تحديثات محوّلات الجهد العالي في محطات الطاقة

1 الهيكل الأساسي وآلية التشغيل للمحوّلات ذات الجهد العالي

1.1 تركيب الوحدات

• وحدة التحويل: تقوم هذه الوحدة بتحويل الطاقة الكهربائية المدخلة ذات الجهد العالي من التيار المتردد إلى التيار المستمر. تتكون قسم التحويل بشكل أساسي من مقاومات ثنائية الاتجاه، أو أشباه الموصلات القوية الأخرى لتحقيق التحويل من التيار المتردد إلى التيار المستمر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق تنظيم الجهد والتعويض عن الطاقة في نطاق معين عبر وحدة التحكم.

• وحدة تصفية التيار المستمر: يتم معالجة التيار المستمر بعد التحويل بواسطة دارة تصفية لتقليل التقلبات في الجهد، مما يشكل جهدًا مستقرًا للخط المستمر. هذا الجهد لا يوفر الدعم الطاقي لمرحلة العاكس اللاحقة فحسب، بل يلعب أيضًا دورًا مهمًا في ضمان استقرار الجهد المخرج والاستجابة الديناميكية.

• وحدة العاكس: يتم تحويل التيار المستمر المرشح مرة أخرى إلى التيار المتردد في وحدة العاكس باستخدام أشباه الموصلات القوية مثل IGBT والتكنولوجيا التناظرية للعرض النبضي (PWM). من خلال تعديل نسبة العمل وتكرار التحويل للإشارة PWM، يمكن للعاكس التحكم بدقة في سعة وتكرار الطاقة المخرجة ذات التيار المتردد، مما يلبي احتياجات الأحمال المختلفة مثل المحركات والمراوح والمضخات. تتيح هذه التكنولوجيا للعاكس توفير وظائف مثل بدء التشغيل اللين، والتحكم في السرعة بدون خطوات، وتحسين ظروف التشغيل، واقتصاد الطاقة.

1.2 آلية التشغيل

تستخدم المحوّلات ذات الجهد العالي طوبولوجيا متعددة المستويات متسلسلة، مما ينتج موجة خرج تقترب بشكل كبير من الموجة الجيبية. يمكنها إنتاج الطاقة الكهربائية ذات التيار المتردد ذو الجهد العالي مباشرةً لتشغيل المحركات. هذا التكوين يزيل الحاجة إلى مرشحات إضافية أو محولات رفع الجهد ويقدم ميزة محتوى التوافقيات المنخفض. سرعة المحرك $n$ تحقق المعادلة التالية:

حيث: $P$ هو عدد أزواج القطب للمحرك؛ $f$ هو تردد التشغيل للمحرك؛ $s$ هو نسبة الانزلاق. بما أن نسبة الانزلاق عادة ما تكون صغيرة (عادة ما تكون في نطاق 0-0.05)، يمكن تنظيم سرعة المحرك الفعلية $n$ عن طريق تعديل تردد الإمداد للمحرك $f$. نسبة الانزلاق للمحرك $s$ مرتبط بشكل إيجابي بقوة الحمل - كلما زاد الحمل، كلما ازدادت نسبة الانزلاق، مما يؤدي إلى انخفاض في السرعة الفعلية للمحرك.

1.3 العوامل الرئيسية في الاختيار الفني

• تطابق الجهد: حدد المخططات المناسبة للتطابق مثل "عالي-عالي" أو "عالي-منخفض-عالي" بناءً على الجهد المقنن للمحرك. بالنسبة للمحركات ذات الطاقة التي تتجاوز 1,000 كيلوواط، يُوصى بالمخطط "عالي-عالي". أما بالنسبة للمحركات أقل من 500 كيلوواط، فقد يتم تفضيل المخطط "عالي-منخفض-عالي".

• تقليل التوافقيات: يمكن أن تنشأ التوافقيات بسهولة عند مداخل ومخارج المحوّلات ذات الجهد العالي. للتقليل من تأثيراتها، يمكن استخدام تقنيات التعدد أو المرشحات الإضافية. من خلال تهيئتها بشكل صحيح، يمكن السيطرة على التشوه التوافقي ضمن 5٪، مما يحقق كبح التوافقيات الفعال.

• التكيف البيئي: تتطلب المحوّلات ذات الجهد العالي أنظمة تبريد بالهواء أو الماء لضمان أن درجة حرارة الخزان الداخلي تظل أقل من 40 درجة مئوية. غالبًا ما يتم تثبيت مكيفات الهواء وجهاز التجفيف في مواقع المحوّلات. في المناطق الخاصة التي لا تحتوي على مكيفات هواء، يجب مراعاة تصنيفات درجة الحرارة للمكونات أثناء التصميم، وزيادة قدرة التهوية لأنظمة التبريد لضمان التشغيل المستقر.

