آناليز هارمونيكي يك پيوند HVDC و نتايج شبيه‌سازي مدل استاندارد CIGRE

ميزان گذر ولتاژ و جريان از طريق مبدلهاي DC/AC بوسيله لحظات سوئيچينگ پلها، بعبارت ديگر زمان آتش شدن و زمان كموتاسيون بين آنها تعيين ميشود. با فرض ولتاژ AC كاملاً متقارن و اعوجاج نيافته، (متعادل)، و راكتانس صاف كننده نامحدود مدار معادل يك پيوند DC، مبدل را ميتوان بسهولت توسط روش فوريه آناليز كرد و عبارتهاي مشخصي براي زواياي آتش، زمان كموتاسيون، جريان و فركانس اصلي و هارمونيكهاي مشخص جريان فاز و ولتاژ DC بدست آورد. واضح است كه تحت شرايط عملي و واقعي اين شرايط صادق نيست، و عوامل متعدد ديگري در عملكرد مبدل دخالت مي‌كنند.

در مقاله حاضر ابتدا هارمونيكهاي مشخص توليدي توسط مبدل بررسي شده، سپس با استفاده از تئوري مدولاسيون به شرح هارمونيكهاي نامشخص توليدي از مبدلها و نحوه انتقال آنها به دو سوي مبدل مي‌پردازيم. در انتها نتايج شبيه‌سازي يك سيستم HVCD واقعي را ارائه خواهيم داد.

در سالهاي اخير شبكه‌هاي بهم پيوسته در سطح دنيا توسعه قابل توجهي يافته‌اند، در عين حال با گسترش اين نوع شبكه‌ها مشكلات ناشي از آنها نيز افزايش پيدا كرده است. بطوريكه جلوگيري از عدم پايداري اين نوع شبكه‌ها در اثر عيوب ايجاد شده يكي از مسائل بسيار مهمي است كه با توجه اكثر محققان و مهندسان فن را بخود معطوف داشته است. از طرف ديگر مطالعات اقتصادي نشان مي‌دهد كه شبكه‌هاي انتقال AC در فواصل طولاني انتقال انرژي مقرون به صرفه نمي‌باشند. لذا براي گريز از اين مشكلات محققان امر استفاده از شبكه‌هاي انتقال HVDC را بعنوان يك راه حل مناسب پيشنهاد مي‌كنند. خصوصاً در دو دهه اخير با توسعه تكنولوژي ساخت نيمه هاديهاي تريستوري استفاده از اين نوع شبكه‌هاي انتقال به شكل عميقتري مورد توجه قرار گرفته است.

البته بكارگيري اين نوع سيستمهاي انتقال خود باعث بروز مشكلاتي در شبكه‌هاي سراسري مي‌شود، از اين جمله مي‌توان به مشكلات تزريق هارمونيك آنها اشاره كرد. در صورت عدم رفع مشكل ياد شده، منجر به افزايش شديد تلفات در شبكه‌هاي قدرت، خطا در دستگاههاي اندازه‌گيري، تداخل در خطوط مخابراتي و از همه مهمتر باعث اعوجاج ولتاژ در شبكه AC خواهد شد. اعوجاجات ايجاد شده در شبكه، باعث تغيير مبناي آتش تريستورها شده و اين پديده باعث بروز مشكلات جدي در سيستم هدايتي مبدلهاي HVDC خواهد شد (مگر اينكه از سيستم Lock Loop Phase استفاده كنيم). از طرف ديگر همين اعوجاجات باعث بروز يك سري هارمونيكهاي ناشناخته در طرفهاي AC و DC به همراه هارمونيكهاي شناخته شده در شبكه‌هاي HVDC خواهد شد، بطوريكه در صورت مطابقت فركانس اين هارمونيكها با يكي از فركانسهاي ضد تشديد منحني امپدانش ـ فركانس شبكه‌هاي AC و DC مشكلات بسيار جدي در شبكه‌هاي انتقال HVDC ايجاد خواهد شد.

