تطبيق نظام Gtos الخاص بنظم الانتقال العالية المدى

مقدمة إلى شركة غيت تيرن أوف تيرستر في شركة HVDC Transmission

كما أن نظم الانتقال ذات التوجه العالي للتطورات الصناعية (HVDC) تشكل العمود الفقري لنقل الطاقة الكهربائية الحديثة البعيدة المدى، مما يتيح الربط الفعال بين الشبكات المتناثرة وتكامل مصادر الطاقة المتجددة النائية، وفي قلب العديد من نظم تحويل الطاقة الكهربائية ذات المصدر العالي تكمن في نظام Gate Turn-Off Thyristor (GTO)، وهو جهاز شبه موصل يُقدم خدماته على مستوى أعلى من الرقابة.

ما هو GTO ولماذا هو ما يهم ل HVDC؟

(أ) جهاز تحويل محرك ثلاثي المدى يمكن تحويله من نبض البوابة، وبشكل حاسم، إيقافه عن طريق تطبيق بوابة سلبية، وتميز هذه القدرة الكاملة على التحول عن استخدامات غذائية موحدة، تعتمد على الدائرة الرئيسية التي يمكن أن تتحول إلى متغيرات.

GTO-Based HVDC Converter Topologies

ويعتمد إدماج النظم العالمية للمواقع التجارية في نظمها الخاصة بمراكز تحويلات المركبات على تشكيلات محددة تستغل قدرتها على التحول، وأهمها هي المحولات ذات المصدرين الثنائي والمتحول المتعدد المستويات من الوحدات، وفي حين أن هذه الوسائط أصبحت مهيمنة في مشاريع حديثة للتعاون التقني فيما بين البلدان النامية بسبب قدرتها على التكرار وتشويهها الوئامي المنخفض، فإن تطبيقات التحول من مستوى عالمي لا تزال قائمة على مستويات أقدم.

منحرفان من طراز فولتاج - سورس مع منظمة GTOs

وفي إطار برنامج VSC ذي مستويين، تتألف كل مرحلة من مراحل سلسلة من المتغيرات العالمية (التي غالباً ما تكون معدودة مضادة للقلب) لتشكل صماماً متغيراً، وتحافظ حافلة العاصمة على ارتفاع حجمها، وتتكون من موجة مربوطة بمستويات فولتية (+Vdc و-Vdc) وتستخدم فيها تقنيات الارتفاع المتحول

المتحولون المتعددو المستويات والمعارض العامة

ومع أن مشاريع شركة MVDC تُضخ إلى ارتفاع مستويات الفولط والكهرباء، فقد أصبح المحولات المتعددة المستويات الخيار المفضل لدى شركة MMC، حيث تتألف كل مرحلة من عدة وحدات فرعية، تحتوي على متحولات من نوع GTO (أو موصلات أخرى) ومشغلة، وباختلاف عدد الندوات الفرعية التي تُدرج في المسار الحالي، يمكن للمحول أن يُحدث موجة من الميزات الضمنة.

اعتبارات التصميم الخاصة بنظم الـ HVDC القائمة على أساس النظام العالمي لمراقبة التجارة العالمية

ويتطلب تنفيذ النظم العالمية لأفضل التقنيات في نظام HVDC اهتماماً دقيقاً بالتصميم الكهربائي والحراري والميكانيكي لضمان التشغيل الموثوق به على مدى عقود من الخدمة، وتوضح الفروع التالية العوامل الهندسية الرئيسية التي يجب معالجتها.

تصميم بوابة السيارات ودائرة نوببر

ويجب على وحدة دفع البوابة (GDU) لجهاز GTO أن تحقق ذروتها العالية (مئات الأمبيرات) لقلب الجهاز بسرعة، وبصورة أكثر أهمية، نبضاً معاكساً لإيقافه، وعملية التحويل تتطلب بشكل خاص: يجب على وحدة التنويم العالمي أن تستخرج من موقع سلبي يتكون عادة من خمسة إلى ثلث أجهزة التصاميم التي تُعد بسرعة.

الإدارة الحرارية

وتشتت حرارة المحركات النباتية الكبيرة أثناء التبديل والتصريف، حيث تصل درجات الحرارة إلى 125 درجة مئوية في كثير من الأحيان تحت الحمولة الكاملة، كما أن الإدارة الحرارية الفعالة أمر حاسم لمنع فشل الأجهزة، كما أن المغسلات الحرارية الكبيرة أو المغسلة الحرارية تُضخ مباشرة إلى مجموعة مواد التحلل الحراري، وتُستخدم الهواء أو التبريد السائل لإزالة الحرارة.

تقاسم الأعضاء وحمايتهم

وعندما تكون محركات GTO متعددة مرتبطة بسلسلة لحجب ارتفاع حجم المحركات في العاصمة، فإن التباينات الطفيفة في الوقت الحالي والوقت الذي يستغرقه التحول يمكن أن تؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للفولط، ويتحقق تقاسم الفولط الثابت من خلال وضع مقاومين ذات قيمة عالية في موازاة كل جهاز، بينما تدار شبكات الناموسيات المحتوية على مبادلات كهربائية، وتشمل حمايات الارتراقية (المعروف أيضاً بأجهزة الصمام).

