دانلود مقاله سیستمهای HVDC

word قابل ویرایش
85 صفحه
16700 تومان
167,000 ریال – خرید و دانلود

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 ۱۸۸۲ 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 ۱۸۸۰ تا ۱۸۹۰ 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 تیوری۱ در سال ۱۸۸۹ 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 ۱۹۱۱ حدود ۲۰ پروژه در اروپا به اجرا درآمد که مهمترین آن در فرانسه بین موتیرز۲ در کوههای آلپ فرانسه و شهر لیون با فاصله‌ای حدود km20 و سطح ولتاژ kv125 تا سال ۱۹۳۷ 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 ۱۹۳۲ 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 ۳% قدرت انتقالی داشت.

در سال ۱۹۳۰ 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 ایتایپو۱ 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:
۱ـ 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 « ۱-۱»)

شکل (۱-۱) نمودار هزینه ـ  مسافت سیستمهای HVDC  و AC وEHV-AC

۲ـ برای متصل کردن دو سیستم (شبکه) AC که دارای سیستم کنترل بارـ 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.

۳ـ برای ایستگاه‌های سنکرونیزاسیون پشت به پشت۱
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.

۴ـ 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.

۵ـ 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
Dک 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 قطبی۱
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(۱-۲) بین ۲۰۰ تا ۸۰۰ 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.
شکل(۱-۲) نمایش یک سیستم انتقال HVDC تک قطبی

شبکه تک قطبی با بیش از یک هادی۱
در چنین سیستمی دو یا چند خط انتقال با پلاریته یکسان (منفی) وجود دارد و برگشت جریان از زمین و یا از دریا انجام می‌شود. در صورت بروز خطا در یکی از هادیها می‌توان با اتصال مبدل‌ها به هادی دیگر دارای ظرفیت اضافه‌بار می‌باشد بخشی از توان خط خارج شده را انتقال داد.
شکل(۱-۳) نمایش یک سیستم انتقال HVDC تک قطبی با دو هادی

در این شبکه برای کاهش تلفات کرونا از وجود دو و یا چند هادی استفاده شده است . محدودیت کاربرد این نوع لینک DC مانند تک قطبی همان عبور جریان از زمین می‌باشد که در این جریان در مناطق شهری باعث خوردگی الکترونیکی لوله‌ها و سازه‌های فلزی و همچنین در دریا باعث انحراف قطب‌نمای مغناطیسی شناورهای دریایی خواهد شد.

سیستم‌ انتقال دو قطبی HVDC 1
در این خطوط انتقال HVDC ایستگاه‌ها دو قطبی می‌باشند یکی مثبت و دیگری منفی. نقاط وسطی مبدل‌ها در هر ایستگاه زمین شده است و قدرت انتقال آن دو برابر تک قطبی است.
این سیستم برای انتقال قدرتهای بالا و مسافت زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک برج خط HVDC دو قطبی دو هادی دارد یکی پلاریته مثبت که از طریق بدنه برج زمین می‌شود و دیگری منفی که ولتاژ بین دو قطب دو برابر ولتاژ بین قطب وزمین است.

یک سیستم دو قطبی نرمال از دو تک قطب مجزا با یک زمین ساخته می‌شود لذا این دو قطب می‌توانند بطور مجزا و مستقل راه‌اندازی شوند. در راه‌اندازی نرمال با جریانهای مساوی جریان زمین صفر می‌باشد ولی با بروز اشکال در یکی از قطبها ، قطب دیگر می تواند نیمی از قدرت دو قطبی را انتقال دهد و لذا با بروز اشکال در یک سیستم دو قطبی ، آن سیستم می‌تواند بطور اتوماتیک به یک سیستم تک قطبی تبدیل شود.
شکل (۱-۴) نمایش یک سیستم دو قطبی

