الاستقرار التوافقي القائم على إلكترونيات التيار الكهربائي المتردد

تتناول هذه الدراسة الاستقرار التوافقي الناجم عن التفاعلات بين التحكم في النطاق العريض لمحولات الطاقة والمكونات السلبية في نظام طاقة قائم على إلكترونيات التيار المتردد، بحيث يتم استخدام النهج التحليلي القائم على الممانعة وتوسيعه إلى شبكة ثلاثية الطور متداخلة ومتوازنة تهيمن عليها محولات متعددة يتم التحكم فيها بالتيار والجهد مع مرشحات (LCL) و (LC).

تحليل الاستقرار التوافقي القائم على إلكترونيات التيار المتردد

نمت نسبة أجهزة إلكترونيات القدرة في أنظمة الطاقة الكهربائية في السنوات الأخيرة، وهي مدفوعة بالتطور السريع لمصادر الطاقة المتجددة والمحركات متغيرة السرعة، ونتيجة لذلك أصبحت أنظمة الطاقة القائمة على إلكترونيات الطاقة مكونات مهمة للشبكات الكهربائية، مثل محطات الطاقة المتجددة والشبكات الصغيرة  وأنظمة السكك الحديدية الكهربائية.

كما تمتلك هذه الأنظمة ميزات فائقة لبناء شبكات الطاقة الحديثة، بما في ذلك إمكانية التحكم الكامل والاستدامة والكفاءة المحسنة، ولكنها أيضاً تجلب تحديات جديدة. تميل التوافقيات عالية الترتيب إلى التفاقم بسبب عملية التبديل عالية التردد لمحولات الطاقة، والتي قد تؤدي إلى الرنين المتوازي والمتسلسل في نظام الطاقة.

لذلك قد تظهر تفاعلات أنظمة التحكم ذات النطاق العريض لمحولات الطاقة مع بعضها البعض ومع المكونات السلبية ظواهر عدم استقرار لنظام طاقة قائم على إلكترونيات القدرة في نطاقات التردد المختلفة ، بحيث بذلت جهود بحثية مستمرة للتحقيق في عدم الاستقرار في أنظمة الطاقة القائمة على إلكترونيات التيار المتردد.

الدراسات المختصة باستقرار التذبذبات القائمة على الكترونيات التيار المتردد

تركز العديد من الدراسات على التذبذبات منخفضة التردد الناتجة عن التحكم المستمر في القدرة للمحولات كأحمال طاقة ثابتة أو مولدات طاقة ثابتة حلقة مغلقة الطور (PLL) للمحولات المتصلة بالشبكة الكهربائية والتحكم في الطاقة القائم على التدلي للمحولات في الشبكات الصغيرة الجزرية، وذلك بصرف النظر عن هذه التذبذبات المرتبطة بالتحكم في الطاقة الخارجية وحلقات تزامن الشبكة.

كذلك قد تؤدي تفاعلات التيار الداخلي السريع أو حلقات التحكم في الجهد أيضاً إلى ظواهر عدم استقرار توافقي، أي تذبذبات التردد التوافقي (عادةً من مئات هرتز إلى عدة كيلوهرتز) بسبب إلى السلوك الاستقرائي أو السعوي للمحولات في نطاق التردد الكهربائي، وعلاوة على ذلك يمكن أيضاً إنشاء عدم الاستقرار التوافقي هذا أو تضخيمه عن طريق التحكم في المحولات في تفاعل مع ظروف الرنين التوافقي التي تقدمها مرشحات الطاقة عالية الترتيب للمحولات والمكثفات الطفيلية لكابلات الطاقة.

كما تم الإبلاغ عن مثل هذه الظواهر بشكل متكرر في أنظمة الطاقة المتجددة والسكك الحديدية عالية السرعة، كما وتتحدى استقرار النظام وجودة الطاقة، لذلك من المهم تطوير نهج النمذجة والتحليل الفعال لمشكلة الاستقرار التوافقي في أنظمة الطاقة القائمة على إلكترونيات التيار المتردد.

النهج التحليلي العام لمشكلة الاستقرار التوافقي لإلكترونيات التيار المتردد

يتمثل النهج التحليلي العام لمشكلة الاستقرار التوافقي في بناء نموذج فضاء الحالة لنظام الطاقة وتحديد الأنماط المتذبذبة بناءً على القيم الذاتية والمتجهات الذاتية لمصفوفة الحالة، ومع ذلك وعلى عكس أنظمة الطاقة التقليدية حيث يتم تحديد الديناميات بشكل أساسي بواسطة الآلات الدوارة؛ تتطلب الثوابت الزمنية الصغيرة لمحولات الطاقة نماذج مفصلة للأحمال وديناميكيات الشبكة في أنظمة الطاقة القائمة على إلكترونيات القدرة.

