التحكم في التدفق الافتراضي للقدرة الكهربائية ثلاثية الأطوار

في هذا البحث، تم تطوير وتنفيذ نظام تحكم تنبؤي في التدفق الافتراضي لنموذج التحكم الكهربائي المحدود (FCS-MPVFC) لمقوم ثلاثي الأطوار لتحقيق التحكم في الجهد غير المستشعر، وهو قوي جداً لتشغيل الجهد المشوه على جانب الشبكة الكهربائية، وذلك من خلال التحقيق في العلاقة بين التدفقات الافتراضية الناتجة عن الفولتية.

ضرورة التحكم في التدفق الافتراضي للقدرة الكهربائية ثلاثية الأطوار

لقد اكتسب المقوم من نوع “فيينا” ثلاثي الأطوار اهتماماً واسعاً نظراً لمزاياه المميزة من حيث كثافة الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة وتوافقيات تيار المدخلات المنخفضة وعامل قدرة الوحدة، ومن ثم فقد تم اعتباره حلاً واعداً يلبي متطلبات التطبيقات عالية الطاقة، مثل الطائرات وتوليد الرياح وأنظمة الاتصالات.

كذلك تم تقديم استراتيجيات تحكم مختلفة تتعلق بتصحيح عامل القدرة وتوازن الجهد بالنقطة المحايدة لمقوم فيينا، بما في ذلك التحكم في التباطؤ الحالي (HCC) والتحكم الموجه نحو الجهد القائم على التكامل النسبي (PI) والتحكم في دورة واحدة ( OCC) والتحكم المباشر في الطاقة (DPC) والتحكم التنبئي النموذجي (MPC).

على وجه الخصوص؛ فإن استراتيجية (HCC) لها عيب في تردد التبديل المتغير الذي ينتج عنه تعقيد التصميم في المرشح المنفعل، وفي كل من استراتيجيات المركبات العضوية المتطايرة و (DPC)، بحيث تتطلب تيارات الإدخال أن يتم فصلها إلى مكونات إنتاج الطاقة النشطة والتفاعلية، ومن ثم؛ فإن الحالة المستقرة والأداء الديناميكي لهاتين الاستراتيجيتين تعتمد بشكل أساسي على تقنية الفصل الحالية ومعلمات (PI) الدقيقة.

وعلاوة على ذلك؛ تتطلب طريقة المركبات العضوية المتطايرة عادةً حلقة مغلقة الطور (PLL) وكتلة استشعار للجهد والتيار الكهربائي وكتلة تعديل قائمة على ناقل، وبالتالي زيادة التعقيد الحسابي، وبعد ذلك تم اقتراح مخطط (OCC) المطور لتبسيط هيكل التحكم، وذلك بهدف تحسين استخدام جهد ناقل التيار المستمر وكفاءة النظام الكهربائي.

قيود الشغيل واستراتيجيات التحكم الكهربائي الخاصة بتدفق القدرة

على الرغم من اقتراح العديد من استراتيجيات التحكم؛ إلا أن معظمها فشل في مراعاة قيود التشغيل المتأصلة في مقوم فيينا، والذي تعتمد كائنات التحكم الخاصة به ليس فقط على حالات التبديل التي يمكن التحكم فيها، ولكن أيضاً على استقطاب تيارات المدخلات ثلاثية الطور، وبمجرد تجاهل القيود قد يحدث عدم توازن في جهد التيار المستمر عبر مكثفات وصلة التيار المستمر مما يؤدي إلى عدم القدرة على التحكم في مقوم “فيينا”، خاصةً في ظل عملية الجهد المشوه على جانب الشبكة الكهربائية.

وبالمقارنة مع الاستراتيجيات المذكورة أعلاه؛ تتميز (MPC) بالاستجابة الديناميكية المتوقعة والتنفيذ العملي للتحسين متعدد الأهداف والأداء الأقوى من حيث التحكم في الخطوط غير الخطية، ومن ثم فقد تم تطويره على نطاق واسع بالاقتران مع مقوم الواجهة الأمامية النشط ومحولات المصفوفة ونظام محرك المحرك خلال العقود الأخيرة ومجموعة التحكم المحدودة (FCS-MPC) هي واحدة واعدة.

وفي هذا المخطط؛ سيتم تحديد حالة التبديل المُحسَّنة مباشرةً كمدخل تحكم بناءً على قيود مختلفة، مثل موازنة جهد مكثف (DC-link)، أو خطأ تتبع التيار أو خطأ تتبع عزم الدوران أو تقليل تردد التبديل، ومن ناحية أخرى يتم تقليل تعقيد نظام التحكم الكهربائي بسبب التخلص من العنصر المتغير.

