دانلود مقاله ابداع کلید های جیوه ای فشار قوی

مقدمه:

ابداع کلیدهای جیوه ای فشار قوی در پنجاه سال قبل مسیر توسعه تکنولوژی انتقال HVDC را هموار کرد. تا سال 1945، اولین لینک DC تجاری با موفقیت بکار گرفته شده بود و نمونه های بزرگتری در حال تولید بود. موقعیت تکنولوژی جدید موجب گردید که تحقیقات و تلاشها به سمت ساخت کلیدهای نیمه هادی پیش رود و تا اواسط دهه 60، این کلیدها جایگزین کلیدهای قوس جیوه ی شدند. بعد تاریخی و پیشرفت های فنی تکنولوژی HVDC بطور مفصل در مراجع بیان گردیده است. پیشرفت های قال توجه در بهبود قابلیت اطمینان و ظرفیت کلیدهای تایریستوری موجب کاهش هزینه مبدل ها در مسافت‌های انتقال و در نتیجه افزایش قدرت رقابت طرح های DC شده است.

در هر حال عدم امکان خاموش کردن تایریستورها محدودیت مهمی در ملاحظات مربوط به توان راکتیو و کنترل آن پدید می آورد. این محدودیت موجب ظهور تجهیزات الکترونیک قدرت با قابلیت های کنترلی بیشتر شده است برای نمونه IGBT , GTO، اما تا لحظه نوشتن این مطالب، هیچکدام از این دو بدلیل ظرفیت مورد نیاز، نتوانسته اند رقیب تایریستور در طرح های HVDC با ظرفیت زیاد شود. از طرف دیگر ظرفیت این تجهیزات جدید امکان توسعه تکنولوژی فراهم آورده FACTS را- موضوع این کتاب- به منظور مقابله با مشکلات خاص موجود و با هزینه ای کمتر از هزینه HVDC فراهم آورده است.

طرح مباحث مربوط به انتقال DC در این کتاب متناقض به نظر می رسد زیرا اغلب  FACTS , HVDC در تکنولوژی رقیب محسوب می شوند. مشکل به تغییر نادرست از کلمه «انتقال» بر می گردد. انتقال معمولا بیانگر مسافت طولانی است در صورتیکه بخش بزرگی از لینک های DC موجود، اتصالات میانب با مسافت صفر هستند. امروز، مرزهای بین ادوات HVDC , FACTS، به نوع تجهیزات حالت جامد (تجهیزات حالت جامدی که در حال حاضر در HVDC بکار می روند، محدود به یکسوکننده های کنترل شده سیلیکونی می باشند) و ظرفیت طرح ارتباط دارد. بهرحال با بهبود ظرفیت و توانائی های تجهیزات جدید استفاده خواهد شد و در        FACTS سعی خواهد شد که کنترل توان بصورت مستقیم تری انجام شود مثلا با توسعه اتصال دهنده توان میانی آسنکرون، یعنی لینک HVDC پشت پشت. از این رو می توان لینک پشت به پشت را نیز جزء ادوات FACTS به حساب آورد و این فصل در مورد همین کاربرد HVDC است.

معرفی شبکه های HVDC , AC و تکنولوژی انتقال DC با ولتاژ بالا (HVDC)

اتصال سیستم های AC با لینک DC:

در مسافت های کمتر از مسافت break-even  باری اتصال در سیستم یا ناحیه مستقل استفاده از انتقال توان بصورت AC ترجیح داده می شود. برای این منظور باید برخی ملاحظات ضروری را که برخی از آنها در زیر آورده شده است رعایت کرد.

