاعی

سیستم MTDC شعاعی یک نوع خاص از پیکربندی MTDC موازی است. در این تنظیمات، اگر شکستی در یک خط انتقال یا حذف یک لینک رخ دهد، منجر به قطع تأمین توان به یک یا چند ایستگاه مبدل می‌شود. این ویژگی سیستم MTDC شعاعی را در برابر سناریوهای خرابی تک نقطه آسیب‌پذیر می‌کند، زیرا هر اختلال در خط انتقال می‌تواند تأثیر مستقیمی بر تأمین توان به بخش‌های خاصی از شبکه داشته باشد.

شکل ارائه شده یک تنظیمات را نشان می‌دهد که در آن چهار ایستگاه معکوس‌ساز به یک ایستگاه مستطیل‌ساز متصل شده‌اند. در این تنظیمات، واضح است که اگر شکستی در یکی از خطوط رخ دهد، به طور حتم منجر به قطع تأمین توان به حداقل یک ایستگاه پایانه می‌شود. این آسیب‌پذیری سیستم MTDC شعاعی را نسبت به سیستم‌های MTDC شبکه‌ای یا حلقه‌ای کم‌اعتماد‌تر می‌کند.

سیستم MTDC شبکه‌ای (حلقه‌ای)