التحكم في الساق المحايدة للعاكسات الكهربائية ثلاثي الأطوار

في هذه الدراسة تم اقتراح نهج جديد لتحديد نموذج ساق محايدة مستقلة خاضعة للرقابة، وبناءً على هذا النموذج تم تطوير طريقة تحكم متتالية لتوفير اتصال ثابت بنقطة محايدة لعاكس ثلاثي الأطوار رباعي الأسلاك وللموازنة بين مكثفي التيار المستمر لجهد ناقل تيار مستمر منفصل.

الحاجة الى التحكم في الساق المحايدة للعاكسات الكهربائية

أدى انتشار مصادر الطاقة المتجددة والتوليد الموزع في العقود الماضية إلى زيادة استخدام المحولات المتصلة بالشبكة الكهربائية، وفي الواقع يجب استخدام العواكس لواجهة مصادر التيار المستمر على سبيل المثال، الخلايا الكهروضوئية وأنظمة التخزين مع شبكة التيار المتردد، وعلاوة على ذلك يمكن أيضاً استخدام العواكس لربط مصادر التيار المتناوب، على سبيل المثال توربينات الرياح أو التوربينات المائية لشبكة التيار المتردد.

لذلك قد يختلف جهد وتردد مصدر التيار المتردد عن قيم الشبكة، كما ويمكن أن يختلفوا وفقاً لنقطة العمل، ومن أجل توصيل مصادر التيار المتناوب بالشبكة؛ فإنه يتم استخدام مرحلتين بشكل عام، كما يتم استخدام العاكس الأول كمقوم والعاكس الثاني يربط ناقل التيار المستمر الذي تم الحصول عليه بشبكة التيار المتردد، وبالإضافة إلى ذلك؛ تُستخدم العواكس أيضًا لمرشح الطاقة النشط وتطبيقات إمداد الطاقة غير المنقطعة.

وعادة ما تكون شبكات الجهد المنخفض عبارة عن أربعة أسلاك (أي ثلاثية الطور مع اتصال محايد) ، لذلك يجب تصميم إدارة مناسبة للخط المحايد للعاكس، كذلك تم اقتراح طوبولوجيا واستراتيجيات مختلفة لهذا النطاق، وبالنظر إلى الهياكل الخالية من المحولات الكهربائية؛ فإن أبسط حل هو توصيل السلك المحايد مباشرة بالنقطة المركزية للوصلة (DC) والحصول على طوبولوجيا وصلة (DC) مقسمة.

على الرغم من اقتراح تقنيات موازنة مختلفة؛ فإن طوبولوجيا وصلة التيار المستمر المنفصلة تكون ملائمة عندما لا يحتوي التيار المحايد على مكون تيار مستمر ويكون المكون الأساسي منخفضاً جداً، وذلك كما هو الحال في المرشحات النشطة، خاصةً إذا كان التيار المحايد مرتفعاً وعلى وجه الخصوص، إذا كان يحتوي على مكون تيار مستمر؛ فستكون هناك حاجة إلى ساق رابعة لإدارة الاتصال المحايد (طوبولوجيا الساق المحايدة التقليدية).

النمذجة التحليلية الخاصة بالتحكم بالعاكسات الكهربائية ثلاثية الأطوار

تم اقتراح نمذجة تحليلية لـ (ICNL) أولاً، كما وتم تحديد وضبط جهاز التحكم المناسب، حيث أن الغرض الرئيسي من التحكم في الساق المحايدة هو تقليل عدم توازن جهد وصلة التيار المستمر (أي الفرق بين الفولتية (C1) و (C2) كما هو مبين في الشكل السابق (1)، ومع ذلك؛ فإن النموذج المقترح يظهر بشكل مبسط إلى حد ما، وذلك لأنه لا يأخذ في الاعتبار المقاومة الطفيلية للمكثف، على سبيل المثال، (R1 ، R2) في الشكل (1)، والتي لها تأثير التخميد على عدم توازن الجهد الكهربائي.

والأهم من ذلك أنه لا يأخذ في الاعتبار تأثير التيار المحايد على أطراف وصلة التيار المستمر، وذلك لأن التيار المحايد تم تصميمه على أنه اضطراب قادم من الخط المحايد، وفي هذه الدراسة؛ فإنه تم تنفيذ نهج جديد لتحديد النموذج التحليلي (ICNL)، والذي يأخذ في الاعتبار أيضاً المقاومة الطفيلية للمكثف والتأثير على أطراف وصلة التيار المستمر للتيار المحايد.

كذلك يتم التحقق من صحة النموذج المقترح من خلال مقارنة إخراج النموذج بإخراج نموذج محاكاة دقيق في بيئة محاكاة الدائرة الكهربائية الخطية (PLECS) متعددة العناصر (MATLAB / Simulink)، والتي تحاكي سلوك النظام الكلي (أي الساق المحايدة بالإضافة إلى العاكس)، وبمجرد تحديد وظيفة النقل بين تيار الساق المحايد ودورة عمل المحطة الرابعة والتحقق من صحتها؛ فإنه يتم تصميم وضبط التحكم المتسلسل في عدم توازن جهد المكثف.