وصف نظام المقوم الكهربائي ثلاثي الأطوار Vienna

يوضح الشكل التالي (1) طوبولوجيا الدائرة لمقوم “فيينا” ثلاثي الطور، والذي يتكون من مقوم ثنائي الطور وثلاثة أزواج من المحولات القابلة للتحكم وثلاثة محاثات مرشح إدخال ومكثفتين بوصلة تيار مستمر، وعلى وجه الخصوص لا تتعلق الفولتية على جانب المعدل (uaN ، ubN ، ucN)، وهو المشار إليها بالنقطة المحايدة (N) فقط بحالات التبديل التي يمكن التحكم فيها ولكن أيضاً بأقطاب تيارات الإدخال المرتبطة، والتي ترجع إلى أن مقوم فيينا الحالي تخفيف القوة.

على سبيل المثال، إذا كان المحول (Sa) في وضع التشغيل؛ فسيتم تثبيت ساق الطور (a) على النقطة المحايدة (N ، uaN) ذات الوصلة الحالية صفر، ومع ذلك إذا كان المفتاح (Sa) في وضع إيقاف التشغيل؛ فستكون (uaN) مساوية لـ (+ udc / 2 (ia موجبة) أو (-udc / 2 (ia سالبة)، بحيث يمكن تطبيق نفس مبدأ التشغيل مباشرة على المرحلتين (b,c).

• النمذجة الرياضية: وفقاً للدائرة المكافئة لمعدل فيينا ثلاثي الطور كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث يمكن اشتقاق النموذج الرياضي لـ”فيينا” ثلاثي الطور من خلال:

حيث أن:

(L): هو حث مرشح الإدخال.

(R): هي مقاومة الخط.

(ei و ii): حيث (i=a , b , c ) هما الفولتية على جانب الشبكة وتيارات الدخل على التوالي.

• التحكم بالتيار التنبئي النموذجي التقليدي: لمعالجة قيود التشغيل المتضمنة في مقوم “فيينا” بشكل فعال؛ فإن الهدف من خوارزمية (FCS-MPCC) يكون متضمن في تتبع التيار وتوازن الجهد الكهربائي في النقطة المحايدة، ومن أجل البساطة فإنه يتم تنفيذ السلوك المستقبلي لمتغيرات التحكم بواسطة طريقة أويلر إلى الأمام مثل:

حيث أن [id (k + 1)] و [iq (k + 1)] هما التيارات المتوقعة والرمز “k” يعني فترة أخذ العينات (k ، Ts) هي فترة أخذ العينات.

الجهد غير المستشعر لمعدل فيينا ثلاثي الطور MPVFC

على وجه الخصوص، يتم الكشف عن الفولتية على جانب الشبكة مباشرة بواسطة ثلاثة مستشعرات للجهد الكهربائي، بحيث ثم يتم استخدامها في الفصل والتحكم (PLL) في مخطط (FCS-MPCC)، ومع ذلك قد يتدهور أداء خرج مقوم فيينا في حالة تشوه جهد جانب الشبكة إلى حد معين.

ولمعالجة هذه المشكلة والقضاء على مستشعرات الجهد من جانب الشبكة الكهربائية؛ فإنه تم اعتماد (VF) كمتغير تحكم بديل، علاوة على ذلك سيتم تحقيق أداء تحكم ممتاز من خلال تنفيذ تسلسل تبديل مناسب بدلاً من متجه تبديل فردي خلال فترة أخذ عينات واحدة، بحيث يعرض الشكلين التاليين (3)، (4) مخطط التحكم لخطة (FCS-MPVFC)، كذلك ويتم وصف كل جزء بالتفصيل على النحو التالي.

• مقدر التدفق الافتراضي: نظراً للخصائص الكهربائية المتشابهة؛ فإن الجمع بين جهد جانب الشبكة ومحث مرشح الإدخال يمكن أن يفترض أن يعمل كآلة افتراضية للتيار المتردد، وبهذه الطريقة يمكن استبدال مقاومة الجهاز الثابت ومحاثة التسرب بشكل معقول بمقاومة وتحريض مرشح الخط، كما ويمكن افتراض أن جهد جانب الشبكة يعود إلى القوة الكهرومغناطيسية المستحثة بفجوة هوائية (VF) في الآلة الافتراضية.

• تبديل تحديد التسلسل وحساب الوقت: على وجه الخصوص؛ فإنه يمكن لنهج اختيار المتجهات أن يتجنب تقييم جميع نواقل الجهد في كل دورة تحكم، كما ويزيد من تخفيف العبء الحسابي لعملية التنبؤ بأكملها وذلك لتحديد القطاع الذي يقع فيه متجه الجهد المرجعي، بحيث يجب أولاً حساب زاوية الدوران لجهد جانب المعدل.

وأخيراً في هذا البحث؛ فقد تم اقتراح خوارزمية التحكم في التدفق الافتراضي التنبئي (FCS-MPVFC) لنموذج مجموعة التحكم المحدودة للتعامل مع قيود التشغيل المعقدة المتأصلة في مقوم فيينا ثلاثي الأطوار، كذلك تم إجراء قدر كبير من التبسيط في التنفيذ العملي للتخلص من عامل الترجيح ومستشعرات الجهد على جانب الشبكة الكهربائية.