أهمية استخدام محول التردد الكهربائي العالي لتحويل (AC/AC)
مع الانخفاض الحاد في الطاقة الأحفورية، أصبح توليد الطاقة المتجددة تدريجياً اتجاهاً لا مفر منه في صناعة الطاقة، بحيث تعد طاقة الرياح من أكثر الخيارات تنافسية نظراً لنظافتها، كما أن طاقة الرياح البحرية هي المحرك الرئيسي لتحقيق هدف الطاقة المتجددة العالمي، لكن تكاملها الشبكي لا يزال نقطة ساخنة للبحث، حيث أن البحث عن المحول هو الرابط الرئيسي.
ومع زيادة مستوى جهد الخرج لتوربينات الرياح، لم يعد المحول التقليدي ذو المستويين أو الثلاثة قابلاً للتطبيق، وفي القرن الحادي والعشرين، ظهر المحول المعياري متعدد المستويات (MMC)، والذي شجع على توليد سلسلة من المحولات الجديدة.
كما تم استخدام (MMC) في الأصل في تقنية التيار المباشر عالي الجهد (HVDC)، نظراً لمزايا التصميم المعياري للغاية وسهولة التوسع والجودة الجيدة لشكل موجة الجهد الناتج وخصائص الطاقة الممتازة؛ فهي تعتبر علامة فارقة في تطوير طوبولوجيا محول مصدر الجهد الكهربائي، وفي الوقت الحاضر، هناك العديد من الدراسات المنشورة حول (MMC).
كما وتركز محتويات البحث بشكل أساسي على طوبولوجيا الدائرة الرئيسية وتصميم المتطلبات وإنشاء النموذج الرياضي وتحليله وطريقة التعديل واستراتيجية التحكم وتكنولوجيا محاكاة الكمبيوتر وتصميم التجارب والأجهزة الصناعية وتنفيذها.
كذلك الاستثمار الإنشائي لمحطة التحويل البحرية وإزالة مكونات أعطال التيار المستمر يجلب بعض الصعوبات لتطبيق (MMC-HVDC)، لذلك يُقترح نظام نقل التردد الجزئي (FFTS)، والذي يُشار إليه أحياناً أيضاً على أنه نظام نقل تيار منخفض التردد (LFAC)، وذلك كحل جديد لتكامل شبكة طاقة الرياح البحرية، كذلك تتم مراجعة نتائج البحث الحالية الخاصة بـ (LFAC) وتناقش أفكار تصميم مكونات الإرسال الخاصة بـ (LFAC) في الخارج.
كما تم شرح ضرورة استخدام (LFAC) في مجال توصيل شبكة طاقة الرياح البحرية، بحيث تلغي (LFAC) محطة المحول البحرية وينقل خط النقل الطاقة الكهربائية منخفضة التردد إلى الشاطئ، كما ويقوم محول التردد بتحويل الطاقة الكهربائية من التردد المنخفض إلى تردد الشبكة.
أيضاً يمكن استخدام محولات (التيار المتردد / التيار المتردد) عالية الطاقة والجهد العالي على نطاق واسع في الهندسة العملية، كما وتلعب دوراً لا يمكن الاستغناء عنه في الشبكات غير المتزامنة وطاقة الرياح البحرية ونقل طاقة التردد الكهربائي الجزئي لمسافات طويلة واستغلال الغاز البترولي تحت سطح البحر وبناء قاع البحر.
نظام (HFT-MMC) المقترح
(HFT-MMC) المقترح في هذا الطرح موضحة في الشكل التالي (1)، بحيث تتميز بكثافة الطاقة العالية، كما أن عدم وجود تيار دائري يؤكد جودة شكل موجي لجهد الخرج الجيد، وذلك بسبب استخدام محول (HF) يمكنه تحقيق الاتصال التسلسلي المباشر لوحدات (IF ، FF) في نفس الوقت، كما ويتم إلغاء محول (IF) باهظ الثمن ذو الحجم الكبير والوزن الثقيل، مما يمكن أن يقلل التكاليف بشكل فعال.
بالمقارنة مع محولات (التيار المتردد / التيار المتردد) الحالية عالية الطاقة الكهربائية؛ فإن المحول المقترح في هذه الورقة يحتوي على عدد أقل من الفروع وسعة إجمالية أصغر لـ (IGBT) ومكثفات أقل.
التكوين المقترح: يتم توصيل نظامين (AC) ثلاثي الطور بترددات وسعات مختلفة بكلا طرفي (HFT-MMC)، المقترح، بحيث تشير (u ، v ، w ، a ، b ، c) إلى مطاريف أنظمة (IF و، FF)، كما ويتم تمثيل ترددات النظام المقابلة لها على التوالي على أنها (fs ، fl).
لذلك، يمكن افتراض أن الفولتية والتيارات ثلاثية الطور في الجانب (IF) هي على التوالي (Vsu ، Vsv ، Vsw ، isu ، isv ، isw) والجهود التيارات ثلاثية الطور والتيارات في جانب (FF) هي على التوالي (Vla ، Vlb Vlc ، ila ، ilb ، ilc)، كما يتم تعريف النقاط المحايدة على جانبي (IF و FF) على أنها (O و، O ′) على التوالي.
النموذج الرياضي الديناميكي في إحداثيات (DQ): من أجل تسهيل النمذجة الرياضية لـ (HFT-MMC)، بحيث يمكن أن يكون جانب المعدل وجانب العاكس لكل وحدة فرعية في فرع (HFT-MMC) مكافئاً لمجموعة من مصدر الجهد المتحكم فيه ومصدر التيار المتحكم فيه، وبالتالي فإن نموذج الدائرة المبسط يمكن الحصول على (HFT-MMC)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2).
بحيث ينتج عن تطبيق قانون الجهد (Kirchhoff – (KVL)) على الشكل السابق (2):
مخطط التحوير: يتم استخدام تعديل عرض النبضة المتغير طور الحامل التقليدي (CPS-PWM) على جانب المعدل، حيث أن المبدأ الأساسي هو استخدام إشارة التشكيل الجيبية للمقارنة مع الموجة الحاملة المثلثية بنفس التردد ونفس السعة التي تتحرك بزاوية ثابتة بدورها بشكل متماثل، كما يوضح الشكل التالي (3) والشكل (4) التخطيطي لتوليد إشارة الزناد ومنطق (IGBTs) للمقوم، كما ويتم الحصول على إشارات الزناد (Sin_2 و Sin_4) عن طريق عكس إشارات (Sin_1 و Sin_3).
وعلى أساس (CPS-PWM)، يضاف ارتباط اختيار إلى منطق توليد إشارة الزناد للعاكس، بحيث بأخذ (Smid_1) كمثال، كما تتم مقارنة إشارات الزناد (G1) و (G3) بنبضة مستطيلة متزامنة مع الموجة الحاملة المثلثية، بحيث حدد (G1) عندما تكون الإشارة المتزامنة (1) وحدد (G3) عندما تكون الإشارة المتزامنة (0)، وذلك لتوليد إشارة إطلاق جديدة من (Smid_1)، كما حدد (G3) عندما تكون الإشارة المتزامنة (1)، وهي وحدد (G1) عندما تكون الإشارة المتزامنة (0)، وذلك لتوليد إشارة إطلاق (Smid_3).
كما هو معروف للجميع؛ فإن (CPS-PWM) لديها أربعة أوضاع تبديل، وفي هذا الطرح يولد تعديل (PWM) المقترح للعاكس أوضاع التبديل الأربعة من خلال الجمع بين إشارات (G1) و (G3) والإشارات المتزامنة، والتي تتضمن ثمانية أوضاع مركبة، لذلك يمكن أن يجعل تبديل (IGBTs) أكثر تكرارا ويحقق تعديل (HF) لجهد الخرج للعاكس، كما يوضح الشكل التالي (5) والشكل (6) التخطيطي والمنطق لتوليد إشارات الزناد لـ (IGBTs)، وترد حالات التبديل للوحدة النمطية في الجدول التالي (1).
وبالنسبة لمحول السيكلوكونفيرتر؛ فإنه يحتوي على محولين ثنائي الاتجاه، بحيث يتكون كل منهما من سلسلتين عكسيتين (IGBTs) تطبقان نفس نبضة الزناد، كما يتم تشغيل المفتاحين ثنائي الاتجاه بواسطة النبضات المعاكسة، وذلك بأخذ المفتاح ثنائي الاتجاه العلوي.
كمثال عندما تكون نبضة الزناد عالية المستوى؛ فإنه يكون المفتاح ثنائي الاتجاه ويكون جهد الخرج هو نفسه جهد الدخل، وخاصةً عندما تكون نبضة الزناد منخفضة المستوى؛ فإنه يكون المفتاح في وضع إيقاف ثنائي الاتجاه وينعكس جهد الخرج فيما يتعلق بجهد الدخل، لذلك يحقق التعديل استعادة جهد الدخل العالي لمحول السيكلوكونفيرتر
وأخيراً يمكن أن يضمن استخدام نفس إشارة الموجة المربعة المتزامنة للعاكس والمحول الدوامي أن (IGBTs) في مفتاح المحول الحلقي عندما يكون جهد الدخل صفراً (ZVS) لعملية استعادة النبض.
