کلید های جیوه ای فشار قوی

مقدمه:
ابداع كليدهاي جيوه اي فشار قوي در پنجاه سال قبل مسير توسعه تكنولوژي انتقال HVDC را هموار كرد. تا سال ۱۹۴۵، اولين لينك DC تجاري با موفقيت بكار گرفته شده بود و نمونه هاي بزرگتري در حال توليد بود. موقعيت تكنولوژي جديد موجب گرديد كه تحقيقات و تلاشها به سمت ساخت كليدهاي نيمه هادي پيش رود و تا اواسط دهه ۶۰، اين كليدها جايگزين كليدهاي قوس جيوه ي شدند. بعد تاريخي و پيشرفت هاي فني تكنولوژي HVDC بطور مفصل در مراجع بيان گرديده است. پيشرفت هاي قال توجه در بهبود قابليت اطمينان و ظرفيت كليدهاي تايريستوري موجب كاهش

هزينه مبدل ها در مسافت‌هاي انتقال و در نتيجه افزايش قدرت رقابت طرح هاي DC شده است.
در هر حال عدم امكان خاموش كردن تايريستورها محدوديت مهمي در ملاحظات مربوط به توان راكتيو و كنترل آن پديد مي آورد. اين محدوديت موجب ظهور تجهيزات الكترونيك قدرت با قابليت هاي كنترلي بيشتر شده است براي نمونه IGBT , GTO، اما تا لحظه نوشتن اين مطالب، هيچكدام از اين دو بدليل ظرفيت مورد نياز، نتوانسته اند رقيب تايريستور در طرح هاي HVDC با ظرفيت زياد شود. از طرف ديگر ظرفيت اين تجهيزات جديد امكان توسعه تكنولوژي فراهم آورده FACTS را- موضوع اين كتاب- به منظور مقابله با مشكلات خاص موجود و با هزينه اي كمتر از هزينه HVDC فراهم آورده است.
طرح مباحث مربوط به انتقال DC در اين كتاب متناقض به نظر مي رسد زيرا اغلب FACTS , HVDC در تكنولوژي رقيب محسوب مي شوند. مشكل به تغيير نادرست از كلمه «انتقال» بر مي گردد. انتقال معمولا بيانگر مسافت طولاني است در صورتيكه بخش بزرگي از لينك هاي DC موجود، اتصالات ميانب با مسافت صفر هستند. امروز، مرزهاي بين ادوات HVDC , FACTS، به نوع تجهيزات حالت جامد (تجهيزات حالت جامدي كه در حال حاضر در HVDC بكار مي روند، محدود به يكسوكننده هاي كنترل شده سيليكوني مي باشند) و ظرفيت طرح ارتباط دارد. بهرحال با بهبود ظرفيت و توانائي

هاي تجهيزات جديد استفاده خواهد شد و در FACTS سعي خواهد شد كه كنترل توان بصورت مستقيم تري انجام شود مثلا با توسعه اتصال دهنده توان مياني آسنكرون، يعني لينك HVDC پشت پشت. از اين رو مي توان لينك پشت به پشت را نيز جزء ادوات FACTS به حساب آورد و اين فصل در مورد همين كاربرد HVDC است.

معرفي شبكه هاي HVDC , AC و تكنولوژي انتقال DC با ولتاژ بالا (HVDC)
اتصال سيستم هاي AC با لينك DC:
در مسافت هاي كمتر از مسافت break-even باري اتصال در سيستم يا ناحيه مستقل استفاده از انتقال توان بصورت AC ترجيح داده مي شود. براي اين منظور بايد برخي ملاحظات ضروري را كه برخي از آنها در زير آورده شده است رعايت كرد.
لينك بايد ظرفيت كافي براي برقراري عبور توان در مقادير موردنظر را داشته باشد و پس از وقوع اغتشاش سريعا به وضعيت قبل از اغتشاش باز گردد. وجود يا ساخت مراكز ديسپاچينگ با امكانات مخابراتي قابل اعتماد سريع. هر كدام از سيستمها بايد قابليت حفظ و كنترل فركانس عادي را

داشته باشد و از همين دو بايستي بتواند ذخيره چرخان بلند مدت و كوتاه مدت كافي فراهم آورد. معمولا در اكثر كشورها نواحي جداگانه با كمبود توان مواجه مي شوند بويژه در زمان اوج مصرف كه فركانس شبكه بسيار پايين مي ماند (حفظ ذخيره چرخان ممكن نيست). در چنين مواردي اتصال ناحيه هاي بوسيله اتصال مياني به صورت سنگرون بسيار مشكل است. براي اتصال مياني آسنكرون، دو انتخاب وجود داردك يكي بوسيله انتقال HVDC و ديگري بوسيله يك پست پشت به

پشت HVDC. انتخاب اول يعني انتقال HVDC زماني از نظر اقتصادي مقرون به صرفه است كه فاصله طولاني و مقدار انرژي تبادلي زياد باشد. در حالتي كه بخواهيم توان اضافي يك ناحيه را براي مدت كوتاهي به ناحيه ديگر انتقال دهيم و همچنين براي تقويت هر كدام از سيستم ها در مواقع اضطراري، HVDC 1شت به پشت انتخاب مناسب تري است.

مبدل HVDC:
براي تطابق لحظه اي ولتاژهاي طرف AC , DC در فرآيند تبديل (شكل ۳-۱)، بايد امپرانس سري كافي در طرف AC , DC مبدل قرار داده شود. با روش پيشين، اغلب تبديل منبع ولتاژ حاصل مي گرددو تغيير جريان DC بوسيله كنترل تايريستور امكان پذير است اگر راكتور هموار كنند بزرگي در

طرف DC قرار داده شود، فقط پالس هاي جريان مستقيم ثابت از تجهيزات كليدزني عبور كرده و به سيم پيچ هاي ثانويه ترانسفورماتور مي رود. پس از آن، اين پالس هاي جريان مطابق با نسبت تبديل و اتصال ترانسفورماتور، به طرف اوليه انتقال داده شده و به اين ترتيب يك مبدل جريان با امكان تنظيم ولتاژ مستقيم بوسيله كنترل تايريستور حاصل مي شود. تبديل ولتاژ در مبدل هي قوس جيوه بكار گرفته نشد زيرا حذف اغتشاش هاي توليد شده ناشي از قوس معكوس ناممكن بود.

تبديل ولتاژ AC.DC
طرح هاي تايريستوري، تغييرات سريع منبع ولتاژ مستلزم استفاده از امپدانس سري بزرگ است كه براي جبران توان راكتيو، مقرون به صرفه نيست، بنابراين دلايل، در طراحي مبدل هاي HVDC تبديل جريان توضيح داده مي شود. به منظور استفاده بهينه از مبدل و ولتاژ معكوس با پيك كم در دو سر كليدهاي مبدل، در مبدل هاي HVDC منحصرا از پل سه فاز شكل استفاده مي شود. با طرح هاي HVDC، فقط از اتصالات ساده ترانسفورماتورها استفاده مي شود. اين امر بدليل عايق هاي ترانسفورماتور است كه بايد قدرت تحمل ولتاژهاي متناوب همراه با ولتاژهاي مستقيم زياد را داشته باشد. با استفاده از اتصالات موازي ترانسفورماتور ستاره/ مثلث و ستاره/ ستاره مي توان به سهولت تعداد ۱۲ پالس را بدست آورد در شكل است، پايين ترين مولفه جريان هارمونيكي مشخصه آن هارمونيك يازدهم بوده و هزينه فيلتر بطور قابل ملاحظه اي كاهش يافته است.