وبالتالي قد تصبح صياغة مصفوفات النظام معقدة، وعادة ما تكون هناك حاجة إلى المقاومات الافتراضية لتجنب المشاكل غير المشروطة، وللتغلب على هذه الحدود تم تقديم طريقة توصيل المكون (CCM) لتحليل استقرار أنظمة طاقة التيار المتردد بما في ذلك خطوط نقل التيار المباشر ذات الجهد العالي، كما تعد (CCM) أساساً شكلاً معيناً من نماذج فضاء الحالة حيث يتم نمذجة مكونات نظام الطاقة وديناميكيات الشبكة بشكل منفصل بواسطة مجموعة من معادلتين متجهتين أو مصفوفة.

نمذجة نظام الاستقرار التوافقي لإلكترونيات التيار المتردد

يصف هذا القسم أولاً بنية نظام الطاقة القائم على إلكترونيات الطاقة في هذه الدراسة، ثم يستعرض (CCM) والنهج القائم على المعاوقة لنمذجة وتحليل الاستقرار التوافقي في نظام الطاقة.

وصف النظام الكهربائي: يوضح الشكل التالي (1) مخططاً مبسطاً من سطر واحد لنظام الطاقة المتوازن القائم على إلكترونيات الطاقة ثلاثية الطور والذي يتم تناوله في هذه الدراسة، حيث يتم ربط محولات يتم التحكم فيها بالجهد واثنين من المحولات التي يتم التحكم فيها حالياً كشبكة طاقة متشابكة من خلال الطاقة الكابلات، كما ينظم العاكس الذي يتم التحكم فيه بالجهد تردد النظام وسعة الجهد.

كذلك تعمل المحولات التي يتم التحكم فيها حالياً باستخدام عامل طاقة واحد. في مثل هذا النظام؛ فإن وجود مكثفات التحويل في مرشحات (LC) و (LC)L للمحولات وكابلات الطاقة يجلب ترددات الطنين، والتي قد تتفاعل مع حلقات التحكم في الجهد والتيار للجهد والتيار المتحكم فيهما مما يؤدي إلى اهتزازات التردد التوافقي والتشويه التوافقي غير المتوقع.

ومن ناحية أخرى، قد تؤدي التفاعلات الديناميكية بين حلقات التحكم الداخلية للعاكسات أيضًا إلى تشغيل ترددات الرنين الموجودة في نظام الطاقة، وهذا يستلزم بالتالي استخدام (CCM) أو التحليل القائم على الممانعة للكشف عن كيفية تفاعل العاكسات مع بعضها البعض ومع ظروف الرنين التوافقي في النظام الكهربائي.

طريقة توصيل المكون: يوضح الشكل التالي (2) مخطط كتلة (CCM) المطبق على نظام الطاقة المدمج، حيث يقوم (CCM) بتفكيك النظام الكلي إلى ثلاثة أنظمة فرعية بواسطة محولات وشبكة الاتصال، بحيث يتم نمذجة اثنين من العاكسات التي يتم التحكم فيها حاليًا بواسطة دارات (Norton) المكافئة، بينما يتم تمثيل العاكس الذي يتم التحكم فيه بالجهد بواسطة دائرة مكافئة (Thevenin)، وبالتالي يمكن اشتقاق نموذج العاكس المركب مما يلي:

النهج القائم على المعاوقة: يوضح الشكل التالي (3) الدوائر المكافئة لمحولات التحكم في الجهد والتيار المطبقة في التحليل القائم على المعاوقة، كما من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن هذا النهج أيضاً يصوغ بشكل منفصل الديناميكيات الداخلية للعاكسات عن طريق مقاومة الإخراج والقبول، ومع ذلك وبشكل مختلف عن (CCM)، كذلك ليست هناك حاجة لتراكم وظائف تحويل الإشارة إلى المخرجات والاضطراب إلى المخرجات كمصفوفات نقل في النهج القائم على المعاوقة.

وأخيراً ناقشت هذه الدراسة، وذلك من خلال إجراء النمذجة والتحليل لمشكلة الاستقرار التوافقي في أنظمة الطاقة القائمة على إلكترونيات التيار المتردد.، كما تمت مراجعة طريقتين جذابة لتحليل الاستقرار أي (CCM) والنهج القائم على المعاوقة لفترة وجيزة، كذلك لقد وجد أن النهج القائم على المعاوقة يوفر أداة تحليل أكثر كفاءة من الناحية الحسابية وموجهة نحو التصميم من (CCM).

كما تم توسيع النهج القائم على الممانعة إلى شبكة متداخلة ومتوازنة ثلاثية الطور، حيث تمت دراسة عدم الاستقرار التوافقي الناتج عن تفاعلات حلقات التحكم الداخلية لمحولات التحكم في الجهد والتيار، كذلك تم تطوير طريقة لاشتقاق نسب الممانعة بناءً على مصفوفة القبول العقدية للنظام. أظهرت محاكاة المجال الزمني والنتائج التجريبية أن النهج المقترح يمكن أن يكون وسيلة واعدة لمعالجة عدم الاستقرار التوافقي في أنظمة الطاقة القائمة على إلكترونيات التيار المتردد.