سیستم‌های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (High Voltage Direct Current یا HVDC) یکی از مهم‌ترین فناوری‌ها در انتقال توان الکتریکی در فواصل طولانی هستند. این سیستم‌ها به دلیل کاهش تلفات انتقال، قابلیت اتصال شبکه‌های ناهمگون با فرکانس‌های متفاوت و کنترل دقیق توان عبوری، در شبکه‌های قدرت مدرن کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. در این شبیه‌سازی، عملکرد حالت ماندگار و گذرای یک سیستم انتقال HVDC مبتنی بر مبدل‌های تریستوری 12 پالسه با توان نامی 1000 مگاوات بررسی می‌شود.

این سیستم شامل یک لینک HVDC با ولتاژ 500 کیلوولت و جریان 2 کیلوآمپر است که وظیفه انتقال توان الکتریکی بین دو شبکه قدرت با مشخصات متفاوت را بر عهده دارد. شبکه سمت یکسوکننده دارای ولتاژ 500 کیلوولت، توان اتصال کوتاه 5000 مگاولت‌آمپر و فرکانس 60 هرتز است، در حالی که شبکه سمت اینورتر دارای ولتاژ 345 کیلوولت، توان اتصال کوتاه 10000 مگاولت‌آمپر و فرکانس 50 هرتز است. استفاده از لینک HVDC امکان تبادل توان بین این دو شبکه با فرکانس‌های متفاوت را فراهم می‌کند.

معرفی ساختار سیستم انتقال HVDC

در این مدل، هر دو سمت سیستم انتقال شامل مبدل‌های 12 پالسه هستند. مبدل 12 پالسه از اتصال سری دو پل تریستوری 6 پالسه تشکیل شده است. استفاده از ساختار 12 پالسه باعث کاهش هارمونیک‌های جریان و ولتاژ شده و کیفیت توان سیستم را بهبود می‌دهد. در سمت ارسال، مبدل به عنوان یکسوکننده (Rectifier) عمل کرده و انرژی الکتریکی AC را به DC تبدیل می‌کند. در سمت دریافت، مبدل به عنوان اینورتر (Inverter) انرژی DC را دوباره به AC تبدیل کرده و به شبکه مقصد تزریق می‌کند.

اتصال بین دو مبدل توسط یک خط انتقال DC با طول 300 کیلومتر مدل‌سازی شده است. این خط انتقال با استفاده از مدل پارامترهای توزیع‌شده (Distributed Parameter Line) شبیه‌سازی شده است تا رفتار واقعی‌تر خط در شرایط گذرا و تغییرات سریع جریان و ولتاژ نمایش داده شود. همچنین در دو طرف لینک DC از راکتورهای هموارکننده با اندوکتانس 0.5 هانری استفاده شده است. این راکتورها وظیفه کاهش ریپل جریان DC و محدود کردن تغییرات سریع جریان را بر عهده دارند.

مدل ترانسفورماتورها و جبران توان راکتیو

در این شبیه‌سازی، تغییر دهنده‌های تپ ترانسفورماتورها مدل نشده‌اند و مقدار تپ‌ها ثابت در نظر گرفته شده است. در بخش یکسوکننده ضریب ولتاژ اولیه ترانسفورماتور برابر 0.90 و در سمت اینورتر برابر 0.96 در نظر گرفته شده است. این ضرایب برای تنظیم سطح ولتاژ مناسب ورودی مبدل‌ها استفاده می‌شوند.

مبدل‌های تریستوری HVDC برای عملکرد خود نیازمند توان راکتیو قابل توجهی هستند. برای تأمین توان راکتیو مورد نیاز، مجموعه‌ای از بانک‌های خازنی و فیلترهای هارمونیکی در دو سمت سیستم نصب شده‌اند. این فیلترها شامل فیلترهای هارمونیک مرتبه 11، مرتبه 13 و فیلترهای High Pass هستند که در مجموع توان راکتیو 600 مگاوار را در هر سمت تأمین می‌کنند. علاوه بر جبران توان راکتیو، این فیلترها باعث کاهش اعوجاج هارمونیکی ناشی از عملکرد مبدل‌های تریستوری می‌شوند.