كنترل سيستم HVDC: (كنترل آتش كليد)
آتش كردن كليد بر اساس اصول كنترل آتش هم فاصله صورت مي گيرد كه مبناي آن، يك نوسان كننده كنترل شده با ولتاژ است كه قطاري از پالسها را در فركانس كه مستقيما با ولتاژ كنترلي DC، Vc، متناسب است ارسال مي كند. در حال حاضر با اين روش، حلقه هاي كنترلي متعددي براي تامين ولتاژ Vc بكار مي روند. فاز هر كدام از پالس هاي آتش مي تواند بسته به ولتاژ خط AC سه فاز، سينوسي متقارن باشند (فركانس اصلي)، براي تمام كليدهاي يكسان است. بايد به روشي

زاويه فاز نوسان كننده به سيستم AC قفل شود. اين امر با متصل كردن Vc در يك حلقه فيدبك منفي بازاء جريان ثابت يا زاويه خاموشي ثابت انجام مي شود هنگام عملكرد در كنترل جريان ثابت، Vc از تقويت اختلاف (طخا) بين منبع جريان و جريان خط DC اندازه گيري شده بدست مي آيد، به اين وطيله يك حلقه كنترلي فيدبك منفي ساده بوجود مي آيد كه سعي دارد جريان ثابت را در نزديك به هنگاميكه جريان برابر مقدار مرجع شد، خطاي تقويت شده (Vc) دقيقا برابر است با مقدار لازم براي اينكه فركانس نوسان كننده شش برابر فركانس منبع شود. خروجي هاي ring counter و در نتيجه پالس هاي كيت كليد به ولتاژ AC فازم عيني خواهند داشت. در عملكرد حالت ماندگار، اين فاز برابر زاويه آتشي است. وقوع يك اغتشاش مانند لغت back end در سيستم DC موجب افزايش موقت جريان شده كه باعث كاهش Vc و در نتيجع كند شدن نوسان كننده مي گردد در نتيجه فاز نوسان كننده عقب افتاده و زاويه آتش افزايش مي يابد. اين امر موجب كاهش مجدد جريان شده و سيستم نهايتا داراي همان جريان، همان Vc و فركانس نوسان كننده مي گردد اما فاز آن تغيير كرده است يعني تغيير كرده است. سيستم كنترل نيز تغييرات فركانسي سيستم را دنبال خواهد كرد، كه در اين حالت نوسان كننده بايد فركانس خود را تغيير دهد، اين امر منجر به Vc متفاوت و در نتيجه جريان متفاوتي خواهد شد، اما با تقويت بهره زياد، خطاي جريان را كم مي كنند. اين طرح جريان ثابت، مد كنترلي اصلي در خلال يكسوسازي است، در طي inversion نيز، هر زمان كه كنترل جريان به عهده اينورتر است، به همين دطريق عمل مي شود. پاسخ سيستم كنترل سريع است، اما بدليل پاسخ هاي كندتر خط DC كه شامل خازن، اندوكتانس و راكتانس همواركننده است، اثر آن كم مي شود.
كنترل زاويه خاموشي اينورتر با يك حلقه فيدبك منفي كه بسيار شبيه حلقه جريان است انجام مي شود اختلاف بين اندازه گيري شده و تنظيم وتقويت شده و مانند قبل Vc را بوجود مي آورد با اين تفاوت كه يك كميت نمونه برداري شده است نه يك كميت پيوسته براي هر كليد زاويه خاموشي

بصورت اختلاف زماني بين لحظه صفر جريان و لحظه اي كه ولتاژ آن از صفر مي گذرد و مثبت مي شود تعريف مي گردد. براي هر پل شش مقدار وجود دارد كه بايد اندازه گيري شود. در عملكرد حالت ماندگار متقارن، اين مقادير يكسان هستند. در حالت نامتعادل، مقداري كه بيشترين احتمال شكست كموتاسيون را با خود دارد كمترين مقدار است.

مشخصه هاي كنترلي و جهت عبور توان:
ايده ولتاژ/ جريان هيبريد در انتقال HVDC بكار رفته است تا نيازهاي شرايط عملكرد خاص را برآورده سازد. اين كار با تنظيم سطوح ولتاژ DC در هر دو طرف لينك از طريق كنترل تغيير دهنده تپ زير بار در حالت ماندگار و با كنترل تايريستوري د صورت وقوع تغييرات كوچك يا بزرگ د شرايط عملكرد در ود مي شود و به همين دليل در مقابل چنين تغييراتي بسيار حساس است. خواهيم ديد كه تعبيه كنترل كننده هاي جريان در هر دو انتها به همراه ترانسفورماتورهاي تغيير دهنده تپ زيربار راه حل كاملا مناسبي براي اين مساله است. از اين رو عموما در انتقال HVDC از كنترل جريان استفاده مي شود. در خطوط انتقال AC، جهت عبور توان با علامت اختلاف زاويه فاز ولتاژهاي دو انتهاي خط تعيين مي شود، در واقع جهت عبور توان مستقل از دامنه ولتاژهاي واقعي است. از طرف ديگر، در انتقال DC، جهت عبور توان به دامنه ولتاژهاي ترمينال هاي مبدل يستگي دارد فاز مطلق يا نسبي ولتاژهاي نقشي در اين فرآيند ندارد. در هر حال با استفاده از نوع ديگري از كنترل زاويه آتش كه موجب مي شود جهت عبور توان مستقل از دامنه ولتاژهاي AC باشد و در عوض، مانند همتاي AC خود عمل كند، مي توان اين وضعيت را تغيير داد. مشخصه اصلي يك مبدلل از يكسوسازي كامل inversion تشريح گرديده است. فرض شده است كه مبدل داراي كنترل كنندهاي زاويه خاموشي ثابت و جريان ثابت باشد. معمولا اگر يكسوكننده وظيفه كنترل جريان را برعهده داشته باشد و اينورتر در كنترل زاويه خاموشي حداقل كارك ند، جبران توان راكتيو كل، به حداقل رسيده و بهره برداري از خط در بهترين وضعيت انجام مي شود. اين تركيب بوسيله يك لينك DC با در ترمينال بدست مي آيد البته بايد تنظيم جريان پستي كه توان مي دهد كمي بالاتر از تنظيم جريان پستي كه توان دريافت مي كند باشد. اختلاف بين اين دو تنظيم، حاشيه جرياني (Idm) ناميده مي شود. مي توان اثر آن را با توجه كه در آن جريان عمل كننده با كنترل جريان ثابت در انتهاي يكسوكننده

تنظيم شده بهتر درك كرد. كنترل كننده جريان انتهاي اينوتر، جرياني ا مي بيند كه بزرگترا ز تنظيم آن است در نتيجه سعي مي كند با افزايش ولتاژ خود، آن را كاهش دهد. اين امر تا زماني كه به سقفي كه توسط كنترل زاويه خاموشي حداقل در نقطه A تعيين مي شود برسد ادامه مي يابد. اين نقطه كار حالت ماندگار عادي است و لازم مي دارد كه در انتهاي يكسو كننده مشخصه ولتاژ طبيعي بالاتر باشد، در اين وضعيت ممكن است انجام تغيير تپ زير بار در ترانسفور مبدل لازم باش

د. زمانيكه كاهش ولتاژ AC عمده اي در انتهاي يكسو كننده رخ دهد، بطوريكه سقف ولتاژ DC (ولتاژ طبيعي) يكسوكننده كمتر از همين كميت در اينورتر شود، كنترل كننده جريان اينورتر با افزايش آتش كردن (يعني كاهش و در نتيجه ولتاژ DC اينورتر) جريان ثابت تغيير مي كند. نقطه كار جديد A/ در جرياني كه به اندازه حاشيه جريان كاهش يافته است، بدست مي آيد. تغيير جهت توان معمولا در اثر تغيير شرايط كار رخ نمي دهد بلكه با يك دستور كنترلي كه با توه به ملاحظات كلي سيستم قدرت صادر مي شود انجام مي گيرد. شكل نشان مي دهد كه دوباره پس از اينكه پست I زاويه تاخير را به ناحيه inverting افزايش مي دهد و پست II در اين فرآيندع جريان خط، صفر شده و كل سيستم بلوكه مي شود. همانطور كه قبلا گفته شد، پست يكسوكننده براي معكوس كردن توان به تنظيم جريان بالاتري نياز دارد به همين دليل بايد حاشيه جريان، از مقدار مرجع پست I تفريق شود. به اين ترتيب، مشخصه شكل بدست مي آيد. كه نقطه كاري با قطبيت ولتاژ متفاوت حاصل مي شود و نقش در پست عوض شده اما جهت جريان تغيير نكرده است و همان چيزي است كه مورد نياز بويژگي نيمه هادي است.

صلاحي بر مشخصه هاي اساسي:
در خلال خطاهاي سيستم AC در انتها دريافت كننده خطر شكست كموتاسيون وجود دارد و اگر خطا از نظر الكتريكي نزديك باشد، اينورتر به تنهايي توانايي بازگشت به حالت عادي را ندارد. در چنين مواقعي، كاهش فشار بر كليدهاي اينورتر ضروري است و اين كار با افزودن حد ولتاژ پايين وابسته به جريان به مشخصه كنترلي يكسوكننده قابل انجام است. مشخصه هاي اصلاح شده شامل شاخه CD در يكسوكننده و شاخه EF/ در اينوتر است. نقاط شكست E , C معمولا بين ۷۰% و ۳۰% ولتاژ DC بوده و در شرايط خاص ممكن بوده و ممكن است نوسانات شديد در ولتاژ پديد آيد. عبارات VDCOL و LVCL براي عملي بكار برده مي شوند كه هنگام كاهش ولتاژ، تنظيم جريان را كاهش مي دهد. معمولا با قراردادت يك حد حداقل (كه بزرگتر از ۹۰ است و در شكل با KK/ نشان داده شده) براي ، از معكوس شدن ناخواسته ولتاژ اينورتر جلوگيري مي شود. خطوط FG , DH معروف حدود حداكثر جريان در ولتاژ پايين هستند. مشكل ديگر در مشخصه هاي اساسي،

زماني رخ مي دهد كه ولتاژ مسقف يكسوكننده به ولتاژ سقف اينورتر بسيار نزديك شود بطوريكه محل برورد مشخصه هاي بين Ids-Idm , Ids واقع شود. در اين ناحيه هيچ كدام از كنترل كننده هاي جريان كاري انجام نمي دهند. در عمل جريان در يك نقطه وسط ثابت نمي شود و اينورتر بطور پريود يك وارد در كنترل جريان مي شود. راه حل اين نوع نوسان، تغيير شيب اندكي در مشخصه اينورتر (در شكل AB به جاي A/B/) است.