لینک باید ظرفیت کافی برای برقراری عبور توان در مقادیر موردنظر را داشته باشد و پس از وقوع اغتشاش سریعا به وضعیت قبل از اغتشاش باز گردد. وجود یا ساخت مراکز دیسپاچینگ با امکانات مخابراتی قابل اعتماد سریع. هر کدام از سیستمها باید قابلیت حفظ و کنترل فرکانس عادی را داشته باشد و از همین دو بایستی بتواند ذخیره چرخان بلند مدت و کوتاه مدت کافی فراهم آورد. معمولا در اکثر کشورها نواحی جداگانه با کمبود توان مواجه می شوند بویژه در زمان اوج مصرف که فرکانس شبکه بسیار پایین می ماند (حفظ ذخیره چرخان ممکن نیست). در چنین مواردی اتصال ناحیه های بوسیله اتصال میانی به صورت سنگرون بسیار مشکل است. برای اتصال میانی آسنکرون، دو انتخاب وجود داردک یکی بوسیله انتقال HVDC و دیگری بوسیله یک پست پشت به پشت HVDC. انتخاب اول یعنی انتقال HVDC زمانی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است که فاصله طولانی و مقدار انرژی تبادلی زیاد باشد. در حالتی که بخواهیم توان اضافی یک ناحیه را برای مدت کوتاهی به ناحیه دیگر انتقال دهیم و همچنین برای تقویت هر کدام از سیستم ها در مواقع اضطراری، HVDC 1شت به پشت انتخاب مناسب تری است.

مبدل HVDC:

برای تطابق لحظه ای ولتاژهای طرف AC , DC در فرآیند تبدیل (شکل 3-1)، باید امپرانس سری کافی در طرف AC , DC مبدل قرار داده شود. با روش پیشین، اغلب تبدیل منبع ولتاژ حاصل می گرددو تغییر جریان DC بوسیله کنترل تایریستور امکان پذیر است اگر راکتور هموار کنند بزرگی در طرف DC قرار داده شود، فقط پالس های جریان مستقیم ثابت از تجهیزات کلیدزنی عبور کرده  و به سیم پیچ های ثانویه ترانسفورماتور می رود. پس از آن، این پالس های جریان مطابق با نسبت تبدیل و اتصال ترانسفورماتور، به طرف اولیه انتقال داده شده و به این ترتیب یک مبدل جریان با امکان تنظیم ولتاژ مستقیم بوسیله کنترل تایریستور حاصل می شود. تبدیل ولتاژ در مبدل هی قوس جیوه بکار گرفته نشد زیرا حذف اغتشاش های تولید شده ناشی از قوس معکوس ناممکن بود.

طرح های تایریستوری، تغییرات سریع منبع ولتاژ مستلزم استفاده از امپدانس سری بزرگ است که برای جبران توان راکتیو، مقرون به صرفه نیست، بنابراین دلایل، در طراحی مبدل های HVDC تبدیل جریان توضیح داده می شود. به منظور استفاده بهینه از مبدل و ولتاژ معکوس با پیک کم در دو سر کلیدهای مبدل، در مبدل های HVDC منحصرا از پل سه فاز شکل استفاده می شود. با طرح های HVDC، فقط از اتصالات ساده ترانسفورماتورها استفاده می شود. این امر بدلیل عایق های ترانسفورماتور است که باید قدرت تحمل ولتاژهای متناوب همراه با ولتاژهای مستقیم زیاد را داشته باشد. با استفاده از اتصالات موازی ترانسفورماتور ستاره/ مثلث و ستاره/ ستاره می توان به سهولت تعداد 12 پالس را بدست آورد در شکل است، پایین ترین مولفه جریان هارمونیکی مشخصه آن هارمونیک یازدهم بوده و هزینه فیلتر بطور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است.

کنترل سیستم HVDC: (کنترل آتش کلید)

