ثنائيات الجهد العالي لأنظمة نقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد (HVDC)

مكثفات وثنائيات الجهد العالي لنقل التيار المستمر عالي الجهد

الملخص

تُعدّ محطات تحويل التيار المستمر عالي الجهد (HVDC) أكبر أنظمة الطاقة الإلكترونية عالية الجهد في العالم، وتعتمد موثوقيتها على مكونات سلبية يسهل الاستهانة بها. تشرح هذه المقالة أدوار مرشح التيار المستمر، ودائرة التخميد، ودرجة الجهد، والضغط الذي يتحمله كل مكون، وكيفية اختيار مكثفات ومقاومات وثنائيات الجهد العالي لمحطات التحويل التي تعمل لعقود.

1. سياق التطبيق: المحولات في كلا الطرفين

تقوم وصلة التيار المستمر عالي الجهد بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر عند طرف الإرسال، ثم تعيده إلى التيار المستمر عند طرف الاستقبال. ينتج كل محول توافقيات وظواهر عابرة ناتجة عن التبديل، والتي يجب على الشبكة السلبية امتصاصها.

يتم ترشيح جانب التيار المستمر لمنع وصول التوافقيات إلى الخط، ويتم حماية كل صمام بواسطة دوائر تخميد وشبكات تدرج. تحمل مكثفات الترشيح تيار التموج للمحول بشكل مستمر - وهو أصعب مهمة في المحطة بعد الصمامات نفسها.

2. المتطلبات الفنية

2.1 تيار مرشح التيار المستمر. يمتص مكثف الترشيح التوافقيات المميزة للمحول:

2.2 مخمد الصمام. يحد المخمد من سرعة الإيقاف العابرة عبر أشباه الموصلات:

2.3 التقييم والمشاركة. تحتاج مجموعات الصمامات المتسلسلة إلى مسارات تسريب متطابقة حتى يتم تقسيم جهد التيار المستمر بالتساوي:

2.4 التوافقيات المميزة. يُنتج محول التيار ذو التبديل الخطي توافقيات مميزة على كلا الجانبين. أما على جانب التيار المستمر، فإن الرتب السائدة هي مضاعفات النبضة 12:

يُعدّ مرشح التيار المستمر مصيدة مضبوطة لهذه التوافقيات، ويجب أن تحمل مكثفاته تيار التوافقيات من كل رتبة بشكل مستمر. ولهذا السبب، يبدأ اختيار مكثفات المرشح من طيف التوافقيات - أي التيار عند كل رتبة - بدلاً من قيمة سعة واحدة.

الشكل 1 - محطة محول التيار المستمر عالي الجهد: الصمامات، مرشح التيار المستمر وخط النقل.

3. نقاط ضعف المهندسين (ملاحظات ميدانية)

4. مقارنة المكثفات لخدمة المحول

كيفية استخدام هذه المقارنة. بالنسبة لمحطة تحويل تعمل بين عمليات الصيانة الدورية، تُعتبر درجة مرشح الجهد العالي (HVC) هي الأساس: فمعدل التيار التوافقي هو المواصفة التي تحدد عمر المكثف. بالنسبة لمحول صغير ثنائي الاتجاه ذي حمل خفيف، قد يكون استخدام مرشح متوسط ​​الجودة مقبولاً، ولكن يجب التحقق من معدل التيار الخاص به مقارنةً بالطيف أولاً. يجب أن تكون شبكة التصنيف ذات معامل درجة حرارة منخفض ومتطابقة دائمًا - فدقة المشاركة تحمي كل صمام في المجموعة.

5. الاختيار وحل HVC

6. دراسة حالة هندسية (مرجع)

المحطة المعنية عبارة عن وصلة ثنائية الاتجاه بقدرة 3 جيجاواط وجهد ±500 كيلوفولت، وكانت تستبدل مكثفات ترشيح التيار المستمر كل 18 شهرًا، وتسجل عطلًا واحدًا في إيقاف الصمام كل ثلاثة أشهر. أظهر التحليل أن أجزاء الترشيح مصممة للعمل مع التيار المستمر فقط، وأن شبكة التدرج قد انحرفت عن التوافق. تضمنت عملية التحديث تركيب مكثفات ترشيح N4700 مصممة للعمل مع التيار المستمر، وشبكات تدرج HVR ذات معامل درجة حرارة منخفض، ومخمدات منسقة.

تعمل المحطة الآن بين عمليات الصيانة دون انقطاعات غير مخطط لها. في أنظمة نقل التيار المستمر عالي الجهد، تُعدّ الشبكة السلبية العمود الفقري الهادئ - قيّمها وفقًا للتوافقيات وستدوم أطول من أي صمام.