كنترل توان در انتقال HVDC داراي بيشترين اهميت است. ولتاژ و جريان (گرفته شده از ه دو قطب) در هم ضرب شده و مستقيما فيدبكي به كنترل كننده داده مي شود اين مانيتورينگ توان است. پس كنترل كننده اصلي (در يكي از در پست) يك فرمان جرياني به كنترل هاي قطب دو انتهايي لينك ارسال مي كند. با وجود اين، حدودي براي جلوگيري از فرمان هاي غيرقابل قبول (مثلا در هنگام راه اندازي) در نظر گرفته شده است. معمولا سيگنال كنترلي كه به كنترل كننده جريان اعمال مي شود توان است اما اگر فركانس از حدود از قبل تعيين شده تجاوز كند، از كنترل فركانس استفاده مي شود. اما زمانيكه حداكثر توان ممكن در حال انتقال است نمي توان از كنترل فركانس استفاده كرد.

مدارهاي مبدل و اجزاء آن:
اجزاء الكتريكي اصلي هر قطب مبدل پست با جزئيات بيشتر در شكل رسم شده است. تمام اجزائي كه در مستطيل پررنگ قرار دارند در كليد خانه وقع شده اند طرح شامل دو دسته كليد در هر انتها است. هر دسته كليد از دو پل شش پالس با اتصال سري كه توسط دو ترانسفورماتور مبدل تغذيه مي شوند تشكيل شده است. ترانسفورماتور بترتيب بصورت ستاره/ ستاره و ستاره/ مثلث بوده تا جا به جايي فاز ۳۰ لازم براي عملكرد ۱۲ پالس را تامين كنند. د هر انتهاي لينك، دو

مجموعه فيلتر وجود دارد كه عبارتند از شاخه هاي تنظيم شده براي هرمونيكهاي يازدهم و سيزدهم و يك شاخه بالا گذر تنظيم شده براي هارمونيك بيست و چهارم. فيلترها از نظر حرارتي براي عملكرد در ظرفيت كامل طراحي شده است و ضرايب اضافه بار كوتاه مدت و پيوسته نيز در نظر گرفته شده اند. يك فيلتر بالاگذر تنظيم شده براي هارمونيك دوازدهم نيز در طرف DC قرار گرفته است.

خازنهاي موازي اضافي فقط در پست ديكينسون نصب شده اند زيرا ژنراتورهاي كول كريك مي توانن

د توان راكتيو مورد نياز را تامين كنند. يك القاگر هموار كننده DC در طرف فشار ضعيف قرار گرفته و راكتورهاي با هسته هوايي در طرف خط مبدل ها واقع شده اند، راكتورهاي با هسته هوايي با محدود كردن پيشاني موج هاي با شيب تند كه از طرف DC مي آيد در نظر گرفته شده اند. كليدهاي تايريستوري با برقگيرهاي فاز به فاز حفاظت مي شوند. سركليد بالايي كه به شين قطب هاي مثبت يا منفي متصل شده اند در معرض اضافه ولتاژهاي بالاتر و حوادث ديگر هستند و با قرار دادن برقگير براي هر كليد متصل است راكتور را محافظت مي كند. برقگير الكترود و قطب براي تكميل حفاظت اضافه ولتاژ بكار مي روند.

كليد تايريستوري فشار قوي:
تعداد زيادي تايريستور بطور سري بهم متصل مي شوند تا يك كليد با ظرفيت ولتاژي كافي بدست آيد. در اتصال سري تايريستورها لازم است عناصري را به كليد اضافه كنيم تا ولتاژ مرحله خاموشي يكنواختي بين ت تايريستورهاي سري توزيع شود. در واقع براي هر تايريستور چندين عنصر پسيو در نظر گرفته مي شود تا اولا اطمينان حاصل شود كه اين تقسيم ولتاژ بدرستي انجام مي شود. ثانيا هر تايريستور در مقابل اضافه ولتاژ، نرخ افزايشي ولتاژ و نرخ افزايش جريان محافظت شود. تايريستور به همراه مدارهاي اكش و درجه بندي ولتاژ محلي آن، يك طبقه تايريستور ناميده مي شود.
نقش راكتور اشباع شونده، ارائه يك اندوكتانس بزرگ بصورت سري با خازنهاي پراكنده مدار خارجي است اين امر باري حفاظت تايريستورها در مقابل آسيب هايي كه بلافاصله پس از آتش كردن بوجود مي آيد ضروري است. اما اندوكتانس بسيار زياد نيز نا مطلوب است زياد موجب مي شود مبدل، توان راكتيو بيشتري جذب كند. راكتيو اشباع شونده فقط د جريانهاي بسيار كم اندوكتانس زيادي از خود نشان مي دهد و به اين صورت از مشكل مذكور جلوگيري مي شود. با كامل، اثر راكتيو ناچيز است. توزيع ولتاژ بوسيله چندين عنصر كه در محدوده هاي فركانس مختلفي كار مي كنند انجام مي شود. ولتاژ سيستم بوسيله يك مقاومت با درجه بندي (RC)DC توزيع مي شود. توزيع ولتاژ در محدوده اي كه از فركانس قدرت شروع مي شود و تا KHZ ادامه مي يابد بوسيله يك زوج مكمل مدارهاي درجه بندي (CD , RD) RC كنترل مي شود. اين محدوده فركانس شامل فركانس طبيعي نيز مي باشد. بدليل فركانس طبيعي هنگاميكه كليدهاي در انتهاي يك بازه هدايت خاموش مي شود نوسانات ولتاژ رخ مي دهد. مقادير عناصر به صورتي انتخب مي شود كه دامنه اين پرش overshot ولتاژ حداقل شود. شكست هاي عايقي درون مبدل ممكن است كليد را در معرض نوسانههاي ولتاژي با فركانس هاي بسيار بالاتر قرار دهد كه در آن اين مدارهاي RC ديگر اثري نخواهند داشت. براي اطمينان از اينكه هيچ طبقه تايريستوري در معرض چنين ولتاژهاي شديدي

قرار نمي گيرد، يك مدار درجه بندي خازني اضافه مي شود.
اين خازن درجه بندي سريع (CFG) قرار داده مي شد تا از طريق راكتو اشباع پذير تخليه شود و سهم آن در جريان هجومي تايريستور را محدود كند. معمولا تايريستور د نقطه خاصي از شكل م

وج كه به وسيله سيستم كنترل تعيين مي گردد، براي شروع هدايت نريگر مي شود. فرمان آتش كليد بصورت يك سينگ نوري از سلول VBE كه در پتانسيل زين است از طريق كابلهاي نوري مجزا به تمام تايريستورهاي موجود در كليد ارسال مي شود. سيگنال نوري توسط واحد مدار گيت كه در مجاورت هر تراتسيتور قرار گرفته رمزگشايي شده سپس يك پالس جريان براي آتش كردن تايريستور توليد مي كند مدارگيت توان (اندك) مورد نياز خود را از جابه جايي جريان در مدار درجه بندي RC در مدت حالت خاموش مي گيرد. تايريستورها در اثر ولتاژ مستقيم بيش از حد يا مستقيم زياد، آسيب مي بينند. هنگاميكه احتمال مي رود ولتاژ مستقيم از حداكثر مقدار ايمني بيشتر شود از يك سيستم نريگر پشتيباني كه مبتني بر BOD است استفاده مي شود. اين سيستم يك پالس بزرگ جريان به گيت تايريستور اصلي اعمال مي كند و با سرعت به طور ايمن آن را به ناحيه هدايت نريگر مي كند.

آرايش هاي HVDC:
ساده ترين طرح HVDC كه در شكل نشان داده شده است آرايشي يك قطبي با سير برگشت زمين است شامل يك هادي ست كه يك يا چند واحد مبدل ۱۲ پالسه را در انتها با هم سري يا موازي كرده از سير زمين يا وريا استفاده مي كند. در هر انتهاي خط، با سير يك الكترود وجود داشته باشد. بدليل تداخل مغناطيسي و مسائل مربوط به خوردگي، معمولا از سير برگشت فلزي به جاي سير زمين استفاده مي شود.
در هر دو آزمايش، يك راكتور DC همواره كننده در هر انتهاي خط HVDC لازم است و معمولا در طرف فشار قوي قرار مي گيرد و اگر خط هوايي باشد، معمولا از فيلتر DC استفاده مي شود.