2 مثال على تطبيق المحوّلات ذات الجهد العالي في محطات الطاقة

يشمل نظام الطاقة في محطة الطاقة عادةً معدات من مولدات التوربينات، الغلايات، معالجة المياه، نقل الفحم، وأنظمة إزالة الكبريت. يقوم قسم التوربين بتزويد الطاقة لمضخات التغذية والمياه الدائرية، بينما يقدم قسم الغلايات مروحة الرياح القسرية (المروحة الأولية)، والمروحة الثانوية، ومروحة الشفط، بينما يعمل قسم نقل الفحم على ناقل الحزام. من خلال استخدام المحوّلات ذات الجهد العالي للتحكم في السرعة المتغيرة لهذه الأجهزة بناءً على تغيرات الحمل، يمكن تقليل استهلاك الطاقة، وتقليل استهلاك الطاقة المساعدة، وتحسين الاقتصاد التشغيلي.

مشروع لإنتاج النيكل والحديد في موروالي بإندونيسيا، الواقع في جزيرة سومطرة، تم تكليف ثماني وحدات مولدة بقدرة 135 ميجاواط بين عامي 2019 و2023. لتحسين العمليات الداخلية وخفض تكاليف الإنتاج، تم تنفيذ تحديثات فنية تشمل تثبيت المحوّلات ذات الجهد العالي بين عامي 2023 و2024 لمضخات المكثفات للوحدات 1، 2، 3، 4، و7، وكذلك لمضخات التغذية للوحدات 2 و5.

2.1 حالة المعدات

يستخدم المشروع عملية النيكل والحديد البايرايتية مع 25 خط إنتاج، مجهزة بثمانية غلايات دورة مائعية متحركة من شركة دونغفنغ الكهربائية DG440/13.8-II1 وثمانية مجموعات مولدة بخارية متوسطة إعادة التسخين بقدرة 135 ميجاواط. يتم تجهيز كل وحدة بمضختين ثابتتين التردد، ومضختين منظمتين بواسطة متماثل هيدروليكي، وستة مراوح منظمات بواسطة متماثل هيدروليكي.

تم تصميم مضخات التغذية والمراوح مع احتياطي يتراوح بين 10٪-20٪. تعمل الوحدات 5 و6 في وضع الجزيرة بنسبة تحميل حوالي 70٪. من خلال تحسين سرعة المحرك لتتناسب مع متطلبات الحمل الفعلي وإدراج رد فعل الطاقة المتجددة إلى الشبكة، يتم تقليل استهلاك الطاقة غير الضروري من المراوح والمضخات وغيرها من المعدات، مما يقلل بشكل أكبر من خسائر الطاقة في النظام.

2.2 خطة التحديث

بناءً على حالة تشغيل المعدات الفعلية، تم تنفيذ تحديثات للمحوّلات ذات الجهد العالي لمضخات التغذية والمكثفات لمجموعات المولدات ذات القدرة 135 ميجاواط.

• تحديث مضخة التغذية: تم اعتماد تكوين "آلي واحد مقابل واحد"، حيث يتم تجهيز كل مضخة تغذية بمحوّل جهد عالي مخصص، بما في ذلك خزان تجاوز لضمان موثوقية النظام.

• تحديث مضخة المكثف: تم تنفيذ تكوين "واحد مقابل اثنين"، حيث يتم مشاركة محول جهد عالي واحد بين مضختين مكثفات، مما يحقق التوازن بين الكفاءة والتكلفة.

مع الأخذ في الاعتبار نطاق درجة الحرارة القصوى التاريخية المحلية الذي يتراوح بين 23-32 درجة مئوية، تم اختيار المكونات لتعمل في درجة حرارة محيطية 40 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تم تعديل تصميم التهوية القسري لخزان المحول بناءً على درجة حرارة الغرفة 40 درجة مئوية لضمان التبريد الفعال، مما يتجنب الحاجة إلى غرفة محول مخصصة أو أنظمة تكييف الهواء.

2.3 تقييم الفائدة الاقتصادية

بلغ إجمالي الاستثمار لهذا المشروع حوالي 6 ملايين يوان، بما في ذلك 5 ملايين يوان للمعدات، و400,000 يوان للإنشاءات، و600,000 يوان للمواد المساعدة المقدمة من العميل. تظهر الحسابات فائدة سنوية لتوفير الطاقة تبلغ 6.58 مليون يوان، مما يسمح باسترداد الاستثمار في أقل من سنة واحدة، مما يحقق الأهداف الاقتصادية المتوقعة بنجاح.

3 الخاتمة

مع التطور السريع لتكنولوجيا المحوّلات ذات الجهد العالي، توسعت تطبيقاتها بسرعة في مختلف الصناعات. في أنظمة الإنتاج في محطات الطاقة، يجب تعزيز استخدام تكنولوجيا المحوّلات ذات الجهد العالي بشكل فعال. يجب إعطاء الأولوية لتجديد الوحدات ذات ساعات التشغيل الطويلة أو تلك التي تحتاج بشدة إلى التحديث، حيث توفر مثل هذه الإجراءات قيمة اقتصادية كبيرة وأهمية استراتيجية.