مناقشة الحالة. كشفت درجة حرارة مكثف المرشح عن الحقيقة: عند 88 درجة مئوية، كان يعمل عند حده المقنن، لذا فإن أي ارتفاع مفاجئ في درجات الحرارة خلال الصيف كان يؤدي إلى تجاوزه. لم يقتصر إصلاح المحطة على استبدال الأجزاء فحسب، بل شمل أيضًا تغيير تدفق الهواء لضمان بقاء المكثف الأكثر سخونة دون منحنى خفض القدرة. الدرس الثاني هو طيف التوافقيات. لطالما اعتمد مهندس المحطة على قيمة السعة لتحديد حجم المرشح؛ بينما اعتمد الإصلاح على قياس تيار التوافقيات لكل رتبة، وهو الرقم الذي يُسخن الجزء فعليًا. تنطبق هاتان الممارستان - قياس الإجهاد الفعلي، ثم خفض القدرة وفقًا للبيئة الفعلية - على كل محول: مرشح التيار المستمر، ومخمدات الاهتزاز، وشبكة التدرج، جميعها تعتمد في عملها على ظروف التشغيل، وليس على بيانات المواصفات. إذا تم ضبط الأرقام بشكل صحيح مرة واحدة، ستعمل المحطة لسنوات.

7. اعتبارات التصميم

• تصنيف التيار التوافقي: يتم إجهاد مكثف مرشح التيار المستمر بواسطة الطيف التوافقي للمحول، وليس مستوى التيار المستمر - احصل على الطيف وقم بتقييم الجزء بناءً عليه.
• المقاومة المكافئة المتسلسلة (ESR) عند تردد التبديل: تؤدي خسائر المرشح عند تردد المحول إلى تحديد درجة حرارة المكثف؛ وتؤدي الأجزاء ذات المقاومة المكافئة المنخفضة إلى مضاعفة العمر عند نفس التيار.
• مقاومة التدرج TCR: يعتمد توزيع التيار المستمر عبر مجموعات الصمامات المتسلسلة على مقاومات متطابقة ذات معامل درجة حرارة منخفض - حيث يؤدي الانحراف بمقدار 100 جزء في المليون/درجة مئوية إلى عدم توازن المجموعة في الطقس الحار.
• تنسيق المخمد: يجب تنسيق سعة التخميد ومقاومة التخميد مع خاصية إيقاف تشغيل الصمام - قم بالقياس، ثم حدد الحجم.
• موثوقية على مدى عقد من الزمن: تم تصميم محطات التحويل لأكثر من 30 عامًا؛ فهي تتطلب بيانات الأشعة تحت الحمراء وبيانات التفريغ الجزئي على المدى الطويل، وليس أرقام السنة الأولى.
• الاستشعار الزائد: تتيح سلاسل التقسيم والاستشعار المزودة بأنظمة احتياطية لنظام التحكم تجاوز عطل عنصر واحد.

قائمة التحقق من الصحة.

1. قم بقياس طيف تيار مكثف المرشح وتأكد من أن كل توافقية تقع ضمن النطاق المقنن.
2. تحقق من درجة حرارة غلاف المكثف أثناء تشغيل المحول وفقًا للمواصفات.
3. سجل نسبة جهد التيار المستمر عبر مجموعة الصمامات من درجة حرارة محيطة باردة إلى درجة حرارة محيطة ساخنة.
4. قم بتشغيل اختبار إيقاف تشغيل المخمد وتأكد من أن معدل تغير الجهد (dv/dt) أقل من الحد المسموح به للجهاز.
5. قم بإجراء اختبار التفريغ الجزئي عند الجهد المقنن وتأكد من أن المستويات ضمن المواصفات.

الاستنتاج.

تُبنى محطات نقل التيار المستمر عالي الجهد لنقل الجيجاوات لعقود، ويجب أن تتوافق شبكتها السلبية مع هذا الطموح. توفر مرشحات N4700 ذات تصنيف التيار، وتصنيف HVR منخفض معامل درجة الحرارة، ومخمدات الفقد المنخفض من HVC، للمحول البنية التحتية الهادئة التي يحتاجها - قد تكون الصمامات هي العناصر الأساسية، لكن المكونات السلبية هي الأساس.

8. المراجع

1. IEC 62501:2009، صمامات محول مصدر الجهد (VSC) لنقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد (HVDC)جنيف، سويسرا: اللجنة الكهروتقنية الدولية.
2. شركة ABB AB، إضاءة HVDC — حان وقت الاتصاللودفيكا، السويد: ABB.
3. آر دبليو إريكسون ودي ماكسيموفيتش، أساسيات إلكترونيات القدرة، الطبعة الثالثة. تشام، سويسرا: سبرينغر، 2020.
4. إن. موهان، تي إم أنديلاند، و دبليو بي روبنز، إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية: وايلي، 2003.
5. 王兆安、刘进军主编,《电力电子技术》(تقنية إلكترونيات الطاقة), 第5版. 北京: 机械工业出版社، 2009. (بالصينية)

صفحات منتجات HVC ذات الصلة: مكثفات مقابض الأبواب عالية الجهد.