«آرايشهاي اصلي HVDC»

يك سيستم HVDC دو قطبي شكل از دو واحد مبدل ۱۲ پالسي سري با الكترودهاي خطر در هر انتها و دو هادي، يكي با قطبيت مثبت و ديگري با قطبيت منفي براي عبور توان در يك جهت تشكيل شده است. براي عبور در طرفه، پلاريتي دوهادي معكوس مي شود. هنگاميكه هر دو قطب در حال كار كردن مستند جريان نامتعادلي را كه از سير زين مي گذرد مي توان به مقدار بسيار كمي محدود كرد. عملكرد HVDC با چند تينال هر چند عملي است اما بندرت بكار مي رود. دو آرايش اصلي در شكل هاي d , c رسم شده است و مبدل ها بصورت سري يا موازي در طرف DC وصل شده اند.

 

آريش هاي پشت به پشت:
با توجه به مقرون به صرفه بودن روش پشت به پشت، اغلب در هنگام طراحي انتقال HVDC بين در سيستم آسنگرون، اتصالات مياني با طول صفر ترجيح داده مي شود. اخيرا در آمريكاي شمالي و هند از روش پشت به پشت بطور گسترده اي استفاده شده است. براي ظرفيتهاي نسبتا كم حدود (۵۰ تا ۱۰۰ مگاوات) لينك پشت به پشت داراي طرحي يك قطبي بوده و معمولا داراي يك راكتور هموار كننده نيز مي باشند. آرايش هاي دو قطبي همراه راكتور هموار كننده يا بدون آن براي ظرفيت هاي زياد بكار مي روند ( ۵۰۰ MW يا بيشتر). كليدهاي هر دو مبدل در طرح پشت به پشت را مي توان به همراه كنترل، سيستم خنك كننده و سرويس هاي جانبي ديگر آنها در محوطه يك كليد قرار داد. در اين سيستمها، بهينه سازي كل پست با توجه به ظرفيت هاي ولتاژ و جريان براي يك توان مفروض به منظور حداقل ثرن هزينه بهره برداري ساده است. معمولا در مقايسه با اتصالات مياني HVDC هاي طولاني، ولتاژ Dc پايين بوده و جريان كليد تايريستوري زياد است. علت اصلي اين است كه از يك طرف هزينه كليدها بسيار شديدتر به ولتاژ بستگي دارد زيرا با افزايش ولتاژ تعداد تايريستورها افزايش مي يابد و از طرف ديگر حداكثر جريان ممكن، هزينه بسيار كمي به قيمت يك تايريستور مي افزايد.

تحليل سيستم قدرت داراي مبدل هاي HVDC
در مطالعات بخش بار در فركانس قدرت هر ترمينال لينك DC را مي توان به عنوان يك شين بار در نظر گرفت يعني با تعيين a , p آن براي راحتي بيشتر و بهبود همگرايي، بايد بعضي از متغيرهاي لينك DC را بطور ضمني وارد پخش بار به جاي a , P كرد. با دسته متغيرهاي زير روابط ساده اي براي تمام استراترن هاي كنترلي معمول حاصل مي شود.
Id/ , Vd ولتاژ و جريان طرف Dc هستند. وضعيت تپ غير نامي ترانسفورماتور مبدل است. زاويه و جابه جايي بين جريان و ولتاژ AC در فركانس اصلي است. در اين راه حل، بايد از تكرار ترتيبي DC , AC استفاده كرد يا روش نيوتن و افسون AC/DC يكپارچه را بكار برد. هارمونيكهاي مشخصه يعني هارمونيكهايي كه با تعداد پالس مرتبط هستند را مي توان به سهولت را از مدل حالت ماندگار متقارن مبدل محاسبه كرد. علاوه به اين هارمونيكها اغلب بوسيله فيلترهاي محلي حذف شده و اثري بر بقيه سيستم ندارند. معمولا در سيستم هاي قدرت عادي نيازي به شبيه سازي حالت ماندگار سه فاز نيست اما رفتار لينك Dc و خصوصا توليد هارمونيكهاي غيرمشخصه اي از عدم تعادل ولتاژ شديدا تاثير مي پذيرد. علاوه بر اين در غياب فيلترهاي كامل، اين هامونيكها در اثر تشديدهاي موازي بين فيلتر و امپدانس سيستم AC، تقويت مي شوند. از اين رو در صورت وجود مبدل هاي AC/DC، نياز به مدل سازي سه فاز بيشتر است. معمولا جريان هاي هارمونيكي كه توسط مبدلها توليد مي شوند. سپي از سطوح هارمونيك در طي پاسخ ثابت در نظر گرفته مي شود. به عبارت ديگر مبدل به صورت يك تزريق كننده جريان هارمونيكي ثابت در نظر گرفته شده و مي توان از روش حل مستقيم استفاده كرد. تخمين قابل اطميناني از محتوي هارمونيك غير مشخصه اي نياز به مدل دقيقتري دارد و اغلب الگوريتم تكرار پيچيده اي كه شامل سيستم هاي DC , AC است لازم مي باشد.
روشهاي بسياري براي بدست آوردن دسته معادلات غيرخطي دقيقي كه حالت ماندگار سيستم را توصيف كند بكار رفته است. سيستم به نواحي خطي و تجهيزات غيرخطي تقسيم مي شود. تجهيزات غيرخطي با معادلات جداگانه اي بيان مي شود و شرايط مرزي سستم خطي را بدست

مي دهند.
حال پاسخ سيستم، عبارت است از پاسخي براي شرايط مرزي هر وسيله غيرخطي. مدل سازي تجهيزات از طريق شبيه سازي حالت ماندگار در حوزه زمان نمونه برداري شكل موج و ffT و اخيرا با عبارات تحليلي فاز و هارمونيك انجام مي گيرد. اگر لينگ HVDC بصورتي بيان مي شود كه بتوان ‌آن را با روش نيوتن حل كرد، در مساله مدل سازي تجهيزات و حل سيستم كاملا دكوپله شده و استفاده از روشهاي متعدد بهبود روش نيوتن كه بوسيله كارشناسان تحليل عديي كسترش

داده شده، به سهولت امكان پذير است.
با استفاده از روشهاي تكراري دقيق مي توان مي توان پاسخ مبدل HVDC را به وضعيت هاي متعدد غير ايده آل سيستم AC , DC بدست آورد نتايج اصلي به شرح زير است:
مبدل AC/DC مانند يك مدولاتور فركانس عمل مي كند. رابطه بين فركانس هاي هارمونيك (يا غيرهارمونيك) در هر دو طرف مبدل مطابق است. اثر متقابل اصلي بين سه قسمت وجود دارد. تغييري در هارمونيك Kام يك طرف مبدل بر هارمونيك k-1 , k+1 طرف ديگر اثر مي گذارد. انتهاي كموتاسيون به هارمونيكهاي ولتاژ ترمينال و جريان DC بسيار حساس است. لحظه آتش كردن به هارمونيك جريان DC حساس است. زاويه تاخير ميانگين با جريان DC ميانگين مرتبط است به همين دليل به تغييرات ولتاژ اصلي ترمينال، بي نهايت حساس مي باشد. علاوه بر اين به هارمونيكها همراه مولفه اصلي يعني هارمونيكهاي يازدهم و سيزدهم در طرف AC حساس است.

رفتار لينك DC در خلال اغتشاش در ريتم AC , DC و يا مبدل را نمي توان با استفاده از شبيه سازي حالت ماندگار يا نيمه ماندگار به دست آورد زيرا اغتشاش موجب تغيير عملكرد پل مي شود. در حالتي كه اينورتر وجود دارد، وفوع خطا در سيستم AC عموما موجب شكست كموتاسيون مي شود. بايد تحليل مفصلي با استفاده از شبيه سازي گذاري الكترومغناطيسي انجام گيرد. رايجترين شبيه سازي گذرا، بر مبناي برنامه هاي EMTP است كه شامل مدلهاي مفصل مبدل HVDC نيز مي باشند. خصوصا برنامه PSCAD- EMTDC براي انتقال تهيه شده است. پله هاي انتگرال گيري كوچكي (معمولا ۵۰Ms) كه در برنامه هاي EMPT بكار مي رود تخمين دقيقي از شكلم وج هاي جريان و ولتاژ واقعي اعوجاج يافت پس از وقوع يك اغتشاش را بدست مي دهد. براي شبيه سازي گذاري الكترومغناطيسي سيستم هاي HVDC هميشه لازم است كه لحظه هاي كليدزني دقيقا تعيين شوند. آنها هميشه بين پله هاي زماني شبيه سازي واقع مي شوند و كار زيادي براي حذف خطاهاي ناشي از اين عدم تطابق لحظه كليدزني و پله شبيه سازي انجام مي گيرد. اولين راه حل اين مشكل در مدلهاي مبدل متغير حالت بكار برده شد. در اين روش پله شبيه سازي تغيير مي كند تا با لحظه كليدزني همزمان شود و در هر حالت گذاري سريع پس از كليدزني را دنبال كند. اخيرا در برنامه هاي گذراي الكترومغناطيس بطور موقعيت آميزي از روش ميان يابي استفاده شده است. بكارگيري اين برنامه ها براي شبيه سازي سيستم هاي شامل FACTS , HVDC مورد بحث قرار گرفته است. در مطالعات پايداري گذرا و ديناميكي در مدل هاي مولفه حالت شبه ماندگار در هر پله راه حل الكترومكانيكي استفاده مي شود. مانند شبيه سازي خطا، بدليل وجود لينك DC نمي توان از اين مدل ها حالت ماندگار براي اغتشاش هاي نزديك به واحد مبدل استفاده كرد. اما بر خلاف شبهي سازي خطا در مطالعات پايداري تنظيم هاي پريوديك زاويه رتور ژنراتور و enfهاي دروني لازم است. اين اطلاعات را نمي توان با برنامه هاي گذراي الكترومغناطيسي بدست آورد. از اين رو در حالت كلي، بررسي پايداري AC/DC مستلزم استفاده از سه برنامه اصلي كه در بخش قبل نام برده شده مي باشد يعني: بخش باز، تحليل الكترومغناطيسي چند ماشينه و گذراي الكترومغناطيسي در اين باره مطرح شده است.

 

كاربردها و روندهاي جديد:
دليل اصلي بوجود آوردن HVDC، هزينه انتقال توان در مسيرهاي الكتريكي طولاني بود كه در صورت انتقال با كابل، در مسافت هاي جغرافياي نسبتا كوچكي (۵۰ كيلومتر يا كمتر) هزينه زيادي بوجود مي آمد. بدليل عدم وجود محدوديت هاي سنكروني، استفاده از اتصالات مياني HVDC در حال گسترش است. هم اكنون ۲۰ اتصال مياني آسنگرون پشت به پشت در دنيا وجود دارد كه اكثر آنها در آمريكاي شمالي واقع شده اند. در حال حاضر تلاش ها به اين سمت متمركز شده است.
كه با استفادها از تجهيزات خاموش شونده بوسيله گيت، بتوان اتصال دهنده هاي مياني آسنكديل توان DC به سيستم هاي AC كه تقويت ولتاژ كمي داشته يا فاقد آن هستند مناسب مي باشند. در چنين صورتي ديگر به كندانسورهاي سنركون يا سيستم استاتيكي VAR كه در بعضي از طرح هاي امروزي بكار مي روند نيازي نخواهد بود. قبل از اينكه بتوان از GTOها براي انتقال DC استفاده كرد بايد در مورد كاهشي تلفات كليدزني و اتصال سري آنها اطمينان حاصل شود. اگر اين امر پذيرفته شود كه در آينده براي انتقال DC، بايد از مبدل هاي GTO استفاده شود، آنگاه طراح سيستم بايد يك استراتژي كنترلي كه شامل كنترل توان DC، ولتاژ AC و فركانس سيستم AC است تعيين كند. در حال حاضر ظرفيت GTOها بسيار كمتر از تايريستورها مي باشد همچنين هزينه و تلفات آنها تقريبا دو برابر تايريستورها است، اين سه ويژگي (ظرفيت، هزينه و تلفات GTO) تاثير زيادي بر هزينه تجهيزات ديگر در يك پست كانورتري كامل دارد. تكنولوژي مبدل منبع ولتاژي را مي توان براي گسترش مقدار توان انتقال HVDC به نحوي اقتصادي تا چمد مگاوات كاهش داد و حتي سيستم هاي توزيع يا صنعتي پسيو را بدون منبع تغذيه ديگري كاملا تغذيه كرد.
در اين صورت فيدر Dc سطح ولتاژ و فركانس را كنترل مي كند. يك طرح پايلوت به طول ۱۰ كيلومتر اخيرا بوسيله ABB در سوئد تشكيل شده است در اين پروژه از مبدل هاي IGBT استفاده شده و در هيچكدام از دو انتها ترانسفورماتورهاي قرار داده نشده است. كاربردهاي احتمالي HVDC كم مقدار عبارت است از: تامين توان جزاير، تغذيه شهرها، توليد در مقياس هاي كم در مناطق دور

افتاده، و توليد خارج از حمل. در صورت ظهور ادوات نيمه هادي جديد، تكنولوژي مبدل مبتني بر تايريستور به اين صورت نخواهد ماند. ABB در حال انجام پروژه HVDC 2000 است، در اين ABB

نسل جديدي از پست هاي مبدل HVDC را مطرح كرده است كه از آخرين پيشرفت ها بهره مي گيرند و هدف از آنها، بهبود عملكرد، سهولت طراحي و كاهش زمان سخت است. ويژگي هاي HVDC 2000 به شرح زير است:
مبدل با كموتاسيون خازن سري (CCC). فيلترهاي AC تنظيم شده فعال. كليدهاي تايريستوري خارج از ساختمان يا عايق هوا. فيلترهاي DC اكتيو.

شكل صفحه قبل پست HVDC كه به نيروگاه وصل شده است و در آن ژنراتورها و مبدل ها با هم در واحدهاي منفرد قرار داده شده اند. طرف DC امكان تركيب موازي و يا سري موازي واحجدها بوجود دارد. از طرق انتقال DC، با مسافت يا بدون مسافت مي توان واحدهاي جديد را بدون افزايش سطح خطاي سيستم و بدون خطر ناپايداريهاي سنكرون، اضافه كرد. ايده جديدي كه اتصال واحد ناميده مي شود توسط كميته هاي تحقيق SC11 , SC14 سيگره مورد بررسي قرار گرفته است اين آرايش در شكل آمده است. ترانسفورماتورهي مبدل وصل شده و جريانهاي هارمونيكي توليد شده بوسيله طرح واحد متصل شده ۱۲ پالسه، توسط ژنراتور جذب شده و در نتيجه نيازي به استفاده از فيلترهاي AC نيست. علاوه بر اين، كنترل ولتاژ را مي توان تماما بوسيله تحريك ژنراتور انجام داد و ديگر نيازي به ترانسفورماتورهاي تغيير دهنده تپ زيربار نيست. طرح اتصال مستقيم براي توليد الكتريسيته از منابع دوردست توان، مناسب است. مي توان از قابليت آن در كار با سرعت متغير براي بهينه سازي مجموعه آبي در بارهاي مختلف و ارتفاع متغير آب استفاده كرد. اين ويژگي در كاربردهاي توليد توان از باد و تلمبه ذخيره نيز مهم است. تقريبا پس از نيم قرن عملكرد قابل اطمينان انتقال HVDC، امروزه اين سيستم به خوبي در مسافت هاي طولاني و براي اتصال مياني سيستم هاي قدرت اسنكرون بكار مي رود با اين حال هنوز بعضي از كشورها با شك و ترديد به آن مي نگرند. اتصال دهنده مياني HVDC يكي از ادوات FAVTS به حساب مي آيد و از تكنولوژي پيشرفته روز برخوردار است و كنترل پذيري بالايي را فراهم مي آورد.

 

انتقال به صورت جريان مستقيم فشار قوي:
انتقال به صورت جريان مستقيم فشار قوي (HVDC) در بعضي حالات بر انتقال جريان متناوب برتري دارد. اولين كاربرد تجاري انتقال HVDC بين سرزمين اصلي سوئد و جزيره گات لند در سال ۱۹۵۴ ميلادي صورت پذيرفت. اين سيستم از شيرهاي قوس جيوه اي استفاده كرد و يك ارتباط زير آبي ۲۰ مگاواتي به طول ۹۰ كيلومتر را تامين كرد. از آن موقع بكارگيري انتقال HVDC همواره رو ب

ه افزايش بوده است. با اختراع كنورتورهاي شيرتريستوري انتقال HVDC جاذبه بيشتري پيدا كرد. ولين سيستم HVDC كه از شيرهاي تريستوري استفاده مي كرد طرح سودخانه بود كه در سال ۱۹۷۲ ميلادي به بهره برداري رسيد و يك ارتباط جريان مستقيم ۳۲۰ مگاواتي دوطرفه را بين سيستمهاي قدرت استانهاي نيو بودند و يك كبك كانادا برقرار مي نمود.
امروزه، شيرهاي تريستوري، تجهيزات استاندارد پستهاي كنورتورهاي جريان مستقيم هستند. پيشرفتهاي اخير در تجهيزات تبديل، اندازه و هزينه آنها را كاهش و قابليت اعتماد آنها را افزايش داده است. اين پيشرفتها منجر به استفاده گسترده از انتقال HVDC شده است.
در امريكاي شمالي، ظرفيت كل خطوط در سال ۱۹۸۷ ميلادي بالغ بر ۱۴۰۰۰ مگاوات بوده است اكنون خطوط ديگري در دست ساخت است. اينك انواع كاربردهايي كه در آنها از انتقال HVDC استفاده شده، بيان مي شود:
۱-كابلهاي زيردريايي (زيرآبي) طولانيتر از ۳۰ كيلومتر. در اين موارد به علت ظرفيت خازني زياد كابل كه نيازمند پستهاي واسطه اي جبرانسازي است، استفاده از انتقال به صورت جريان متناوب عملي نيست.
۲-ارتباط ناهماهنگ بين دو سيستم جريان متناوب كه بع علت مسائل پايداري يا اختلاف در فركانسهاي اسمي دو سيستم، استفاده از خطوط جريان متناوب عملي نيست.
۳-انتقال مقادير زياد توان در مسافتهاي طولاني به وسيله خطوط هواي.

در مسافتهاي بالاتر از ۶۰۰ كيلومتر، انتقال HVDC، رقيبي براي انتقال جريان متناوب به شمار مي رود. سيستمهاي HVDC توانايي كنترل سريع توان انتقالي را دارند، بنابراين تاثير مهمي بر پايداري سيستمهاي قدرت جريان متناوب جنبي دارند. براي مطالعه پايداري سيستم قدرت درك مشخصه هاي سيستمهاي HVDC، اساسي است. علاوه بر اين، به منظور اطمينان از عملكرد قابل قبول سيستم كلي جريان متناوب و جريان مستقيم، طراحي صحيح كنترلهاي HVDC، بسيار حياتي است.

ساختارها و اجزاي سيستم HVDC (طبقه بندي خطوط HVDC)
خطوط HVDC را مي توان به طور كلي به طبقات زير تقسيم مي شوند:
• خطوط تك قطبي
• خطوط دوقطبي
• خطوط هم قطبي
ساختار اصلي يك خط تك قطبي در شكل نشان داده شده است. اين خط از يك هادي كه معمولا داراي پلاريته (قطب) منفي است، استفاده مي شود و سير برگشت از طريق آب يا زمين تامين مي شود. ملاحظات هزينه، اغلب منجر به استفاده از چنين سيستمهايي، بخصوص براي انتقال كابلي مي شود. همچنين ممكن است اين نوع ساختار، اولين مرحله در يك سيستم دو قطبي باشد.

در حالتي كه مقاومت زمين بسيار زياد است يا تداخل احتمالي با سازه هاي فلزي زيرزميني و يا زيرآبي مورد اعتراض است، به جاي مسير برگشت از طريق زمين، ممكن است از يك مسير برگشت فلزي استفاده شود. در اين صورت هادي اي كه مسير فلزي برگشت را تشكيل مي دهد، در ولتاژ پايين قرار دارد. ساختار خط دو قطبي در شكل ديگر نشان داده شده است. اين خط، داراي دو هادي يكي مثبت و ديگري منفي است. و پايانه داراي دو كنورتور با ولتاژ نامي مساوي است كه در طرف جريان مستقيم به طور سري به هم متصل شده اند. محل اتصال بين كنورتورها، زمين شده است. معمولا، جريانهاي دو قطب، به طور مستقيم كار كنند. اگر به علت بروز خطايي بر هادي يك قطب جدا شود، قطب ديگر مي توانند با زمين كار كند و بدين ترتيب نيمي يا بيشتر از بار نامي را با استفاده از قابليتهاي اضافه بار كنورتورها و خط خود، حمل نمايد.

خط ارتباطي دو قطبي HVDC
از نظر عملكرد در برابر صاعقه، يك خط در قطبي HVDC، عملا معادل با يك خط انتقال جريان متناوب دو مداره است. در حالت كاركرد معمولي، اين خط به طور چشمگيري نسبت به سيستم تك قطبي، تداخل هارمونيكي كمتري بر امكانات و تاسيسات جنبي ايجاد مي كند. تغيير جهت انتقال توان فقط با پلاريته دو قطب از طريق كنترلها (و بدون هيچ كليدزني مكانيكي) عملي مي شود. در حالتي كه جريانهاي زمين قابل تحمل نيست يا زماني كه به علت دلايلي از قبيل مقاومت بالاي زمين، استف

اده از الكترود زمين عملي نيست، يك هادي سوم به عنوان سيم خنثاي فلزي استفاده مي شود.
زماني كه يك قطب از سرويس خارج شود يا زماني كه عدم تعادلي طي عمل دو قطبي وجود دارد، اين هادي به صورت مسير برگشت عمل مي كند. هادي سوم، نيازمند عايقكاري كمي است و همچنين مي تواند به عنوان سيم محافظ براي خطوط هوايي عمل نمايد. اگر اين هادي، به طور

كامل عايقكاري شود، مي تواند به عنوان يدكي استفاده شود. خط هم قطبي كه ساختار آن در شكل زير نشان داده شده، داراي دو يا تعداد بيشتري هادي است كه همگي داراي پلاريته يكسان هستند. معمولا پلاريته فني ترجيح داده مي شود زيرا باعث تداخل كمتري ناشي از پديده كرون مي شود. مسير برگشت براي چنين سيستمي از طريق زمين است. زماني كه خطايي بر روي يك هادي وجود داشته باشد، تمام كنورتور براي تغذيه هادي (هاي) ديگر در دسترس است كه با تحمل مقداري اضافه بار، مي توانند بيشتر از توان نامي، توان حمل نمايد. در مقابل، در يك طرح در قطبي، اتصال مجدد تمام كنورتور به يك قطب خط، پيچيده تر است و معمولا عملي نيست. از اين رو در حالتي كه جريان پيوسته زمين قابل قبول است ساختار تك قطبي بر ساير آرايشها، ترجيح دارد.
شكل: خط ارتباطي هم قطبي HVDC

جريان زمين مي تواند تاثيري جنبي بر خطوط لوله گاز يا نفتي كه در محدوده حدود چند مايل از الكترودهاي سيستم واقعند، داشته باشند. خطوط لوله به عنوان هادي براي جريان زمين ما كه مي تواند باعث خوردگي فلز شود عمل مي كند بنابراين ممكن است،ساختارهايي كه از مسير گذشت زمين استفاده مي كنند هميشه قابل قبول نباشد هر يك از ساختارهاي فوق در مورد سيمهاي HVDC معمولا داراي گروههاي متوالي از چندين كنورتور است كه هريك داراي يك مجموعه ترانسفورمري و گروهي شير است .كنورتورهاي به طور موازي در جريان متناوب (ترانسفورمر) و به طور سري در طرف جريان مستقيم متصل مي شوند تا سطح مطلوب ولتاژ از قطب به زمين تامين شود.سيستمهاي دو طرفه HVDC (كه براي خطوط ارتباطي ناهماهنگ استفاده مي شود ) ممكن است با تعداد متفاوتي از گروههاي شير به ازاي هر قطب (بسته به هدف از ايجاد ارتباط و قابليت اعتماد مطلوب ) براي عملكرد به صورت تك قطبي يا دو قطبي طرلحي شوند .اغلب خطوط نقطه به نقطه (دو پايانه اي) HVDC شامل خطوط دو قطبي هستند كه از عملكرد تك قطبي ، فقط در طي بروز اغتشاش استفاده مي شود معمولا اين خطوط به گونه اي طراحي مي شود تا به منظور اجتناب از قطع دو قطبي حداكثر عدم وابستگي را بين قطبها فراهم آورند زماني كه قرار باشد سيستم جريان مستقيم به بيش از دو گروه در طرف شبكه جريان متناوب متصل شود يك سيستم چند پايانه اي HVDC تشكيل مي شود.
اجزاي سيستم انتقال HVDC :
اجزاي اصلي مربوط به يك سيستم HVDC در شكل (براي يك سيستم دو قطبي به مثال)نشان داده شده است مولفه ساير ساختار ها كلا مشابه آنچه در شكل آمده مي باشد ذيلا بحث مختصر در هر مورد بيان مي گردد.
كنورتورها: كنورتورها تبديل جريان متناوب به جريان مستقيم و بالعكس را انجام مي دهند و شامل پلهاي شير و ترانسفورمرهاي داراي تغيير دهنده تپ مي باشند. پلهاي شير كامل شامل شيرهاي

فشارقوي هستند كه به صورت ۶ پالسي يا ۱۲ پالسي به هم متصل مي شوند. ترانسفورمرهاي كنورتور، منبع ولتاژ زيرزميني سه فاز با سطح مناسب را براي پل شير فراهم مي آورند. زماني كه طرف شير ترانسفورمر به زمين متصل نباشد، معمولا سيستم جريان مستقيم خواهد توانست با