آتش کردن کلید بر اساس اصول کنترل آتش هم فاصله صورت می گیرد که مبنای آن، یک نوسان کننده کنترل شده با ولتاژ است که قطاری از پالسها را در فرکانس که مستقیما با ولتاژ کنترلی DC، Vc، متناسب است ارسال می کند. در حال حاضر با این روش، حلقه های کنترلی متعددی برای تامین ولتاژ Vc بکار می روند. فاز هر کدام از پالس های آتش می تواند بسته به ولتاژ خط AC سه فاز، سینوسی متقارن باشند (فرکانس اصلی)،  برای تمام کلیدهای یکسان است. باید به روشی زاویه فاز نوسان کننده به سیستم AC قفل شود. این امر با متصل کردن Vc در یک حلقه فیدبک منفی بازاء جریان ثابت یا زاویه خاموشی ثابت انجام می شود هنگام عملکرد در کنترل جریان ثابت، Vc از تقویت اختلاف (طخا) بین منبع جریان و جریان خط DC اندازه گیری شده بدست می آید، به این وطیله یک حلقه کنترلی فیدبک منفی ساده بوجود می آید که سعی دارد جریان ثابت را در مقداری بسیار نزدیک به هنگامیکه جریان برابر مقدار مرجع شد، خطای ثابت را در مقداری بسیار نزدیک به هنگامیکه جریان برابر مقدار مرجع شد، خطای تقویت شده (Vc) دقیقا برابر است با مقدار لازم برای اینکه فرکانس نوسان کننده شش برابر فرکانس منبع شود. خروجی های ring counter و در نتیجه پالس های کیت کلید به ولتاژ AC فازم عینی خواهند داشت. در عملکرد حالت ماندگار، این فاز برابر زاویه آتشی  است. وقوع یک اغتشاش مانند لغت back end در سیستم DC موجب افزایش موقت جریان شده که باعث کاهش Vc و در نتیجع کند شدن نوسان کننده می گردد در نتیجه فاز نوسان کننده عقب افتاده و زاویه آتش  افزایش می یابد. این امر موجب کاهش مجدد جریان شده و سیستم نهایتا دارای همان جریان، همان Vc و فرکانس نوسان کننده می گردد اما فاز آن تغییر کرده است یعنی  تغییر کرده است. سیستم کنترل نیز تغییرات فرکانسی سیستم را دنبال خواهد کرد، که در این حالت نوسان کننده باید فرکانس خود را تغییر دهد، این امر منجر به Vc متفاوت و در نتیجه جریان متفاوتی خواهد شد، اما با تقویت بهره زیاد، خطای جریان را کم می کنند. این طرح جریان ثابت، مد کنترلی اصلی در خلال یکسوسازی است، در طی inversion نیز، هر زمان که کنترل جریان به عهده اینورتر است، به همین دطریق عمل می شود. پاسخ سیستم کنترل سریع است، اما بدلیل پاسخ های کندتر خط DC که شامل خازن، اندوکتانس و راکتانس هموارکننده است، اثر آن کم می شود.

کنترل زاویه خاموشی اینورتر با یک حلقه فیدبک منفی که بسیار شبیه حلقه جریان است انجام می شود اختلاف بین  اندازه گیری شده و  تنظیم وتقویت شده و مانند قبل Vc را بوجود می آورد با این تفاوت که  یک کمیت نمونه برداری شده است نه یک کمیت پیوسته برای هر کلید زاویه خاموشی بصورت اختلاف زمانی بین لحظه صفر جریان و لحظه ای که ولتاژ آن از صفر می گذرد و مثبت می شود تعریف می گردد. برای هر پل شش مقدار  وجود دارد که باید اندازه گیری شود. در عملکرد حالت ماندگار متقارن، این مقادیر یکسان هستند. در حالت نامتعادل، مقداری که بیشترین احتمال شکست کموتاسیون را با خود دارد کمترین مقدار  است.

مشخصه های کنترلی و جهت عبور توان:

ایده ولتاژ/ جریان هیبرید در انتقال HVDC بکار رفته است تا نیازهای شرایط عملکرد خاص را برآورده سازد. این کار با تنظیم سطوح ولتاژ DC در هر دو طرف لینک از طریق کنترل تغییر دهنده تپ زیر بار در حالت ماندگار و با کنترل تایریستوری د صورت وقوع تغییرات کوچک یا بزرگ د شرایط عملکرد در هر کدام از سرهای لینک DC، انجام می گیرد. جریان DC تنها بوسیله مقاومت اندک خز انتقال محدود می شود و به همین دلیل در مقابل چنین تغییراتی بسیار حساس است. خواهیم دید که تعبیه کنترل کننده های جریان در هر دو انتها به همراه ترانسفورماتورهای تغییر دهنده تپ زیربار راه حل کاملا مناسبی برای این مساله است. از این رو عموما در انتقال HVDC از کنترل جریان استفاده می شود. در خطوط انتقال AC، جهت عبور توان با علامت اختلاف زاویه فاز ولتاژهای دو انتهای خط تعیین می شود، در واقع جهت عبور توان مستقل از دامنه ولتاژهای واقعی است. از طرف دیگر، در انتقال DC، جهت عبور توان به دامنه ولتاژهای ترمینال های مبدل یستگی دارد   فاز مطلق یا نسبی ولتاژهای نقشی در این فرآیند ندارد. در هر حال با استفاده از نوع دیگری از کنترل زاویه آتش که موجب می شود جهت عبور توان مستقل از دامنه ولتاژهای AC باشد و در عوض، مانند همتای AC خود عمل کند، می توان این وضعیت را تغییر داد. مشخصه اصلی یک مبدلل از یکسوسازی کامل inversion تشریح گردیده است. فرض شده است که مبدل دارای کنترل کنندهای زاویه خاموشی ثابت و جریان ثابت باشد. معمولا اگر یکسوکننده وظیفه کنترل جریان را برعهده داشته باشد و اینورتر در کنترل زاویه خاموشی حداقل کارک ند، جبران توان راکتیو کل، به حداقل رسیده و بهره برداری از خط در بهترین وضعیت انجام می شود. این ترکیب بوسیله یک لینک DC با در ترمینال بدست می آید البته باید تنظیم جریان پستی که توان می دهد کمی بالاتر از تنظیم جریان پستی که توان دریافت می کند باشد. اختلاف بین این دو تنظیم، حاشیه جریانی (Idm) نامیده می شود. می توان اثر آن را با توجه که در آن جریان عمل کننده با کنترل جریان ثابت در انتهای یکسوکننده تنظیم شده بهتر درک کرد. کنترل کننده جریان انتهای اینوتر، جریانی ا می بیند که بزرگترا ز تنظیم آن است در نتیجه سعی می کند با افزایش ولتاژ خود، آن را کاهش دهد. این امر تا زمانی که به سقفی که توسط کنترل زاویه خاموشی حداقل در نقطه A تعیین می شود برسد ادامه می یابد. این نقطه کار حالت ماندگار عادی است و لازم می دارد که در انتهای یکسو کننده مشخصه ولتاژ طبیعی بالاتر باشد، در این وضعیت ممکن است انجام تغییر تپ زیر بار در ترانسفور مبدل لازم باشد. زمانیکه کاهش ولتاژ AC عمده ای در انتهای یکسو کننده رخ دهد، بطوریکه سقف ولتاژ DC (ولتاژ طبیعی) یکسوکننده کمتر از همین کمیت در اینورتر شود، کنترل کننده جریان اینورتر با افزایش آتش کردن (یعنی کاهش  و در نتیجه ولتاژ DC اینورتر) جریان ثابت تغییر می کند. نقطه کار جدید A/ در جریانی که به اندازه حاشیه جریان کاهش یافته است، بدست می آید. تغییر جهت توان معمولا در اثر تغییر شرایط کار رخ نمی دهد بلکه با یک دستور کنترلی که با توه به ملاحظات کلی سیستم قدرت صادر می شود انجام می گیرد. شکل نشان می دهد که دوباره پس از اینکه پست I زاویه تاخیر را به ناحیه inverting افزایش می دهد و پست II در این فرآیندع جریان خط، صفر شده و کل سیستم بلوکه می شود. همانطور که قبلا گفته شد، پست یکسوکننده برای معکوس کردن توان به تنظیم جریان بالاتری نیاز دارد به همین دلیل باید حاشیه جریان، از مقدار مرجع پست I تفریق شود. به این ترتیب، مشخصه شکل بدست می آید. که نقطه کاری با قطبیت ولتاژ متفاوت حاصل می شود و نقش در پست عوض شده اما جهت جریان تغییر نکرده است و همان چیزی است که مورد نیاز بویژگی نیمه هادی است.