التحكم بتردد التبديل المتغير لتحسين كفاءة النظام الكهربائي

أهمية التحكم بتردد التبديل المتغير لتحسين كفاءة النظام الكهربائي

أدى الاستخدام المتزايد للعاكسات في تطبيقات التوليد الكهربائي الموزع وتخزين الطاقة إلى زيادة الاهتمام بكفاءة هذه الأجهزة في السنوات الأخيرة، بحيث تتأثر كفاءة محولات الطاقة المتصلة بنظام طاقة الطاقة (EPS) باللوائح، والتي تنص على حدود حقن التيار التوافقي لهذه الأجهزة عند نقطة الاقتران المشترك (PCC)، وفي التطبيقات السائدة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

كما يكون نادراً ما تعمل محولات الطاقة بالقيم المقدرة، حيث أن الكفاءة في الأحمال الخفيفة مصدر قلق كبير، لذلك فإن اختبارات الامتثال للتحكم بالتردد تأخذ في الاعتبار أول (40) توافقية فقط، كما يسمح هذا باستخدام ترددات تحويل منخفضة نسبياً (SFs)، وعادةً أعلى من (3) كيلو هرتز، ونظراً لأن التوافقيات عالية التردد الناتجة عن تعديل عرض النبض (PWM) ستكون في هذه الحالة أعلى من الحد المذكور.

أيضاً تعد كفاءة العاكس كوحدة منفصلة هي الشاغل الوحيد لمالك المورد الموزع (DR) عندما لا يكون مسؤولاً عن الخسائر في المنبع. في هذه الحالة، وبمجرد التحقق من أن (SF) المحدد يتوافق مع حدود الانبعاث التوافقي؛ فإنه يمكن الحفاظ عليه ثابتاً في أي حالة تشغيل، وفي معظم الحالات تؤدي زيادة (SF) إلى تقليل كفاءة الجهاز بسبب ارتفاع خسائر تحويل المحول، بينما قد يؤدي تقليل هذه المعلمة إلى عدم توافق الجهاز.

كما لوحظ أنه يجب إجراء الاختبارات ليس فقط بنسبة (100٪) ولكن أيضاً في (66٪ ، 33٪) من الناتج الحالي المقدر، حيث أن معظم الجهود التي بذلها باحثو إلكترونيات القدرة في السنوات الأخيرة في البحث عن تطبيقات ذات كفاءة أعلى تستند إلى هذا المفهوم الذي يتعامل مع (DR) كوحدة منفصلة، وبالتالي؛ فإن عدداً كبيراً من الدراسات تقترح طوبولوجيا طاقة بديلة لعاكس ربط الشبكة أو لمراحل (DC-DC) الداخلية من (DR)، وذلك كطريقة للحصول على كفاءة محسنة.

 التوافقيات الخاصة بالتيار الكهربائي و SF

كقاعدة عامة، تؤدي زيادة (SF) إلى إزاحة الطيف التوافقي للجهد عند أطراف المحول إلى نطاق تردد أعلى، وبالتالي يؤدي السلوك الاستقرائي للمرشح والشبكة الكهربائية إلى انخفاض في التوافقيات الحالية المستحثة بسبب ارتفاع مقاومة هذه التحريضات عند الترددات الجديدة، ومع ذلك من المهم ملاحظة أن الموعد النهائي لـ (IGBTs)، بحيث يحد من صحة البيان المذكور، مما يؤدي إلى ظهور التوافقيات منخفضة التردد (بشكل أساسي المرتبة الخامسة والسابعة) ومع تأثير متزايد في (SFs) أعلى.

ومع ذلك؛ فإنه يمكن التخفيف من هذا التأثير من قبل المنظمين الحاليين، الذين يستخدم عرض النطاق الترددي الخاص بهم ليكون ضمن هذه القيم، وكما يوضح الشكل التالي (1) التشويه الحالي للعاكس المعطى بواسطة المعلمات الموضحة في الجدول (1) كدالة في (SF)، وذلك وفقاً للمعيار المستخدم، حيث تم الإبلاغ عن هذه القيمة على أنها إجمالي تشويه التيار الكهربائي المقنن (TRD)، حيث أن:

والتي يمكن تعريفها على أنها مجموع مجموع الجذر التربيعي للتوافقيات الحالية المحقونة بواسطة وحدة (DR Ii) مقسومة على السعة الحالية المقدرة لتلك الوحدة (In) في الشكل التالي (1)، بحيث تم تقسيم (TRD) إلى فترتين، (TRDlf ، TRDhf) باستخدام التوافقي الأربعين المتضمن، وذلك كحد بين الترددات المنخفضة والعالية، وبالتالي يمكن ربط هذه المعلمات كـ:

وذلك يسمح بإظهار السلوك المختلف لتوافقيات (PWM) النظرية والأمور غير الواقعية التي يسببها الوقت الميت، وكما هو مبين في الشكل (1)؛ فإن تأثير الوقت الميت يصل إلى هذه الأهمية في (TRD) بحيث تصبح زيادة (SF) فوق حد معين تؤدي إلى نتائج عكسية، لذا قد يؤدي استخدام تقنيات تعويض الوقت الميت إلى رفع هذا الحد.