زمين كردن طرف مثبت يا منفي كنورتور شير، مرجع خود به زمين را تامين كند.
(نموداري از سيستم دوقطبي HVDC با نمايش مولفه هاي اصلي)

راكتورهاي هوارساز
اين راكتورهاي به بزرگي تا ۱/. H هستند كه به طور سري با هر قطب ه پست كنورتور متصل مي شوند. اهداف اين راكتورها به صورت زير استك
• كاهش ولتاژها و جريانهاي هارمونيك در خط جريان مستقيم
• جلوگيري از نقص كموتاسيون در اينورتورها
• جلوگيري از گسستگي جريان در بار كم
• محدود كردن مقدار اوج جريان در يكسوسازي طي اتصال كوتاه در خط جريان مستقيم

فيلترهاي هارمونيك:
كنورتورها در طرفهاي جريان متناوب و جريان مستقيم، ولتاژها و جريانهاي هارمونيك توليد مي كنند. اين هارمونيك هاي ممكن است موجب اضافه حرارت خازنها و ژنراتورهاي نزديك و نيز تداخل با سيستمهاي مخابرات دور شود. از اين رو در هر دو طرف جريان متناوب و مستقيم از فيلتر استفاده مي شود.

منابع توان راكتيو:
همچنان كه خواهيم ديد، كنورتورهاي جريان مستقيم به طور ذاتي، توان راكتيو را جذب مي نمايند. در حالت ماندگار، توان راكتيو مصرفي حدود ۵۰ درصد توان حقيقي انتقالي است. در حالبت گذرا، اين مقدار ممكن است بسيار بيشتر باشد. بنابراين توان راكتيو، نزديك كنورتورها مورد استفاده قرار مي گيرند. درستيهاي قوي جريان متناوب معمولا اين منابع به صورت خازنهاي موازي هستند. بسته به تقاضاي وارد بر خط ارتباطي جريان مستقيم و بر سيستم جريان متناوب، بخشي از منبع توان راكتيو ممكن است به صورت كنوانسور سنكرون يا جبرانگر استاتيكي توان راكتيو (S

VC) باشد. همچنين خازنهاي مربوط به فيلترهاي جريان متناوب بخشي از توان راكتيو مورد نياز را فراهم مي آورند.

الكترودها:
اغلب خطوط جريان مستقيم به نحوي طراحي مي شوند كه حداقل براي دوره هاي كوتاهي از زمان، از زمين به عنوان هادي خنثي استفاده كنند. به منظور كاهش چگاليهاي جريان و گراديانهي ولتاژ سطحي، اتصال به زمين نيازمند يك هادي سطح بزرگ است اين هادي به الكترو

د موسوم است. همچنان كه قبلا شرح داده شد، اگر لازم باشد كه عبور جريان از طريق زمين محدود شود، ممكن است از يك هادي فلزي برگشتي به عنوان بخشي از خط جريان مستقيم استفاده شود.

خطوط جريان مستقيم:
اين خطو ممكن است به صورت هوايي يا كابل باشند. بجز در مورد تعداد هاديها و فواصل مورد نياز، خطوط جريان مستقيم بسيار مشابه خطوط جريان متناوب هستند.

كليدهاي جريان متناوب:
براي رفع خطا در ترانسفورمر و نيز خارج كردن خط جريان مستقيم از مدار، از كليد در طرف جريان متناوب استفاده مي شود. از اين وسايل براي رفع خطاهاي جريان مستقيم استفاده نمي شود چرا كه اين نوع خطا را مي توان بسيار سريعتر به وسيله كنترل كنورتور رفع كرد.

نظريه و معادلات عملكرد كنورتور:
كنورتور، جريان متناوب را به جريان مستقيم تبديل مي كند و وسيله كنترل توان انتقالي را از طريق خط HVDC فراهم مي آورد. عناصر اصلي كنورتور، پل شير و ترانسفورمر كنورتور است. پل شير، مجموعه اي از كليدها يا شيرهاي فشار قوي است كه به دنبال هم ولتاژ متناوب سه فاز را به پايانه هاي جريان مستقيم متصل مي كند به گونه اي مطلوب و كنترل توان عملي گردد. ترانسفورمر كنورتور واسطه مناسب بين سيستمهاي جريان متناوب و جريان مستقيم را فراهم مي آورد.

مشخصه هاي شير:
در كنورتورهاي HVDC، شير، يك كليد الكترونيكي قابل كنترل است. معمولا، شير در يك جهت به طرف جلو و از آند به كاتد، هدايت مي كند كه در هنگام هدايت، فقط افت ولتاژ كمي دوسر آن وجود دارد. در جهت معكوس، زماني كه ولتاژ اعمالي چنان باشد كه كاتد نسبت به آند مثبت باشد شير جلو عبور جريان را مي گيرد.
سيستمهاي اوليه HVDC از شيرهاي قوس جيوه اي استفاده مي شود. شيرهايي از اين نوع يا جريان نامي حدود ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ آمپر و ولتاژ معكوس اوج نامي ۵۰ تا ۱۵۰ كيلوولت ساخته و استفاده شده اند. از ميان عيوب شيره

اي قوس جيوه اي مي توان به اندازه بزرگ آنها و تمايل آنها به هدايت در جهت عكس اشاره كرد.
تمام سيستمهاي ساخته شده HVDC از اواسط دهه ميلادي از شيرهاي تريستوري استفاده كرده اند. شيرهاي تريستوري با جريان ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ آمپر و ولتاژ نامي ۳ تا ۵ كيلوولت ولتاژ ساخته شده اند. به منظور دستيابي به سطح مطلوب ولتاژ، تريستورها به صورت سري بسته مي شوند.
شيرها در انواع مختلف از جمله: خنك شونده با آب، عايق شده با هوا، خنك شونده با گاز فريون و عايق شده با گاز Sf6 وجود دارند. شيرها را مي توان در مصارف سر پوشيده و سرباز استفاده كرد. اگر شير بخواهد هدايت كند لازم است كه آند آن نسبت به كاتد مثبت باشد. در يك شير قوس جيوه اي كه دريچه اي كنترلي در ولتاژي به اندازه كافي منفي نسبت به كاتد باشد، شير از هدايت ممانعت مي شود هر چند ممكن است آند، مثبت باشد. لحظه آتش مي توان به وسيله دريچه، كنترل شود.

به طور مشابه يك شير تريستوري فقط زماني هدايت مي كند كه اولا آند نسبت به كاتد مثبت باشد و دوما ولتاژ مثبتي به دريچه، اعمال گردد. هدايت مي تواند با اين پالس موقتي يا دائم جريان با پلاريته صحيح به دريچه شروع شود. زماني كه هدايت آغاز شود جريان توسط شير، تا زماني ادامه مي يابد كه جريان به صفر كاهش يابد و يك باياس ولتاژ معكوس، دو سر شير پديدار گردد. در اين حالت در جهت پيشرو، تا زماني كه يك پالس كنترلي به ديچه اعمال شود، جريان متوقف مي شود. زماني كه شير هدايت نكند بايد شير بتواند ولتاژهاي باياس معكوس را در جهت پيشرو را كه بين كاتد و آند پديدار مي شود تحمل نمايد.

شكل نحوه نمايش يك شير قابل كنترل (قوس جيوه اي يا تريستوري) را نشان مي دهد.

مدارهاي كنورتور
بخش اصلي يك كنورتور HVDC، مدار پل موج كامل سه فاز شكل زير است اين مدار به پل گراتز معروف است. اگرچه تركيبات متنوع چندي ممكن است، پل گراتز به طور عمومي براي كنورتورهاي HVDC استفاده شده است زيرا امكان استفاده بهتر از ترانسفورمر كنورتور و ولتاژ كمتر در سر شير را زماني كه هدايت نمي كند، فراهم مي آورد مورد دوم به ولتاژ معكوس اوج موسوم است و عامل مهمي است كه ظرفيت شيرها را معلوم مي كند.

«مدار پل سه فاز موج كامل»
به منظور كنترل ولتاژ، تراسنفورمر كنورتور داراي تپ زير بار در طرف جريان متناوب است، سيم پيچهاي طرف جريان متناوب ترانسفورمر معمولا به صورت ستاره بسته شده و نقطه خنثاي آن زمين مي شود. سيم پيچهاي طرف شير به صورت مثلث يا ستاره (با نقطه خنثاي زمين نشده) بسته مي شوند.