سیستم‌های حفاظتی در لینک HVDC

برای افزایش قابلیت اطمینان سیستم انتقال، عملکردهای حفاظتی مختلفی در هر دو مبدل پیاده‌سازی شده است. در سمت یکسوکننده، سیستم حفاظت خطای DC وظیفه تشخیص خطاهای موجود در لینک جریان مستقیم و کاهش سریع جریان خطا را بر عهده دارد. این حفاظت با انتقال زاویه آتش تریستورها به محدوده عملکرد اینورتر باعث خاموش شدن جریان خطا می‌شود.

در سمت اینورتر، سیستم جلوگیری از شکست کموتاسیون (Commutation Failure Prevention Control) قرار دارد. شکست کموتاسیون یکی از مشکلات مهم در مبدل‌های خط کموتاسیون تریستوری است که در اثر کاهش ولتاژ AC ورودی یا کاهش حاشیه کموتاسیون رخ می‌دهد. این سیستم با کاهش حد مجاز زاویه تأخیر، حاشیه کموتاسیون را افزایش داده و احتمال وقوع خطا را کاهش می‌دهد.

همچنین بلوک تشخیص کاهش ولتاژ AC (Low AC Voltage Detection) در سیستم حفاظتی فعال است. این بلوک هنگام تشخیص افت ولتاژ شدید AC، حفاظت خطای DC را قفل می‌کند تا از عملکرد اشتباه سیستم حفاظتی جلوگیری شود. کنترل اصلی سیستم (Master Control) وظیفه راه‌اندازی، توقف، افزایش تدریجی جریان مرجع و کاهش جریان مرجع مبدل‌ها را بر عهده دارد.

راه‌اندازی سیستم و رسیدن به حالت ماندگار

در ابتدای شبیه‌سازی، سیستم به صورت خودکار راه‌اندازی شده و پس از عبور از شرایط گذرا به حالت ماندگار می‌رسد. در زمان 0.02 ثانیه، مبدل‌ها فعال شده و جریان مرجع به صورت تدریجی افزایش پیدا می‌کند. جریان ابتدا به مقدار 0.1 پریونیت در مدت 0.3 ثانیه افزایش می‌یابد. در پایان این مرحله، ولتاژ لینک DC به مقدار نامی خود رسیده و شرایط پایدار اولیه ایجاد می‌شود.

در مرحله بعد، از زمان 0.4 ثانیه جریان مرجع از مقدار 0.1 پریونیت به مقدار نامی 1 پریونیت افزایش می‌یابد. این افزایش در مدت 0.18 ثانیه انجام شده و در پایان فرآیند راه‌اندازی، جریان DC به مقدار پایدار 2 کیلوآمپر می‌رسد.

پس از رسیدن سیستم به حالت پایدار، یکسوکننده کنترل جریان را بر عهده دارد و اینورتر کنترل ولتاژ را انجام می‌دهد. زاویه آتش تریستورها در حالت پایدار در سمت یکسوکننده حدود 16.5 درجه و در سمت اینورتر حدود 143 درجه است. همچنین زاویه خاموشی یا Extinction Angle در سمت اینورتر بین 22 تا 24 درجه قرار دارد که نشان‌دهنده عملکرد مناسب کموتاسیون مبدل است.

توقف کنترل‌شده سیستم HVDC

در زمان 1.4 ثانیه فرآیند توقف سیستم آغاز می‌شود. ابتدا جریان DC به مقدار 0.1 پریونیت کاهش داده می‌شود. سپس در زمان 1.6 ثانیه، زاویه آتش اجباری در یکسوکننده اعمال شده و جریان DC خاموش می‌شود. در سمت اینورتر نیز کنترل Forced Alpha باعث کاهش ولتاژ لینک DC می‌شود. در نهایت در زمان 1.7 ثانیه پالس‌های کنترلی هر دو مبدل مسدود شده و سیستم به طور کامل متوقف می‌شود.

بررسی پاسخ گذرای کنترل‌کننده‌های جریان و ولتاژ

برای بررسی عملکرد کنترل‌کننده‌ها، تغییرات ناگهانی در جریان مرجع و ولتاژ مرجع اعمال می‌شود. ابتدا در زمان 0.7 ثانیه جریان مرجع از مقدار 1 پریونیت به 0.8 پریونیت کاهش داده شده و سپس در زمان 0.8 ثانیه به مقدار اولیه بازگردانده می‌شود. سیستم توانایی بازیابی سریع داشته و جریان تقریباً در مدت 0.1 ثانیه پایدار می‌شود.

همچنین تغییرات پله‌ای در ولتاژ مرجع اینورتر در زمان‌های 1 و 1.1 ثانیه اعمال می‌شود. این تغییرات برای ارزیابی عملکرد حلقه کنترل ولتاژ و بررسی توانایی سیستم در دنبال کردن مراجع جدید استفاده می‌شوند.

بررسی خطای DC در سمت یکسوکننده

یکی از آزمایش‌های مهم در این شبیه‌سازی، اعمال خطای اتصال کوتاه در خط DC سمت یکسوکننده است. هنگام وقوع خطا، جریان DC به سرعت افزایش یافته و به حدود 2.3 پریونیت می‌رسد. هم‌زمان ولتاژ DC در سمت یکسوکننده کاهش یافته و تقریباً به صفر می‌رسد.

کاهش ولتاژ توسط کنترل‌کننده محدودکننده جریان وابسته به ولتاژ (Voltage Dependent Current Order Limiter) تشخیص داده شده و جریان مرجع به مقدار 0.3 پریونیت کاهش می‌یابد. با وجود این کاهش، جریان خطا همچنان در مدار باقی می‌ماند. پس از تشخیص افت ولتاژ طولانی‌تر از 70 میلی‌ثانیه، سیستم حفاظت DC زاویه آتش یکسوکننده را به 166 درجه تغییر می‌دهد.

با این تغییر، یکسوکننده وارد حالت اینورتر شده و انرژی ذخیره شده در خط DC را به شبکه AC بازمی‌گرداند. این فرآیند باعث کاهش سریع جریان خطا و خاموش شدن آن در اولین عبور جریان از صفر می‌شود. پس از رفع خطا، سیستم در حدود 0.4 ثانیه دوباره به شرایط عادی بازمی‌گردد.

بررسی خطای تک‌فاز به زمین در سمت اینورتر

در آزمایش دوم، یک خطای تک‌فاز به زمین در شبکه AC سمت اینورتر اعمال می‌شود. این خطا به مدت 6 سیکل ادامه دارد. در زمان وقوع خطا، نوسانات 120 هرتزی در ولتاژ و جریان DC مشاهده می‌شود که ناشی از اختلال در فرآیند کموتاسیون مبدل‌ها است.

پس از حذف خطا، کنترل‌کننده VDCOL جریان مرجع را کاهش داده و سیستم تقریباً در مدت 0.35 ثانیه بازیابی می‌شود. سیستم تشخیص افت ولتاژ AC، خطا را شناسایی کرده و از فعال شدن اشتباه حفاظت DC جلوگیری می‌کند.

کنترل جلوگیری از شکست کموتاسیون نیز با کاهش حد زاویه تأخیر، حاشیه کموتاسیون را افزایش می‌دهد. اگر این حفاظت غیرفعال شود، در هنگام بازیابی سیستم شکست کموتاسیون رخ داده و ولتاژ DC مبدل کاهش شدیدی پیدا می‌کند. این پدیده باعث افزایش جریان DC با نرخ مشخص شده توسط اندوکتانس مدار می‌شود.

نتیجه‌گیری شبیه‌سازی سیستم انتقال HVDC مبتنی بر تریستور

این شبیه‌سازی یک سیستم انتقال HVDC واقعی با توان 1000 مگاوات را بررسی می‌کند و عملکرد آن را در شرایط مختلف شامل راه‌اندازی، توقف، تغییرات مرجع کنترل، خطای DC و خطای AC نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهند که استفاده از مبدل‌های 12 پالسه تریستوری همراه با سیستم‌های کنترلی و حفاظتی مناسب، امکان انتقال توان پایدار و مطمئن در فواصل طولانی را فراهم می‌کند.

مدل‌سازی چنین سیستم‌هایی در محیط Matlab و Simulink به مهندسان قدرت اجازه می‌دهد رفتار دینامیکی شبکه‌های HVDC را پیش از پیاده‌سازی عملی بررسی کرده و الگوریتم‌های کنترلی و حفاظتی را بهینه‌سازی کنند. این شبیه‌سازی نمونه‌ای کامل از کاربرد Matlab در تحلیل سیستم‌های قدرت پیشرفته و طراحی شبکه‌های انتقال انرژی الکتریکی مدرن محسوب می‌شود.