مزایا و معایب خطوط HVDC از نظر فنی
بطور خلاصه می توان مزایای فنی خطوط HVDC نسبت به خطوط HVAC و EHV-AC را به ترتیب زیر بیان کرد.
۱ـ عدم انتقال توان راکتیو
۲ـ عدم محدودیت روی طول خط بخاطر پایداری
۳ـ هر سیستم می‌تواند به طور مستقل عمل نماید در حالیکه در AC  توان عملکرد دو فاز و تکفاز موجود نیست.
۴ـ تلفات اهمی کمتر ( به خاطر نبودن اثر پوستی)
۵ـ ظرفیت بیشتر هادیها ( به خاطر ضریب توان یک)
۶ـ کرونا و تداخل امواج رادیویی کمتر
۷ـ سطح اتصال کوتاه کمتر در طرف DC و زیاد نکردن اتصال کوتاه در شبکه AC
8ـ کنترل سریع فلوی انرژی به خاطر وجود یکسو کننده‌ها
۹ـ سطح ولتاژ کلیدزنی کمتر
از نظر فنی معایب شبکه‌های DC نسبت به AC عبارتند از:
۱ـ عدم وجود کلیدهای سریع HVDC که پیدایش شبکه‌های به هم پیوسته  DC را ناممکن یا مشکل می‌کند.
۲ـ ایجاد هارومونیک زیاد توسط یکسو کننده‌ها که استفاده از فیلترها را در محل یکسو کننده‌ها ضروری می‌کند.
۳ـ توان راکتیو مصرفی توسط یکسو کننده‌ها که وجود خازنهای موازی را در محل یکسو کننده‌ها ضروری می‌کند.

ارزیابی
در جریان مستقیم تولید انرژی و تبدیل ولتاژ خصوصاً در مقادبر بزرگ بسیار مشکل بوده و نسبت به جریان متناوب گرانتر می باشد. با این وجود سیستم‌های DC برخی از مسائل و مشکلات سیستم‌های AC مانند سنکرونیزاسیون و پایداری را ندارند. ضمناً در انتقال انرژی بصورت EHV-AC و انتقال انرژی با کابل‌های عایقدار و برخی موارد دیگر، استفاده از سیستم DC ارزانتر می‌باشد.

در خطوط انتقال انرژی بصورت DC هزینه هادی، هزینه ایزولاسیون و هزینه پایه و پی در شرایط یکسان نسبت به خطوط ACاساس سیستم‌های قدرت را تشکیل می‌دهند بنابراین تنها در شرایطی که طول خط انتقال بسیار بلند باشد از سیستم‌DC استفاده می‌شود.

در انتها نیز مقایسه‌ای بین HVDC و HVAC انجام می‌دهیم:
۱ـ هزینه ساخت ایتسگاه‌های یکسو‌سازی در سیستم HVDC از هزینه ساخت پستها در HVAC خیلی بیشتر است.
۲ـ خطوط انتقال هوایی (دکلها، مقره‌ها و… ) در HVDC از خطوط انتقال هوایی در HVAC ارزانتر می‌باشد.
۳ـ کابل‌های HVDC از کابل های HVAC خیلی ارزانتر هستند و لذا برای فواصل زیاد مقرون به صرفه بوده و انتقال انرژی بوسیله HVDC ارزانتر از HVAC است.
توسط سیستم HVDC می‌توان صرفه‌جویی زیادی نمود.

بخش دوم
انواع سیستمهای کنترل HVDC

۱ـ مقدمه
۲ـ برخی از مزایای سیستم HVDC
3ـ برخی از معایب سیستم HVDC
4ـ اصول کنترل در مبدلها و و سیستمهای HVDC
5- کنترل در مبدل AC/DC
6ـ واحد فرمان آتش
۷ـ کنترل در شبکه HVDC
 ۸ـ کنترل با جریان ثابت یا ولتاژ ثابت
۹ـ مشخصه های ترکیبی در شبکه HVDC  و تغییر جهت توان
۱۰ـ تعیین میزان قدرت انتقالی
۱۱ـ کنترل ویژه در سیستمهای HVDC
12ـ کنترل فرکانس
۱۳ـ کنترل از طریق مدولاسیون توان DC
14ـ کنترل توان راکتیو
۱۵ـ کنترل با ضریب قدرت ثابت (CPF  )
۱۶ـ کنترل با جریان راکتیو ثابت   (CRO)
17ـ سطوح مختلف کنترل
۱۸ـ یک کنترل غیر قوی برای سیستمهای قدرت AC/DC موازی
۱۹ ـ ارزیابی

مقدمه
رشد سریع در مصرف انرژی الکتریکی لزوم انتقال این انرژی را در ظرفیت های بالا از مراکز تولید به مصرف ضروری ساخته است ، اما در سالهای اخیر مسائل اقتصادی در تولید و انتقال انرژی با قیمت ارزان از یک طرف ومسائل محیط زیستی نظیر آلودگی بیش از حد در شهرهای بزرگ از طرف دیگر باعث شده است که نیروگاه ها اکثرا در فواصل دور از مرکز مصرف عمده و در محل منبع سوخت ارزان تاسیس شوند و خطوط انتقال با ظرفیت بالا و طول زیاد برای انتقال انرژی ایجاد شود .