هارمونيكهاي مشخص

براي مطالعه فركانس مؤلفه اصلي فرضهاي زير را براي مبدل مورد نظد، در نظر مي‌گيريم:

1ـ افت ولتاژ روي سوئيچها در حالت هدايت ناچيز است. در عمل هم در مقايسه با ولتاژ حالت دائمي واقعاً ناچيز است.

2ـ راكتانس نشستي ترانسفورمر مبدل در طرف ثانويه براي هر سه فاز يكسان است، و از تغييرات راكتانس نشتي با تغييرات تپ تحت بار صرفنظر مي‌شود.

3ـ همه مؤلفه‌هاي هارمونيكي جريان در خارج از مبدل، فيلتر مي‌شوند.

انتقال هارمونيكها از طرف AC به طرف DC

بزرگترين مؤلفه تابع سوئيچينگ تريستور، فركانس اصلي است، اين مؤلفه ولتاژ توالي مثبت را در ضريب‌ هارمونيك 1 + K و ولتاژ توالي منفي را در ضريب 1 - K به ضريب K در طرف DC مدوله مي‌كند. ولتاژها در طرفين سوئيچ مي‌شوند، و واضح است كه زاويه تأخير آتش، دامنه هارمونيكها را كاهش نمي‌دهد و صرفاً ولتاژ را شيفت فاز مي‌دهد.

ضريب اعوجاج ولتاژ طرف AC در روي مدت زمان كموتاسيون تأثير دارد و سطح ولتاژ هارمونيكي را در طـرف DC حتي تـا بيش از ده درصد و زاويه فاز هارمونيك مربوط به آن اعوجاج را تا بيش از 0.3 راديان تغيير مي‌دهد. اين تأثير وابسته به فركانس و تابع متغيرهائي همچون تأخير زاويه آتش، مدت زمان كموتاسيون مي‌باشد.

انتقال هارمونيكها از طرف DC به AC

مـؤلفه اصلي تابـع سوئيچينگ، مضرب K ام، هارمونيك جريان را به، مضرب 1 + K در توالي مثبت، و 1- K در توالي منفي، در طرف AC مدوله مي‌كند، و هارمونيكهاي جريان در طرفين سوئيچ مي‌شوند كه نسبت آنها به نسبت جريان خواهد بود.

اعوجاج جريان DC هم، روي مدت زمان كموتاسيون اثر مي‌كند و هم سطح هارمونيكها در طرف AC را تا بيش از پانزده درصد و فاز آنها را تا بيش از 0.2 راديان تغيير مي‌دهد، اين اثر به فركانس بستگي دارد و شديداً متناسب با زاويه تأخير و مدت زمان كموتاسيون مي‌باشد. هارمونيكهاي نامشخص ديگري در نتيجه مؤلفه‌هاي ديگر تابع سوئيچينگ ظاهر مي‌شوند.

اثر تغييرات لحظات سوئيچينگ

اگر مؤلفه اصلي فركانس توالي منفي نامتقارن باشد، حتي اگر مؤلفه دوم جريان با هارمونيك زوج در طرف DC هم جاري نشود، هارمونيك سوم جريان در توالي مثبت طرف AC بصورت نتيجه مستقيم نغييرات مدت زمان كموتاسيون وجود خواهد داشت . بعلاوه هارمونيكهاي اضافي خودشان را نشان مي دهند اما دامنه آنها سريعاً كاهش مييابد.

سيستمهاي DC/AC با نسبت اتصال كوتاه پائين (SCR) اغلب با مسئله ناپايداري بصورت اعوجاج شكل موجها همراه هستند، (ناپايداري هارمونيكي) پائين بودن SCR بيان كننده امپدانس بالاي سيستم AC مي‌باشد، كه با يكي از خازنها جبرانسازي يا اندوكتانسها يا فيلترهاي هارمونيكي كه در ترمينالهاي مبدل موجود است، تشدبد شوند و نوسان نمايند. اين فركانسهاي تشديدي مي‌توانند بسيار كوچك باشند، حتي ممكن است برابر فركانس دوم هارمونيكهاي شبكه شوند.

اين فركانسهاي تشديدي مي‌توانند تحت شرايط خاص يا در مواقع بروز عيب تحريك شوند و اين اعوجاج كوچك ممكن است ناپايداري شبكه گردد.