استراتيجيات الرقابة للمتحولين من ذوي الإعاقة

إن مراقبة التوسيع الدقيق للمنافذ الجغرافية تتيح تقنيات متقدمة للتعديل والتنظيم تعظيم نقل الطاقة واستقرار الشبكات، ويجب أن يولد نظام المراقبة نبضات بوابات بتوقيت دقيق، متزامنة عادة مع مرحلة شبكة AC عبر حلقات غير مسبوقة تدريجيا.

تقنيات التناوب بين النبضات والغرب

ويستخدم القضاء الانتقائي على الأسلحة الكيميائية عادة بمركبات الكربون المفلورة الموجودة في المدار الثابت بالنسبة للأرض لتقليل التناسق المنخفض إلى أدنى حد مع الحد من الخسائر في التحول، وفي حالة وجود زوايا التبديل تكون جاهزة للقضاء على أوجه التناسق المحددة في ناتج المحولات، وكبديل لذلك، فإن نسق الاختبارات المزودة بأجهزة تحويل فضائية تتيح استخداماً أفضل للتركيب المحتوي على أرقام قياسية (GVTO) وهو مناسب للتنفيذ الرقمي.

مراقبة السلطة النشطة والتفاعلية

وباختلاف نطاقات وزاوية مراحل إنتاج المحولات بالنسبة للشبكة، يمكن التحكم في الطاقة النشطة والتفاعلية بصورة مستقلة، وهذه القدرة هي ميزة رئيسية في نظام VSC-HVDC على مستوى LCC-HVDC، ويشمل نظام المراقبة حلقة داخلية قائمة على شبكة الـ دي كيو (التفاعل والتفاعل) وثغرة خارجية تتحكم في التدفق أو التدفق الفعلي للقوى العاملة في البلدان النامية.

الدعم المقدم من جانب القوات البرية والقراصنة

تحتاج رموز الشبكة الحديثة إلى أنظمة HVDC للبقاء على اتصال خلال النسيج الفولطي وتوفير الحقن الحالي التفاعلي لدعم الشبكة، ويمكن للمحولين القائمين على النظام العالمي لمراقبة الدخول أن يحققوا ذلك لأنهم يتحكمون بأنفسهم، ويجب أن يكتشف نظام التحكم حالة الخطأ، ويقلل من تدفق الطاقة النشط (التي قد تكون محدودة من خلال القدرة المفرطة في التكفير في خط العاصمة)، ويستخدم هذا الاضطرابات في مجال الوصلات الخارجية

تحديات التنفيذ واستراتيجيات التخفيف

وعلى الرغم من مزايا هذه النظم، فإن هذه المنظمات تمثل عقبات عديدة في التنفيذ يجب على المهندسين التغلب عليها.

تعقيدات المحرك

إن دائرة البوابة التي تستخدمها مجموعة أدوات النقل العالمية أكثر تعقيدا بكثير من دائرة المولدات أو IGBT. ويستلزم ارتفاع معدل الانطلاق الحالي مسارا منخفضا، وممرا على بوابة عالية الطاقة، ومن الضروري أن تنقل إشارات إلى البوابة إلى الإمكانات العالية التأثير لكل جهاز، ويجب أن تستمد إمدادات الطاقة من حافلة العاصمة أو من مصدر مساعد.

تبديل الخسائر والكفاءة

وتظهر معاملات التحويل العالمية خسائر كبيرة نسبياً في التحويل، لا سيما خلال فترة الانطلاق الممتدة، أما التيار الحالي الذي يتدفق بعد التحول الرئيسي في المساهمات في النبضات إلى توزع كبير للطاقة، ولهذا السبب، تعمل النظم العالمية لتصنيف المواد الكيميائية في ترددات التحويل الأدنى من التصنيفات القياسية للأسعار، ويجب على مصممي النظم أن يقوموا بتحليل مفصل للخسائر، يستخدم في كثير من الأحيان أضيق أنواع أدوات المحاكاة للكهرباء.

اعتبارات التكاليف

أما نماذج الاختبارات العالمية فهي باهظة التكلفة بسبب منطقة وفرة الوفرة الكبيرة في السيليكون وعملية التصنيع المعقدة، ولكن بالنسبة للتطبيقات الحالية العالية جداً (فوق 2 كيلو فولط لكل جهاز)، يمكن أن تكون النظم العالمية أكثر اقتصاداً من موازية مركبات الإيغابين المتعددة، ولا تشمل تكلفة النظام الكلي سوى شبه الموصلات بل تشمل أيضاً محركات البوابات والملابس والتبريد والتحكم.