برخی از مزایا HVDC

۱ـ مقدار توان برهادی بزرگتر است .
۲ـ خط از ساختار ساده تری برخوردار است .
۳ـ از اثر برگشت زمین می توان استفاده نمود ، بنابراین هر هادی می تواند در یک مدار مستقل قرار بگیرد .
۴ـ جریان شارژینگ وجود ندارد .
۵ـ می توان در ولتاژهای بالاتر از کابلها استفاده نمود .
۶ـ دامنه اضافه ولتاژهای سوئیچینگ به مراتب کمتر از انتقال AC  است .
۷ـ چون جهت میدان الکتریکی اعمال شده به عایق کابلها ثابت است لذا عمر این عایقها بالاتر می رود .
۸ـ در صورت پیرشدن عایق کابلها، میتوان از کابلهای تحت ولتاژ کمتری استفاده کرد .
۹ـ تلفات کرونا وتداخل رادیویی آن بویژه درهوای نامساعد کمتر ازانتقال AC است.
۱۰ ـ مـورد ۹ شـرط استفاده از خطـوط باندل را در ولتاژهای بالا سبکتر می کند .
۱۱ـ لزومی ندارد که طرفیـن AC  سنـکرون باشـد حتی می توانند فرکانسهای مختلفی داشته باشند .
۱۲ـ سطح اتصال کوتاه DC  تغییر چندانی نمی کند .
۱۳ـ جـریان اتصـال کـوتاه DC  به ۲ برابر جـریان  نامی خط محدود است .

برخی از معایب HVDC
1ـ مبدل ها گران قیمت هستند .
۲ـ مبدل ها به توان راکتیو زیادی نیاز دارند .
۳ـ در صورت لزوم نمی توان بار زیادی روی مبدلها تحمیل کرد .
۴ـ ابعاد پست مبدل به خاطر وجود مناطق AC  و DC  جداگانه بزرگ است .
۵ـ تریستورها در برابر حرارت و تنشهای الکتریکی حساسند و نیاز به مواظبت و نگهداری دارند .
۶ـ نداشتن کلیدهای فشار قوی DC  در جریان بالا از امکان به هم پیوستن سیستم های HVDC  می کاهد .

اصول کنترل در مبدلها و سیستم های HVDC
کنترل در یک سیستم HVDC  شامل کنترلهای پایه به هنگام عملکرد عادی سیستم مانند ولتاژ و جریان و یا کنترل های خاص برای مقادیر ویژه ، وابسته به نوع کاربرد HVDC  در شبکه مورد نظر مانند کنترل توان راکتیو ، کنترل فرکانس و کنترل مدولاسیون توان می باشد .

کنترل در مبدل AC/DC
 نظرها و ایده ها در مورد یک سیستم کنترل مناسب و ایده ال برای یک مبدلHVDC  ممکن است متفاوت باشد ، مهمترین نیازهایی که چنین سیستمی می بایست جوابگوی آن باشد عبارتند از :
الف )آتش کردن متقارن تریستورها در حالت دائم به نحوی که هارمونیک های تولیدی ناشناخته توسط مبدل به میزان قابل توجهی کاهش یابد .

ب) مصرف کمینه توان راکتیو یعنی کا با کمترین زاویه تاخیر آتش   و کمتر ین زاویه حدآتش   ممکنه بدون افزایش خطر شکست کموتاسیون.
ج) به تغییرات عادی در ولتاژ و فرکانس شبکه تغذیه AC  حساس نباشد بخصوص وقتی که سیستم HVDC  مربوطه تنها بار متصل به نیروگاه باشد چون در این حالت انحرافات فرکانسی بزرگ در شبکه حاصل خواهد شد.
د) سرعت پاسخ کافی و حد و ناحیه پایداری بزرگ باشد بخصوص وقتی که نسبت اتصال کوتاه کوچک باشد .
ه) مبدل می باست رنج عملکرد پیوسته ای از حالت یکسوسازی تمام تا حالت اینورتری کامل داشته باشد.
و) عملکرد در حالت اینورتری با کمترین خطای کماتاسیون ممکن ، حتی در ولتاژهای اعوجاج یافته در طرف AC

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 16700 تومان در 85 صفحه
167,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد