التحكم الافتراضي القائم على الممانعة للمحولات الكهربائية

آلية التحكم الافتراضي القائم على الممانعة للمحولات الكهربائية

إن التطورات الحديثة في أشباه موصلات الطاقة ومعالجات الإشارات الرقمية تدفع التقدم في تقنيات التحكم لمحولات الطاقة الإلكترونية، بحيث تم تطوير العديد من استراتيجيات التحكم بدءاً من نظام التحكم الخطي الكلاسيكي ذي التغذية الراجعة الفردية أو المتعددة وحلقات التغذية الأمامية إلى طرق التحكم غير الخطية، مثل التحكم في التغذية الراجعة الخطية، كما أن التحكم في الوضع الانزلاقي والتحكم القائم على (Lyapunov)، قد تظهر مخططات التحكم غير الخطية هذه استجابة عابرة وسلوكاً مستقراً عالمياً.

كما توفر مخططات التحكم القائمة على الممانعة الافتراضية من بين بدائل التحكم الخطية الأخرى، وهي طريقة جذابة لتشكيل التشكيلات الديناميكية للمحولات، حيث أن الممانعة الافتراضية هي في جوهرها مفهوم تحكم غير ضياع موجه نحو الدائرة، حيث أنه يكشف عن البصيرة المادية في مختلف حلقات التحكم في التغذية الراجعة التغذية.

كما يمكن العثور على المحاولة المبكرة لاستخدام مفهوم الممانعة الافتراضية في التحكم في الوضع الحالي لمحول التيار المستمر، حيث توفر حلقة التحكم الحالية الداخلية في الواقع مقاومة تخميد سلسلة افتراضية مع مرشح (LC).

على مدى السنوات الماضية، تم استخدام الممانعات الافتراضية بشكل متزايد للتحكم في (VSCs) و (CSCs)، بحيث مدفوعة بشكل أساسي بأنظمة توليد الطاقة المتجددة سريعة النمو والأحمال الموفرة للطاقة في الشبكات الكهربائية، وذلك من خلال تشكيل ممانعة خرج التحكم، بحيث لا يمكن استخدام المعاوقة الافتراضية فقط للتحكم في تدفق الطاقة الكهربائية.

ولكن تمكن المحولات من توفير الخدمات المساعدة، مثل خلل الشبكة واضطراب الركوب والتعويض التوافقي غير المتوازن والممانعات القابلة للبرمجة، علاوة على ذلك يمكن للممانعات الافتراضية أيضاً تحسين متانة استقرار المحولات مقابل ظروف الشبكة والتحميل المختلفة، كما تزداد أهمية هذه الوظيفة في أنظمة الطاقة المستندة إلى إلكترونيات القدرة الناشئة.

حيث قد تتسبب التفاعلات بين حلقات التحكم للمحولات الكهربائية والمرشحات السلبية والمكونات التفاعلية الأخرى في حدوث ظواهر عدم الاستقرار على مدى تردد واسع، لذلك تطبيق شائع آخر للممانعات الافتراضية هو تحسين تقاسم الأحمال بين المحولات المتوازية، مثل إمدادات الطاقة المتوازية غير المنقطعة ووحدات التوليد الموزع (DG).

كما يتم تنفيذ الممانعات الافتراضية بشكل عام بناءً على التغذية المرتدة لحالات مرشح الإخراج أو التغذية الأمامية لمتغيرات الاضطراب، بحيث يمكن تصميم وحدات التحكم داخل تلك الحلقات بمصطلح نسبي أو المصطلحات القائمة على المرشح، وذلك لتجميع ممانعات افتراضية مختلفة، واعتماداً على هياكل حلقات المعاوقة الافتراضية، قد تتأثر خصائص الممانعات الافتراضية بالتأخيرات الزمنية التي يسببها الحساب الرقمي وتعديل عرض النبضة (PWM)، كما وتكون خاضعة لحلقات التحكم في التيار المتردد / الجهد.

هياكل التحكم العامة مع تكوينات المعاوقة الافتراضية

يوضح الشكل التالي (1) هياكل التحكم العامة لثلاث مراحل (VSCs)، وذلك مع مرشحات (LCL- / LC)، بحيث يعمل (VSC) المرشح (LCL) كمصدر حالي، وهو ما يرد في الشكل(1-a)، كما يتم التحكم في تيار الشبكة (ig) بواسطة وحدة تحكم [Gci (s)] الحالية ويتم تنظيم جهد (dc-link Vdc) على أنه ثابت باستخدام وحدة تحكم متكاملة (PI)، كما يتم استخدام حلقة مغلقة الطور (PLL) لمزامنة الشبكة عند نقطة الاقتران المشترك (PCC).

كما يتم التحكم في (VSC) المرشح بواسطة (LC)، وذلك لكي يتصرف مثل مصدر الجهد، والذي يمكن أن يعمل في كل من الوضعين المتصلين بالشبكة والجزيرة، كما هو موضح في الشكل (1-b)، وفي هذه الحالة، يُفترض وجود جهد ثابت متصل بالتيار المستمر ويتم تنظيم جهد (PCC)، وذلك بواسطة وحدة التحكم في الجهد Gcv (s) ويتم التحكم في الطاقة النشطة والمتفاعلة إما باستخدام مزامنة الطاقة النشطة والتحكم في الطاقة التفاعلية القائم على (PI)  أو بواسطة القوة الفعالة – التردد (P – ω) والقدرة التفاعلية – الجهد (Q –V) التحكم في التدلي.

بشكل عام، يمكن تكوين حلقتين للمقاومة الظاهرية لتشكيل معاوقة خرج التحكم.

• المعاوقة الافتراضية الداخلية (Zvi)، والتي يتم تطبيقها مباشرة على مغير (PWM)، وبالتالي تتأثر بالتأخيرات الزمنية لنظام التحكم الرقمي، كما يمكن أن يعتمد إما على التغذية الأمامية لمتغيرات الاضطراب مع وحدة التحكم [Gvi ، 1 (s)] أو يمكن تحقيقها من خلال ردود فعل حالات المرشح باستخدام وحدة التحكم [Gvi ، 2 (s)].

• كما أن المقاومة الظاهرية الخارجية [Zvo (s)]، والتي تعدل مرجع وحدة التحكم في التيار المتردد أو الجهد الكهربائي باستخدام التغذية المرتدة لمتغير الاضطراب [Gvo (s))]، ومن ثم؛ فهي تخضع لديناميكيات حلقات التحكم في التيار المتردد والجهد.

كما يوضح الشكل التالي (2) بنية تحكم عامة للـ (CSCs) ثلاثية الأطوار المفلترة (CL)، والتي يتم التحكم فيها كمصدر حالي بواسطة وحدة التحكم [Gci (s)]، يتم التحكم في معرف التيار المستمر بوصلة التيار المستمر باعتباره ثابتًا بواسطة وحدة تحكم (PI)، كما يتم استخدام PLL لمزامنة جهد (PCC)، وذلك وفقاًَ للازدواجية بين (VSCs) التي تمت تصفيتها بواسطة (LC ، CSC) المفلترة (CL) أي [(iLf (VSC) → VCf)] [(CSC) ، VLf (VSC) → iCf (CSC) ، VCf (VSC) → ig (CSC) ، iCf (VSC) → VLf (CSC)].

كما يمكن صياغة حلقات المعاوقة الافتراضية بناءً على ردود فعل حالات مرشح (CL)، وعلاوة على ذلك ونظراً لأنه يتم التحكم أيضاً في تيار الشبكة مثل (VSCs) المرشحة (LCL)، بحيث يمكن تكوين المعاوقة الظاهرية الخارجية، والتي تعتمد على ردود فعل متغير الاضطراب ، بنفس الطريقة الموضحة في الشكل السابق (1-a).

تشكيل معاوقة خرج التحكم الكهربائي

تعتبر نماذج الإشارة الصغيرة من (VSCs و CSCs) مطلوبة لتوضيح تشكيل معاوقة خرج التحكم بواسطة الممانعات الافتراضية، ومع ذلك لحساب ديناميكيات (PLL) لحلقة التحكم في الجهد / التيار المستمر وحلقة التحكم في الطاقة النشطة / التفاعلية، وعادةً ما يتم طلب مصفوفات النقل متعددة المدخلات والمخرجات المشتقة في إطار (dq) الدوار، مما يؤدي إلى تعقيد توليفات الممانعات الافتراضية.

ولتسهيل اشتقاق النماذج القائمة على الممانعة، بحيث تم الإبلاغ عن استخدام نموذج الخط التوافقي ونموذج (dq) ذي الترتيب المنخفض، ومع ذلك؛ فإن معظم الممانعات الافتراضية يتم تكوينها فقط باستخدام حلقات التحكم في التيار المتردد أو الجهد، حيث يتم استخدام مرشحات التيار المتردد فقط.

وبالتالي يمكن تمثيل الأنظمة من خلال وظائف نقل خرج فردي دخل واحد في إطار (αβ) الثابت أو وظائف النقل المعقدة في إطار (dq) الدوار، لذلك يتم حساب ديناميكيات الحلقة المغلقة فقط لحلقات التحكم في التيار المتردد  أو الجهد لتوضيح تأثيرات الممانعات الافتراضية.

كما يوضح الشكل التالي (3) المخططات العامة لحلقة التحكم في التيار المتناوب لمحطات (VSCs) المرشحة (LCL) و (CSCs) المرشحة (CL) وحلقة التحكم في جهد التيار المتردد لمحطات (VSCs) المرشحة (LC)، كما يتم تضمين كل من وحدات التحكم في المعاوقة الافتراضية الداخلية والخارجي.

بحيث يشير [Gfv (s) و Gdv (s)] إلى وظائف النقل من خرج التحكم والاضطراب (تيار الشبكة أو جهد PCC) إلى حالات المرشح على التوالي، والتي يتم تغذيتها مرة أخرى في حلقة المعاوقة الافتراضية الداخلية، كما تمثل [Gd (s)] التأخيرات الزمنية الموروثة من نظام التحكم الرقمي، والتي تشمل فترة أخذ عينات واحدة لتأخير الحساب باعتبارها أسوأ حالة ، ومكافئ الاحتفاظ بالترتيب الصفري لتأثير (PWM).