بررسي مدار پل موج كامل سه فاز:
به منظور بررسي، نكات زير مفروض است:
الف)سيستم جريان متناوب از جمله ترانسفورمر كنورتور را مي توان با منبع ايده آل با ولتاژ و فركانس ثابت، به طور سري با اندوكتانس بدون تلفات (كه به طور عمده نمايشگر اندوكتانس نشتي ترانسفورمر است) نمايش داد.
ب)جريان مستقيم Id ثابت و بدون نوسان اسن. توجه اين موضوع بدين صورت است كه راكتور هموارساز بزرگي (Ld) در طرف جريان مستقيم استفاده شده است.
ج)شيرها، كليدهاي ايده آلي هستند كه در زمان هدايت مقاومت آنها صفر و در زماني كه هدايت نمي كنند مقاومت آنها بي نهايت است. با توجه به فرضيات شكل زير را مي توان نماي
توجه: شيرها به ترتيب آتش شماره گذاري شده اند.
فرض كنيد كه ولتاژهاي لحظه اي فاز به نقطه خنثاي منبع به صورت زير باشد.

,
بنابراين ولتاژهاي خط به خط به صورت زير خواهد بود.

,
به منظور تسهيل در امر تحليل و كمك به درك عملكرد كنورتوريل، ابتدا حالتي را، كه اندك

جود ندارد، بررسي مي كنيم. بعد از درك اوليه عملكرد كنورتور، تحليل را به حالتي كه تاخيري در روشن شدن شير از طريق كنترل دريچه وجود دارد و سپس حالت تاثير اندوكتانس منبع، تعميم مي دهيم.

ابزار اساسي كنترل:
ولتاژ سيستم در هر نقطه روي خط (يا توان) مي توان به كمك كنترل ولتاژهاي داخلي و كنترل شود. اين كار به وسيله كنترل دريچهزاويه روشن شدن شير يا كنترل ولتاژ جريان متناوب از طريق تپ ترانسفور كنورتور عملي مي شود. كنترل دريچه كه سريع است (۱ تا ۱۰ ميلي ثانيه) و تغيير تپ كه كند است (۵ تا ۶ ثانيه به ازاء هر گام) به صورت مكمل استفاده مي شوند. در ابتدا از كنترل دريچه

اي براي عملكرد سريع استفاده مي شود و پي از آن به منظور باز گرداندن كميتهاي كنتور (a براي يكسوساز و r براي اينورتور) به محدوده معمول خود ، از تغيير تب استفاده مي شود معكوس كردن جهت انتقال توان با معكوس كردن پلاريتن ولتاژهاي مستقيم در هر دو انتها صورت مي پذيرد.
مباني انتخاب كنترلها :
ملاحضات زير بر انتخاب مشخصه هاي كنترلي تاثير مي گذارد:
۱- جلوگيري از تغييرات شديد در جريان مستقيم ناشي از تغييرات ولتاژ جريان متناوب سيستم ۲- حفظ ولتاژ سيستم در نزديكي مقدار نامي ۳- حفظ ضرايب توان در انتهاي خطوط فرستنده و گ

يرنده تا حد ممكن در مقادير بالا ۴- جلوگيري از نقض كمو تاسيون در اينورتورها و حالت معكوس هدايتي دريكسوسازهايي كه از شيرهاي قوس جيوهاي استفاده مي كنند .
يكي ازشروط مهم عملكرد رضا يتبخشي خط ارتباطي HVDC كنترل سريع كنورتورها به منظور جلوگيري ار تغييرات شديد در جريان مستقيم است با مراجعه به معادلات مقاوتهاي خط و كنورتور كوچك است بنابراين تغيير كوچكي در vd.rيا dd.j باعث تغيير بزرگي در مي شود به عنوان مثال يك تغيير ۲۵ درصدي وولتاژ يكسو ساز يا اينورتور مي تواند باعث تغييري تا ۱۰۰ در صد در جريان مستقيم گردد اين موضوع به طور ضمني دلالت بر اين دارد اگر ثابت نگاه داشته شوند ، جريان مستقيم مي تواند در مقا بل تغييرات كوچكي در دامنه ولتاژ متناوب هر طرف در محدوده وسيعي تغيير نمايد .براي عملكرد رضايتبخشي سيستم قدرت ، چنين تغييراتي عموما غير قابل قبول است به علاوه جريان حاصل ممكن است به اندازه اي زياد باشد كه باعث آسيب رسيدن به شيرها و ساير تجهيزات شود . بنابراين براي عمل صحيح سيستم ، كنترل سريع كنوتور به منظور جلوگيري از نوسانهاي جريان مستقيم، اسالي است بدون چنين كنترلي ، سيستم HVDC غير عملي است . براي يك توان انتقالي مشخص بايد نمايه ولتاژ مستقيم در طول خط نزديك به مقدارنامي باشد اين موضوع باعث حداقل سازي جريان مستقيم و در نتيجه تلفات شود . دلايل چندي براي حفظ مقادير بالاي ضريب توان وجود دارد ، از جمله:
الف) حفظ توان نامي كنورتور تا حد ممكن در مقا دير بالا ، براي ظرفيتهاي مشخص ولتاژ جريان ترانسفورمر وشير
ب)كا هش تنش در شيرها
ج) حداقل سازي تلفات و ظرفيت جريان تجهيزات در سيستم جريان متناوبي كه كنورتوربه آن متصل است.
د) حداقل سازي افت ولتاژ در پايانه هاي جريان متناوب در مقابل افزايش بار.
ه‍( حداقل سازي هزينه تامين توان راكتور به كنورتورها:

بنابراين براي كسب ضريب توان بالا ، بايد a براي يكسوسازي و براي اينورتور را تا حد ممكن پايين نگه داشت . اما براي اطمينان از ولتاژ كا في دو سر شير از آتش ها يكسوساز نيازمند پا ييني از حد تقريبا برابر ۵۰ براي است. به عنوان مثال در حالت تريستوري، ولتاژ مثبت ظاهر شده در دو سر هر تريستور قبل از آتش، به منظور شارژ مدار تغذيه كه انرژي پالس آتش به تريستور را تامين مي كند مورد استفاده واقع مي شود، بنابراين، آتش نمي تواند زودتر از ي كمتر از ۵۰ رخ دهد در نتيجه

معمولا يكسوساز د مقدار حدود ۱۵۰ تا ۲۰۰ عمل مي كند به گونه اي كه جايي براي افزايش ولتاژ يكسوساز براي كنترل توان انتقالي جريان مستقيم وجود داشته باشد. در حالت اينورتوري لازم است كه به منظور اجتناب از نقص كموتاسيون، زاويه خاموش شدن در حداقل مقدار خود حفظ شود

. به منظور اجاره به ديونيزه شدن قبل از اينكه ولتاژ كموتاسيون در يا معكوس شود، مهم است كه اطمينان حاصل شود كه با ماشينه كافي، كموتاسيون تكميل مي شود. زايوه خاموش شدن مساوي است كه همپوشاني M بستگي به Id و ولتاژ كموتاسيون دارد. به علت امكان تغيير در جريان مستقيم و ولتاژ متناوب حتي بعد از اينكه كموتاسيون شروع شده باشد بايد حاشيه كافي كموتاسيون بالاتر از حد پايين حفظ شود. به طور نوعي، مقدار با حاشيه قابل قبول براي سيتسمهاي ۱۵ , ۵۰ Hz و براي سيستمهاي ۸۰ , ۶۰Hz است.

مشخصه هاي كنترل:

مشخصه هاي ايده آل:
در تامين ملاحظات اساسي مذكور، مسئوليتهاي تنظيم ولتاژ و تنظيم جريان، تفكيك و به پايانه هاي جداگانه واگذار مي شود. در حالت عادي كار، يكسوساز، جريان ثابت CC را حفظ مي كند و اينورتور با كار با زاويه خاموش شدن ثابت (CEA) حاشيه كموتاسيون كافي را حفظ مي نمايد. اساس اين فلسفه كنترلي به بهترين صورت با استفاده از مشخصه هاي حالت ماندگار ولتاژ جريان (V-I) توضيح داده مي شود. ولتاژ Vd و جريان Id كه محورها را تشكيل مي دهند، ممكن است در نقطه مشتركي بر روي خط جريان مستقيم اندازه گيري شود. اين نقطه در پايانه يكسوساز انتخاب شده است. مشخصه هاي يكسوساز و اينورتور هر دو در حالت يكسوسازي اندازه گيري شده است. از اين رو مشخصه اينورتور، افت ولتاژ دو سط خرا شامل مي شود. با توجه به اينكه يكسوساز، جريان ثابت را حفظ مي كند مشخصه V-I كه به صورت خط AB در شكل نشان داده شده يك خط عمودي است كه از شكل قبل داريم:
مشخصه هاي ايده آل حالت ماندگار V-I

از اين رابطه، مشخصه اينورتور را با حفظ در يك مقدار ثابت مي دهد. اگر مقاومت كموتاسيون Rci كمي بزرگتر از مقاومت خط RL باشد