اعتبارات التخطيط المتعرج لنظام المولد الكهربائي المتكامل

يعد نظام المولد الكهربائي المعدل والمتكامل بمثابة بنية واعدة لحصاد الطاقة في توربينات الرياح البحرية، كما يعالج النظام غالبية الطاقة الواردة باستخدام ثنائيات سلبية موثوقة وفعالة وغير مكلفة تعمل على تردد خط المولد، بحيث يؤدي التخلص من المكثفات عند خرج مقومات الصمام الثنائي عن طريق التحويل الطوري المناسب لجهد المولد.

معاينة اعتبارات التخطيط المتعرج لنظام المولد الكهربائي المتكامل

الرياح البحرية هي مصدر طاقة متجددة ناشئ مع زيادة سريعة في القدرة المركبة، كذلك كانت المولدات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSGs) مع محولات الطاقة الكاملة هي الخيار المفضل لتجميع الطاقة، على سبيل المثال، تعتمد (Gamesa 10X) و (GE Haliade X) و (Vestas V164) والمصنفة بين (10) و (14) ميجاوات على هذه البنية الثابتة.

وعلى النقيض من ذلك؛ تعمل بنية معدل المولد المتكامل على تقليل كمية الطاقة التي تتم معالجتها بواسطة المقوم النشط عن طريق الاستخدام المكثف للديودات المنفعلة التي تعمل على تردد خط المولد، بحيث يوضح الشكل التالي (1) البنية الهندسية للنظام على التوالي، بحيث تقوم المقومات السلبية بمعالجة (60٪) من إجمالي القدرة الكهربائية، بينما ينظم المعدل النشط تدفق الطاقة لتحقيق أقصى قدر من التوربينات لتتبع نقطة القدرة.

أيضاً يعمل تقليل التصحيح النشط جنباً إلى جنب مع التخلص من مكثفات المرشح الضخمة للمقوم السلبي عن طريق تغيير الطور للقوى الدافعة الكهربائية الخلفية للمولد (EMFs) على تحسين كثافة طاقة النظام الإجمالية وكفاءته وموثوقيته.

نطاق التصميم والتحكم الخاص بالمولد الكهربائي متعدد المنافذ

اعتبر تصميم وتحليل والتحكم في نظام المولد المتكامل المولد سابقاً المولد متعدد المنافذ كمنافذ تيار متردد معزولة تم تصميمها باستخدام مقاومة متسلسلة ومحاثة ومقاومة مصدر جهد، بحيث يعتمد على السرعة (R) ومحث (L) وقوة دافعة كهربائية خلفية (H) (RLE)، ومع ذلك؛ فإن تفاعل المولد المعدل يكون معقد؛ خاصةً عندما تكون منافذ التيار المتردد مقترنة مغناطيسياً.

أيضاً المساهمة الرئيسية لهذه المقالة هي إطار تحليلي لالتقاط التفاعل بين منافذ التيار المتردد المختلفة والمعدلات من خلال النظر في مصفوفة الحث الكامل للمولد والتقاط كل الحث الذاتي والحث المتبادل، بحيث يتم اشتقاق متطلبات مصفوفة الحث لضمان صلاحية نموذج (RLE) المعزول من منظور التصميم والتحكم؛ حتى في وجود اقتران مغناطيسي بين منافذ التيار المتردد المختلفة. يكشف التحليل عن مفاضلة بين تموج طاقة ناقل التيار المستمر وعدم توازن الطاقة بين القسمين النشط والسلبي للمولد.

إطار التكامل العام في المولد الكهربائي والمقاوم

يقدم هذا القسم تمثيلاً دائرياً معمماً لنظام المولد الكهربائي، وهو المعدل المتكامل مع الأخذ في الاعتبار الاقتران المغناطيسي عبر جميع مراحل المولد. يتم اشتقاق شروط الفصل المغناطيسي بافتراض أن النقاط المحايدة لجميع منافذ التيار المتردد معزولة كهربائياً، وفي ظل هذه القيود؛ فإنه يمكن التحكم في المعدل النشط كمصدر تيار مستمر ويمكن تمثيل منافذ التيار المتردد للمقوم السلبي باستخدام دوائر (RLE) المكافئة.

كما أنه يتم بعد ذلك إنشاء دائرة لكل وحدة لتقييم تموج طاقة ناقل التيار المستمر وعدم توازن طاقة الخرج بين أحد المنافذ السلبية والمنافذ النشطة، وأخيراً يتم إنشاء مفاضلة بين هاتين الكميتين، بحيث يمكن استخدام منحنى المقايضة هذا كمدخل إضافي لتصميم المولد لتحقيق تموج معين لطاقة ناقل التيار المستمر ونسبة طاقة الإخراج بين المنافذ النشطة والمنفعلة.

تمثيل الدائرة الكهربائية المعممة لنظام المولد المتكامل

يوضح الشكل التالي (2) تمثيل الدائرة المعمم لنظام (مولد – مقوم) بشكل متكامل يعتمد على مولد منفذ (k) مع اقتران مغناطيسي ممثل باستخدام مصادر الجهد المعتمدة على التيار الكهربائي، بحيث يقوم المنفذ (P1) بتشغيل مقوم نشط ويتم توصيل كل من المنفذ الآخر بمقوم سلبي ثلاثي الطور بدون مكثف إخراج.

كذلك يتم نمذجة كل مرحلة في منفذ التيار المتناوب بواسطة مصدر (emf) يعتمد على السرعة ومحاثة ذاتية ومقاومة ومصدر جهد كهربائي معتمد على التيار، كما وتكون وكلها متصلة في سلسلة مترابطة، وبشكل عام؛ فإن المرحلة (A) للخلف (emf) وللمنفذ (Pi) هي:

حيث أن:

(Ei): هو السعة الكهربائية.

(ω): هو التردد الكهربائي.

(i): هو انزياح الطور النسبي بين المنفذ (Pi) والمنفذ (P2).

لذلك تتأخر (emfs) الخلفية للطور (B) و (C) لكل منفذ عن المرحلة (A) من جهة (emf)، وذلك بمقدار (2π / 3) و (4π / 3) على التوالي، كما يقلل (θi) المناسب بين المنافذ المنفعلة المختلفة من تموج الجهد المنفعل الإجمالي، وبالتالي يلغي الحاجة إلى مكثفات المرشح الضخمة من جانب التيار المستمر لتنعيم طاقة الخرج الكلية.

شروط فصل منافذ التيار الكهربائي المتردد المختلفة

من وجهة نظر الدائرة الكهربائية؛ فإنه يتم فصل الأطوار إذا كان مصدر الجهد المعتمد على التيار في مرحلة واحدة يمكن تمثيله فقط كدالة للتيار في نفس المرحلة، كما يتضح من المعادلة التالية يتكون الجهد من مكونين، وهما أحدهما بسبب مراحل مختلفة داخل نفس منفذ التيار المتردد والآخر من منافذ التيار المتردد المختلفة.

لذلك دائماً ما تكون التيارات في كل منفذ متوازنة بسبب عزل النقطة المحايدة، على سبيل المثال (IPiA + IPiB + IPiC = 0، ∀i = 1،…، k.)، بحيث يتم التخلص من اعتماد (V) على تيارات الطور الأخرى عن طريق الحفاظ على الحث المتبادل بين أي مرحلتين داخل نفس منفذ التيار المتردد، على سبيل المثال  (LPiA ،PiB = LPiA ،PiC)، كذلك يتم التخلص من (V) من خلال ضمان محاثة متبادلة متطابقة بين أي منفذي تيار متردد، على سبيل المثال (LPiA ،PjA = LPiA ) ، (PjB = LPiA ،PjC)، وذلك ضمن هذه الشروط.

حيث تشير (j) إلى جميع المنافذ الأخرى، كما يمثل (LPiA و PjX) الحث المتبادل بين المرحلة (A) من منفذ (Pi) والمرحلة (X) من منفذ (Pj)، كذلك يمكن أن تكون (X) إما (A أو B أو C) ويشير (IPjA) إلى المرحلة (A) الحالية في المنفذ (Pj).

وبالنسبة الى الدائرة المكافئة لكل وحدة التمثيل المكافئ لكل وحدة؛ فإنه يلغي الحاجة إلى الجهد الفعلي والطاقة الفعلية لتحليل الدائرة، وهذه الدائرة مفيدة لأن تفاعل المولد لكل وحدة مستقل عن الجهد الطرفي وقوة الخرج، كذلك يمكن تحجيم طول كومة المولد وعدد الدورات لتلبية مستويات الطاقة والجهد دون التأثير على ميزات نظام المعدل، مثل نسبة الطاقة التي تتم معالجتها بواسطة المعدل النشط وعدم توازن الطاقة بين منافذ التيار المتردد وقدرة ناقل التيار المستمر نسبة تموج.

وفي النهاية تقترح هذه الدراسة إطاراً عاماً لتحديد تأثير التفاعل بين محولات الطاقة الإلكترونية ومولد متعدد المنافذ باستخدام مصفوفة الحث، كما تضمن القيود الموجودة في هذه المصفوفة صلاحية نموذج (RLE) المعزول من منظور التحكم والتصميم، وذلك حتى عندما تكون منافذ المولد مقترنة مغناطيسياً.

كما يتم عرض المقايضة بين تموج طاقة ناقل التيار المستمر وعدم توازن الطاقة بين المنافذ النشطة والمنفذة للمولد الكهربائي، وبشكل حدسي؛ قد يتسبب الحث الأعلى للمولد في انخفاض أكبر للجهد أثناء تبديل الصمام الثنائي مما يؤدي إلى توفير طاقة أقل بواسطة المنافذ السلبية.