تحقیق مقاله سیستم HVDC

دیباچه

جهت انتقال انرژی الکتریکی از نیروگاه ها به مصرف کنندگان یک سیستم قدرت بهم پیوسته‌ای مورد نیاز می‌باشد. اجزای اصلی سیستم قدرت شامل مراکز تولید انرژی ، ایستگاه‌ها و خطوط انتقال می‌باشد.

با توجه به رشد روز افزون مصرف انرژی الکتریکی ، سیستم‌های قدرت نیز توسعه یافته و به علت ضرورت افزایش قابلیت اطمینان و تأمین شرایط فنی و اقتصادی هر چه مطلوبتر ، سیستم‌های قدرت بهم اتصال یافته و یک سیستم قدرت بزرگ را تشکیل می‌دهند.

هر چند که انتقال انرژی بوسیله سیستم‌های DC هزینه اولیه زیادی می‌طلبند ولی برخی از مشکلات سیستم‌های AC مانند سنکرونیزم و پایداری را ندارد لذا بجای انتقال‌های بصورت EHV-AC و UHV-AC استفاده از سیستم‌های HVDC مطلوبتر است.

بهر صورت گسترش روز افزون سیستمهای قدرت و ضرورت اتصال سیستم‌های مناطق بزرگ و حتی شبکه‌های کشورهای مجاور به یکدیگر به منظور تشکیل شبکه‌های بزرگتر از یک طرف و لزوم انتقال انرژی در قدرت‌های بسیار زیاد و به مسافت‌های طولانی و برخی ملاحظات فنی و اقتصادی از طرف دیگر ، توسعه انتقال جریان مستقیم را بیش از پیش مطرح می‌سازد.

به همین علت در این پروژه به بررسی اجمالی سیستم‌های قدرت HVDC می‌پردازیم.

در فصل اول این پروژه ابتدا به بیان معیارهایی برای انتخاب سیستم‌ HVDC پرداخته و سپس به بررسی انواع سیستم‌های HVDC معطوف گشته و سپس مزایا و معایب شبکه‌های HVDC به اختصار بیان شده است و در نهایت یک ارزیابی کلی از سیستمهای HVDC بعمل آمده است.

در فصل دوم نیز به بررسی انواع سیستم‌های کنترل HVDC اعم از مبدل‌ها و زاویه آتش و شبکه HVDC پرداخته شده است و سپس سطوح مختلف کنترل در سیستم‌های HVDC مطرح شده و یک سیستم کنترلی غیر خطی قوی ( Robust ) تشریح شده و در نهایت یک ارزیابی از سیستم‌های کنترلی بعمل آمده و شمای طبقاتی ساده‌ای از یک سیستم کنترل بیست و چهار پالسه ترسیم شده است.

در فصل سوم به بررسی اجمالی هارمونیک‌های تولیدی در سیستم‌ HVDC پرداخته و نحوه فیلترینگ آنها مطرح شده است. در این فصل انواع فیلترها و کاربردهر کدام ، تأثیر امپدانس شبکه بروی فیلترینگ، طراحی فیلتر تنظیم شونده و خلاصه ای از فیلترهای فعال و غیر فعال بیان شده است و در نهایت ارزیابی  صورت گرفته است.

در فصل چهارم نیز که آخرین فصل این پروژه می‌باشد، به بررسی کامل یک کنترلر با منطق فازی به منظور تنظیم فرکانس سمت AC یکسو کننده پرداخته شده است و در نهایت نیز یک ارزیابی جامع از این نوع کنترلر بعمل آمده است.

بخش اول

انواع سیستمهای HVDC

مقدمه

در نخستین سالها الکتریسته به شکل مستقیم (DC) مورد استفاده قرار میگرفت که نمونه بارز آن باطریهای الکترو شیمیایی بودند که در تلگراف کاربرد وسیعی داشت.

در اولین نیروگاه برق که در سال 1882 توسط ادیسون در شهر نیویورک احداث گردید از ماشین بخار و دیناموهای جریان مستقیم برای تولید برق استفاده شد و نیروی حاصله به همان فرم DC از طریق کابلهای زیرزمینی توزیع و مصرف شد. در سال 1880 تا 1890 با ساخت ترانسفورماتورها وژنراتورهای القایی شبکه‌های انتقال AC توسعه فراوانی پیدا کرد ، بطوریکه این نوع شبکه بر شبکه‌های DC مسلط شد. علی رغم این موضوع ، در این سالها مهندسان تلاش زیادی جهت مرتفع ساختن مشکلات شبکه‌های انتقال DC به انجام رساندند ، بطوریکه رنه تیوری1 در سال 1889 با سری کردن ژنراتورهای DC توانست به ولتاژ بالایی جهت انتقال DC دست یابد و در انتهای خط هم تعدادی موتور DC را با هم سری کرده و هر یک از این موتورها را با بک ژنراتورDC یا AC با ولتاژ کم کوپل کرده بود.