نماذج الفراغ والخالة الكهربائية للتحكم عن طريق ICNL

• النموذج النظري: يعتمد النموذج على نهج الدولة الكلاسيكي كما اقترحه “ميدلبروك وكوك”، وذلك للحفاظ على التطور بسيطًا قدر الإمكان، كما من المفترض أن تعمل المحطة الرابعة دائماً في التوصيل المستمر، وذلك على الرغم من أنه يمكن الحصول على نموذج دقيق للحالة والفضاء في الوضع غير المستمر أيضاً، بحيث يظهر نموذج الساق المحايد المدروس في الشكل التالي (2)، أي أن قيمة (C1) تساوي (R1)، كذلك (C2) تساوي (R2) وتلك في الحالة المستقرة الفولتية على كل من المكثفات متساوية.

وعلى فرض أن التيار المحايد سينقسم إلى مساهمتين عند القطبين الموجب والسالب لوصلة التيار المستمر، ومع فرضية التناظر الكامل وتوازن الحالة المستقرة لوصلة التيار المستمر؛ فغنه يفترض أن المساهمتين متطابقتين، أي أن عامل التقسيم هو (50٪)، بحيث سستم النظر أيضاً في أن التيار لم يصبح صفراً خلال فترة التبديل، أي لا يؤخذ سلوك الوضع المتقطع في الاعتبار.

• آلية التكوين الخاصة بـ (UP): يظهر تكوين (UP) عندما يكون المفتاح العلوي (S1) قريباً، وذلك كما في الشكل التالي (3)، كما ويمكن بعد ذلك الحصول على نظام المعادلات من خلال:

كما استبدال معادلات حالة المحرِّض والمكثفات وحل نظام المعادلات لمتغيرات الحالة، أي (iL ، uc1 ، uc2)، بحيث يتم الحصول على نظام المعادلة التالية جنباً إلى جنب لوصلة التيار المستمر (iDC) الحالي:

طرق التحقق من صحة النموذج الخاص بالتحكم الكهربائي

من أجل التحقق من صحة النموذج النظري ووظائف النقل التي تم الحصول عليها، تم تنفيذ النماذج الثلاثة التالية في بيئة (PLECS).

• دارة كاملة مع العاكس (حسب الشكل 1).

• النموذج النظري غير الخطي (حسب الشكل 2).

• نموذج مخطط كتلة التباين الصغير الخطي، وذلك حسب الشكل التالي (b).

كما أن الدائرة الكاملة مع العاكس تعني المحاكاة الفعلية للنظام الكامل في المجال الزمني، بحيث تم الإبلاغ عن معلمات المحاكاة في الجدول التالي (1).

كذلك تخضع جميع الأنظمة المحاكاة الثلاثة لنفس المتغيرات في متغيرات الإدخال، وبتعبير أدق تم إجراء عمليات المحاكاة مع مراعاة الاختلافات الصغيرة في دورة العمل والتيار المحايد، وذلك على النحو الوارد في الجدول التالي (2).

كما يتم إجراء التحقق من خلال مقارنة عدم توازن الجهد، أي الفرق بين الفولتية الفعلية للمكثف (u1) و (u2) للأنظمة الثلاثة المختلفة، وذلك كما في الشكل التالي، بحيث تظهر الاستجابة التي تم الحصول عليها من النموذج الكامل (الرسومات العلوية)، وذلك جنباً إلى جنب مع الاختلاف بين النموذج النظري غير الخطي والنموذج الكامل (الرسومات الوسطى) وفي النهاية الفرق بين نموذج الرسم التخطيطي للكتل الخطي الصغير.

وفي النهاية تم اقتراح نهج فضاء الدولة لنمذجة (ICNL) والتحقق من صحته، بحيث قدم هذا النموذج دليلاً على تأثير الرنين الذي تم إهماله سابقاً للنظام، وبناءً على هذا النموذج، بحيث تم اقتراح عنصر تحكم متتالي ومحاكاته واختباره من خلال الاختبارات التجريبية، كما أظهرت النتائج صحة عنصر التحكم المقترح لتوفير خط محايد ثابت لعاكس ثلاثي الأطوار بأربعة أسلاك حتى مع تيار محايد مرتفع.

وعلاوة على ذلك، تم تنفيذ تحكم محسن مع تعويض وقت التغذية والوقت الميت، بحيث أظهر التحكم المعزز نتائج محسنة في كل من المحاكاة والاختبارات، وذلك من خلال استغلال النموذج المقترح، كذلك تمت دراسة أشكال أخرى من التحكم، كما وسيكون هذا موضوع تحقيقات مستقبلية.