كما أنه من المثير للاهتمام أيضاً الإشارة إلى أن النتائج الموضحة في الشكل مستقلة عن حمل المحول، حيث يختلف المكون الأساسي فقط على نطاق كبير مع (SF) على العكس من ذلك وخاصة في الشبكات الضعيفة، بحيث يمكن أن تتأثر القيم الموضحة في هذا الرسم البياني إلى حد ما بمقاومة النظام في اتجاه المنبع من محطات المحول، والتي يشار إليها بمقاومة النظام في جميع أنحاء هذا البحث.

خسائر المحول الكهربائي والحدود الحرارية

يتم تحديد خسائر المحول (PVSC) بشكل أساسي عن طريق تبديل الخسائر (Psw) وخسائر التوصيل (Pcd)، كما يجب مراعاة القضايا الأخرى عند تقييم كفاءة هذه الأجهزة، مثل طاقة التبريد، ومع ذلك ونظراً لأنها لا تتأثر عادةً بـ (SF)؛ فلن يتم أخذها في الاعتبار في هذا الطرح.

كما تتأثر خسائر التحويل بشدة بـ (SF ، fsw) وكذلك بمستوى تحميل المحول (c)، وهو المحدد على أنه النسبة بين التيار الفعلي والتيار المقنن، وحتى إذا كان عامل القدرة للمحول يؤثر أيضاً على هذه المعلمة بسبب الاختلافات في ظاهرة التبديل؛ فإن هذا التأثير بالكاد يمكن ملاحظته ويمكن إهماله مع خطأ بسيط في هدف هذه الدراسة.

ونظراً لأن زيادة (SF) ينتج عنها ارتفاع نسبي في أحداث التبديل؛ فإن العلاقة بين (SF) وخسائر التبديل تكاد تكون خطية، بحيث تتأثر خسائر التوصيل من جانبها بشكل أساسي بحمل المحول وبشكل أكثر دقة بواسطة (SF)، وذلك بسبب التشوه الحالي المتزايد الذي ينشأ عند الترددات المنخفضة، ومع أخذ هذه الحقائق في الاعتبار؛ فإنه يمكن الحصول على نهج لخسائر المحول، مع (c ، fsw) كمعطيات باستخدام:

كما يتم تقييم خسائر الطاقة المذكورة أعلاه لوحدات طاقة (IGBT) المحددة المثبتة في المحول المستخدم للتحقق التجريبي المتضمن في القسم السابع مبين في الشكل التالي (2)، وذلك للحصول على الرسم البياني، بحيث تم تنفيذ نموذج (PLECS) للمحول الكهربائي، بحيث يتضمن هذا النموذج الأداء الحراري لوحدات الطاقة (IGBT)، والتي تسمح بتصوير القيود التشغيلية للمحول من حيث (SF).

وهكذا؛ فإن الاشتقاق الإلزامي للجهاز مبين في الشكل التالي (3)، كما وقد تم حساب هذا الرقم لكل (SF) عن طريق تقييم مستوى تحميل المحول الذي عنده تساوي درجة حرارة الوصلة لأجهزة الحالة الصلبة درجة الحرارة التي تم الوصول إليها عند القيم المقدرة.

لذلك إن تضمين هذه البيانات في جدول بحث ثنائي الأبعاد (LUT) جنباً إلى جنب مع استخدام الاستيفاء؛ يكفي للحصول على تقدير جيد لخسائر المحول كدالة لـ (c ، fsw) في التحسين المخطط المقترح في هذا الطرح، بحيث يتم تحليل استغلال هذا الجدول لأغراض التحكم عن طريق تشغيل المحول عند المتغير (SF)، وفي أي حال يتضح من خلال الشكل التالي (3) أنه إذا كان الأمر (SF f ∗ sw) يقع في المنطقة المحظورة من الرسم البياني؛ فإنه يجب تخفيضها إلى أقرب قيمة ممكنة (f ∗∗ sw).