از این نوع سیستم تا سال 1911 حدود 20 پروژه در اروپا به اجرا درآمد که مهمترین آن در فرانسه بین موتیرز2 در کوههای آلپ فرانسه و شهر لیون با فاصله‌ای حدود km20 و سطح ولتاژ kv125 تا سال 1937 مورد بهره‌برداری قرار گرفت.

به هر حال با توجه به محدودیت ماشین‌های DC مشخص بود که توسعه بیشتر HVDC به مدلهایی با کیفیت بهتر از این نوع ماشین‌ها نیاز داشت، به همین دلیل عده‌ای به طرح دیگری از مبدلها پرداختند.

در سال 1932 مارکس در آلمان مبدلهایی با قوس هوا ابداع کرد که باسویچینگ قوس بین دو الکترود مشابه، جریان متناوب قابل تبدیل به جریان مستقیم می‌شدند ولی این نوع مبدل اشکالاتی از جمله عمر کم الکترودها،  افت ولتاژ نسبتاً زیاد (V500 روی قوس) و همچنین توان تلفاتی زیاد برای قوس و برای دمیدن هوای خاموش کننده قوس و خنک کنندگی حدود 3% قدرت انتقالی داشت.

در سال 1930 برای اولین باردیوهای جیوه‌ای مجهز به الکترود کمکی ساخته شدند، این نوع دیودها قابلیت کار در حالت اینورتری را نیز داشتند به این ترتیب در سالهای بعد مبدلهای شبکه‌ انتقال DC به دیودهای مذکور مجهز شدند.

اولین خطوط HVDC با استفاده از این نوع مبدلها در طول جنگ جهانی دوم در کشور آلمان احداث شد، این خط به طول km115 و ولتاژ kv400 و ظرفیت انتقال قدرت Mw60 با کابل زیرزمینی مورد بهره‌برداری قرار گرفت.

همچنین در این سالها خطی بین مسکووکاشیراباطول km112 و ظرفیت Mw30 و ولتاژ kv100+ که عمدتاً با استفاده از کابل و بعضی از قستمها هوایی بوده است، ایجاد شد.

انتقال انرژی الکتریکی با استفاده از سیستم فشار قوی جریان مستقیم ( HVDC )به عنوان مکمل سیستم‌های فشار قوی متناوب (HVDC ) و حتی در مواردی جایگزین آن از دهه ششم قرن میلادی حاضر، مطرح بوده است. حدود Gw50 توان انتقال می‌دهند.

به عنوان نمونه میتوان از سیستم ایتایپو1 در برزیل یاد کرد. این سیستم Gw 3/6 توان تحت ولتاژ kv600+ در فاصله‌ای به طول km800 انتقال می‌دهد.

با بررسی سیستم‌های  HVDC ساخته شده می‌بینیم که در بعضی از موارد انتقال انرژی با جریان مستقیم تنها راه چاره موجود است و مشکلات فنی اجازه نمی‌دهند از جریان متناوب برای این کار استفاده شود، به عنوان مثال انتقال توان با کابل از طریق دریا در فواصل طولانی یا ارتباط میان شبکه‌های با فرکانس متفاوت چاره‌ای جز استفاده از سیستم‌DC نیست. در برخی دیگر از سیستمهای HVDC که برتری اقتصادی انتقالDC درآن مورد نسبت به انتقال ACسبب انتخاب HVDC شده است.

مثلاً با توجه به اینکه انتقالDC را می‌توان با دو یا یک هادی ( به جای سه هادی درAC  ) انجام داد.

انتقال حجم زیادی از توان در فواصل طولانی( بیش از km800) بصورت DC نسبت به AC  با صرفه ‌تر است. در بعضی از موارد پارامترهای دیگری از قبیل بهبود پایداری، حفظ سطح اتصال کوتاه ، کنترل پذیری بیشتر هم مطرح می شوند که علی رغم داشتن هزینه برابر یابیشتر سیستم‌DC بر AC ترجیح داده می‌شود.

پیشرفت‌های روز افزون در ساخت ادوات نیمه‌هادی برای توان‌های بالاتر با قیمتهای ارزانتر راه استفاده ازانتقال جریان مستقیم را هموارتر کرده است.

معیارهایی از سیستم انتقال HVDC

سیستم HVDC بخاطر یک یا چند دلیل از دلایل زیر نسبت به سیستم AC در ولتاژهای بالا ارجحیت دارد:

1 برای خطوط انتقال بلند با قدرت انتقالی بالا.

از نظر اقتصادی و بدون در نظر گرفتن تلفات کم در خطوط انتقال، از سیستم HVDC استفاده می‌شود. بهر حال HVDC به تجهیزات ایستگاه‌های تبدیل کننده اضافی احتیاج دارد.