مقارنة مع مركبات الإيغابيت والمركبات المتفجرة المرتجلة

وقد تطورت الصورة العامة لشبه الموصلات ذات الطاقة العالية تطوراً كبيراً منذ بدء تطبيق النظام العالمي للأخشاب المدارية في الثمانينات، واليوم، فإن البدائل الرئيسية هي: IGBTs (ونسخها من مجموعة المواد الصحفية) وأجهزة النقل الدولي للمركبات، وفهم المبادلات يساعد المهندسين على اختيار أفضل وسيلة لتطبيق محدد في مجال الترددات العالية جداً.

IGBT vs. GTO

وتهيمن مترجمات البوابرات المُعدَّلة على شبكة " GT " على مدى العقدين الماضيين، وتعزى هذه النظم إلى حد كبير إلى أبسط قوالب البوابة (الضد الذي تسيطر عليه حالياً) وإلى ارتفاع معدلات التبادل، وسهولة الاتصال الموازي.

IGCT vs. GTO

أما المقاولات الصناعية ذات النطاق المضغوط فهي مجموعة مختلطة بين فقدان النسيج المنخفض لحامض الدراجة والقدرة على التبديل الصلبة لمترجم، حيث أن مجموعة الـ (GTO) تدمج نظاماً للصناعة التحويلية مع نظام توجيهي منخفض الموصلات في مجموعة واحدة، مما يؤدي إلى حدوث خسائر في الـ 4.5 من أجهزة التحويل ذات الوصلات الصناعية الأقل قدرة على التحول.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

ولفهم التنفيذ العملي للنظم العالمية للأخشاب المدارية في البلدان الفقيرة المثقلة بالديون، من المفيد دراسة مشاريع ملحوظة.

غوتلاند HVDC Light (1997)

وقد استخدمت الشبكة الدولية لتجارة السلع الأساسية، وهي إحدى المشاريع الأولى في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، وهي شبكة غاتلاند للتعاون التقني في السويد، مشاريع لاحقة كثيرة في أوائل العقد الماضي اعتمدت نماذج تقنية بديلة نظراً لارتفاع درجة حرارة هذه المشاريع.

Shandong HVDC Test Project (2018)

In China, the State Grid Corporation of China tested a hybrid LCC-VSC converter station incorporating GTO-based VSCs for reactive power compensation. The project successfully validated the use of GTOs in combination with thyristor-based LCC to improve voltage regulation during faults. Results were published in the IEE Transactions on Power Delivery

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا GTO من أجل HVDC

وفي حين لم يعلن مؤخرا عن مشاريع جديدة رئيسية في مجال التعاون التقني في مجال التنمية البشرية تستند إلى النظام العالمي لمراقبة المناخ، فإن البحوث الجارية تهدف إلى تعزيز أداء النظام العالمي لمراقبة التجارة العالمية وتوسيع نطاق عمرها التشغيلي.

Silicon Carbide (SiC) GTOs

وتعود أجهزة السيليكون في شكل خسائر تقل عن سعر الصرف وتزيد درجة الحرارة، وقد ثبتت في أماكن المختبرات وجود نماذج أولية لأجهزة السيليكون GTOs ذات فولت من التحلل فوق 10 كيلوفولط، وإذا نجحت عملية التسويق، فإن هذه الأجهزة يمكن أن تتنافس مع أجهزة الإيزوجين المحتوية على السيليكون من حيث التردد، مع الحفاظ على انخفاض الخسائر في السلوك، مما قد يؤدي إلى تنشيط الاهتمام بأجهزة تحويل معتمد عليها GTO من أجل نقلها إلى أعلى.

نظم التبريد المتقدمة

ويمكن لتكنولوجيات التبريد الجديدة، مثل التبريد من مرحلتين والبالوعة الحرارية، أن تقلل من المقاومة الحرارية وأن تسمح بزيادة كثافة الطاقة، ويجري دراسة هذه الحلول لصمامات GTO الحالية لتحسين قدرتها دون استبدال محطة المحولات بأكملها.

التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية

ومن شأن نشر أجهزة استشعار الألياف الضوئية وتحليل البيانات أن يتيح رصد حالة الصمامات التي تستخدمها الشبكة العالمية للأخشاب المدارية، ومن خلال تتبع درجة الحرارة الزجرية، وتحويل الفولط، والتيارات، يمكن للمشغلين التنبؤ بتدهور الأجهزة وصيانتها على أساس الجدول الزمني، وهذا النهج يقلل من حالات الاستبعاد القسري ويمتد من العمر المكوني.

خاتمة

وقد أدت المواد التي تتحول إلى تكنولوجيا ذات النطاق العالي دوراً أساسياً في تطور انتقال التكنولوجيا ذات النطاق الترددي العالي إلى تكنولوجيا التردد العالي، وقدرة هذه البلدان على تحويل كميات كبيرة من الفولط واليارات ذات القدرة الكاملة، مما مكّن من تطوير محولات ذاتية ذاتية تدور حول نقل الطاقة من مسافة بعيدة وتكامل الشبكات، وعلى الرغم من أن هذه النظم تؤدي إلى حد كبير إلى زيادة القدرة على إحداث الاحترار بالنظم العالمية في مشاريع جديدة.