در انتقال قدرتهای بالا در فواصل زیاد مجموع تلفات سیستم‌ DC کمتر از سیستم AC است بطور کل در شرایط یکسان ، تصمیم‌گیری بر اساس علم اقتصاد برای انتخاب یک طرح صورت می‌گیرد.

خطوط HVDC احتیاج به ایستگاه‌های میانی برای متعادل سازی ندارند ولی خطوط EHV-AC به این ایستگاه‌ها احتیاج دارند که در شرایط یکسان تلفات ایستگاهها در خطوط HVDC کمتر از خطوط EHV-AC میباشد.(شکل « 1-1»)

2 برای متصل کردن دو سیستم (شبکه) AC که دارای سیستم کنترل بار فرکانس می‌باشند.

سیستم HVDC چند مزیت نسبت به سیستم AC دارد. سیستمهای HVDC برای سنکرون کردن دو سیستم AC  بکار می‌روند و خود این سیستمها احتیاج به سیستم‌های دیگری برای سنکرون شدن ندارند.

با HVDC ، قدرت انتقالی کنترل می‌شود و اغتشاشات در فرکانس وجود ندارد و حالات زود گذر در شبکه AC در هر دو طرف می‌تواند در حد مطلوب بهبود داد شود.

3 برای ایستگاه‌های سنکرونیزاسیون پشت به پشت1

در جایی که بخواهند دو سیستم AC  با فرکانس مختلف را بهم متصل کنند، می‌توان از ایستگاه مبدل HVDC استفاده نمود و با استفاده از سیستم ، میزان توان انتقالی و مبادله شده بین آنها را کنترل نمود.

4 اتصال چند شبکه جریان متناوب فشار قوی

این امکان توسط سیستم HVDC جدید قابل اجرا است و بوسیله آن سه یا چند شبکه AC می‌توانند بصورت سنکرون به هم متصل شوند.

قدرت جاری شده در هر یک از سیستم‌های AC متصل، میتواند کنترل شود و همچنین قدرت‌های زیادی می‌تواند منتقل شود.

5 برای کابلهای انتقال زیرزمینی و زیر دریایی

این کابلها برای فواصل متوسط و ولتاژهای بالا و انتقال قدرت در دریا و اقیانوس مورد استفاده می‌باشند.

خسارت ناشی از درجه حرارت حاصل شده بوسیله جریان های شارژ خازنی کابل، محدودیتی برای بارها می‌باشند. در هر ولتاژ مشخص محدودیتی برای طول کابل و همچنین محدودیتی برای انتقال توان توسط کابل می‌باشد و در این حالت کابل‌های HVDC ضروری می‌باشند.

انواع سیستم‌های HVDC

یک سیستم انتقال HVDC ، انرژی الکتریکی را از یک یا چند ایستگاه AC از طریق جریان مستقیم به ایستگاه‌های دیگر  AC منتقل می‌کند و نیز توان را توسط چند ترمینال به شکل جریان مستقیم بین سه یا چند ایستگاه AC منتقل می‌کند.

سیم تک قطبی1

این سیستم انتقال ، دارای یک قطب و زمین به عنوان مسیر برگشت جریان می‌باشد، به عبارت دیگر در این سیتم جریان و قدرت از طریق هادی های خطوط و زمین که مانند یک هادی می‌باشد انتقال پیدا می‌کند.

سیستم‌های تک قطبی HVDC برای قدرتهای نسبتاً کم مورد استفاده قرار می‌گیرند و عمدتاً توسط کابل انتقال می‌یابند.

در بعضی از طرح‌های سیستم‌های تک قطبی به سادگی به سیستم‌های دو قطبی تبدیل می‌شوند ( به وسیله اضافه کردن ایستگاه و قطب خطوط).

جریان جاری در سیستم انتقال تک قطبی اجرا شده شکل(1-2) بین 200 تا 800 آمپر است.

جریان زمین در مسیری که در این طرح‌ها پیش‌بینی شده جاری می‌شود، مسیر زمین کم هزینه و مقاومت کمتری دارد و در نتیجه هادی کمتری استفاده می‌شود که سهم زیادی در اقتصاد سیستم دارد.

سیستم تک قطبی ارزشی معادل نیمی از سیستم دو قطبی دارد و هم ارزش است با طرح EHV-DC برای کابلهای زیر دریایی طولانی تا طول km25 و قدرت بالایی تا

حدود Mw 250. برای چنین کابلهایی توسط سیستم AC عملی نیست ، زیرا جریان شارژ خازنی بالای AC حرارترا در کابلها افزایش داده و علاوه لذا تلفات زیاد به کابل نیز آسیب می‌رساند.