التحكم في محولات القدرة الكهربائية بمقوم ثلاثي الأطوار

ضرورة التحكم في محولات القدرة الكهربائية بمقوم ثلاثي الأطوار

في الآونة الأخيرة، يكتسب تنويع مصادر الطاقة أهمية في خطط التنمية الوطنية في جميع أنحاء العالم، كما يهتم بشكل أساسي بزيادة حصة الطاقة المتجددة في شبكات الكهرباء الوطنية، بحيث يدعم عدم استقرار سوق طاقة الوقود الأحفوري الجهود المبذولة لتحسين التنويع. من بين مصادر الطاقة المتجددة وكذلك الطاقة البحرية بشكل عام وطاقة الأمواج بشكل خاص.

ومع وجود مورد عالمي يقدر بحوالي (2) تيرا واط ساعة؛ فإن “طاقة الأمواج” لديها القدرة على التنافس مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى الأكثر رسوخً مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، وبالنسبة لمحولات طاقة الأمواج (WECs، هي أجهزة تستخدم لتحويل الطاقة الموجودة في أمواج البحر إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام، كما تختلف في مبدأ التشغيل والحجم وموقع التثبيت.

لذلك؛ فإن أحد أكثر النماذج شيوعاً في (WECs) هو تصنيف المحركات الكهربائية بالشكل المباشر المتطور، بحيث تسمى هذه (WECs heaving WECs) أو ماصات النقاط، وفي هذه الأجهزة يتم استخدام حركة الرفع التي تحدثها موجات البحر الواردة لتحريك المولد الخطي مباشرة، والذي ينتج بدوره الكهرباء.

كما أن أحد التحديات التي حالت دون الاستغلال التجاري الواسع النطاق للمراكز الاقتصادية الكبرى هو انخفاض نسبة الطاقة إلى التكلفة الخاصة بها، كما ويرجع ذلك أساساً إلى التقطع وعدم الانتظام وطبيعة السرعة المنخفضة لأمواج البحر، الأمر الذي يستلزم نشر أنظمة كبيرة لإقلاع الطاقة (PTO) واستراتيجيات تحكم فعالة.

وفيما بعد تم اقتراح العديد من استراتيجيات التحكم في طاقة الأمواج منذ السبعينيات، بحيث كان كل من “فالنيس وبودال” من الرواد الذين وضعوا أساسيات مشكلة التحكم في طاقة الأمواج، بحيث تم بناء العديد من استراتيجيات التحكم الحقيقية والتفاعلية المقترحة على مبدأ مطابقة الممانعة الهيدوديناميكية، كما وصاغ العديد من الباحثين مشكلة التحكم في (WEC) كمشكلة تحكم مؤازرة كلاسيكية، وذلك باستخدام الأدوات المتوفرة في نظرية التحكم، مثل المعوضات الخطية وأجهزة التحكم التنبؤية.

كما يمكن انتقاد هذه التقنيات باعتبارها غير عملية بسبب اعتمادها القوي على النماذج الرياضية الدقيقة ومتطلبات المحركات الكبيرة، بحيث ركزت المساعي البحثية الأخرى على تصميم واختبار دوائر الرنين السلبية، حيث لم يتم تنفيذ التحكم عبر الإنترنت، كذلك كان الغرض من دائرة الرنين هو إصدار صدى للحمل باستخدام مولد خطي، مما يؤدي إلى امتصاص طاقة أعلى.

وعلى الرغم من كونها فعالة من حيث التكلفة وبسيطة؛ إلا أن هذه الدوائر تفتقر إلى القدرة على التكيف والاستجابة للتغيرات في الوقت الفعلي في ديناميكيات النظام، بحيث تم أيضاً الإبلاغ عن استراتيجية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) بناءً على خوارزمية الاضطراب والمراقبة، وبالمثل تم اقتراح طرق (MPPT) على أساس مبدأ مطابقة الممانعة الهيدوديناميكية (WEC).

وصف النظام الخاص بالتحكم بالمقوم ثلاثي الأطوار

تكوين محول طاقة الموجة: يعتمد تصميم (WEC) المستخدم في هذه الدراسة على الطوبولوجيا المستخدمة في جامعة أوبسالا، بحيث يتكون النظام من عوامة وآلية (PTO)، والتي بدورها تشتمل على (PMLG) ومحول طاقة، كما تقتصر العوامة على التذبذبات الرأسية، وبالتالي؛ فإن الجزء المتذبذب من النظام لديه درجة واحدة فقط من حرية الحركة، وهي حركة الرفع.

كما يوضح الشكل التالي (1) تكوين (WEC)، بحيث تقترن عوامة الرفع مباشرة بمترجم (PMLG) من خلال حبل، خاصةً عندما تثير الموجة العوامة، كما يتم تحفيز مجموعة من الفولتية ثلاثية الطور في لفات الجزء الثابت (PMLG)، كذلك يتم تقييد الإزاحة الرأسية للعوامات ميكانيكياً بواسطة الينابيع القاسية الموجودة في الطرف العلوي من مبيت (PMLG)، وبالمثل يتم استخدام نوابض الاستعادة لإرجاع المترجم بقوة إلى موضع توازنه أثناء انخفاض الموجة.

معادلة تحويل طاقة الموجة للحركة: يمكن تصنيف القوى المؤثرة على العوامة على نطاق واسع في قوى هيدروديناميكية ناتجة عن تفاعل الماء والعوامة والقوى الميكانيكية (غير الهيدروديناميكية)، وهي تلك القوى التي تمارس على العوامة بواسطة مكونات أخرى للنظام، مثل القوى الكهربائية والقوة الميكانيكية التي تمارسها (PMLG) أو قوى الزنبرك الناتجة عن نوابض الاستعادة والتوقف النهائي، وذلك من خلال تطبيق قانون نيوتن الثاني على عوامة (WEC)، والتي نحصل عليها من خلال:

حيث أن:

[fex (t)]: هي قوة إثارة الموجة.

[fr (t)]: هي قوة الإشعاع.

[fb (t)]: هي قوة الطفو.

[frs (t)ٍ]: هي قوة الاستعادة.

[fd (t)]: هي قوة السحب.

[fes (t)]: هي قوة الإيقاف النهائي.

[f (t)]: هي قوة الاحتكاك.

[fc (t)]: هي قوة التحكم التي تنتجها آلية مأخذ الطاقة الخارجي، وذلك بافتراض أن الحبل مشدود جيداً؛ فإن الكتلة (m) تمثل الكتلة المجمعة للأجزاء المتحركة للنظام، أي العوامة ومحول (PMLG).

استراتيجية التحكم في محول طاقة الموجة

أهداف المراقبة: يتم تصنيف استراتيجية التحكم التي تم فحصها على أنها استراتيجية للتخميد، حيث لا يتم تضمين عنصر تحكم تفاعلي، وعملياً يتركز طيف امتصاص الطاقة (WEC) على التردد الزاوي الطبيعي (الرنين) للجهاز (ωo)، والذي لا يتطابق عادةً مع طيف مورد الموجة المتاح، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2).

وكل ذلك عن طريق تغيير قوة التخميد، بحيث يخمد امتصاص طاقة الموجة يمكن أن يتنوع العامل (df)، مما يؤدي إلى اختلافات في عرض نطاق الامتصاص، كما يُعرَّف عامل التخميد للامتصاص (df) بأنه نسبة معامل التخميد (δ) والتردد الزاوي الطبيعي (ωo)، لذلك كلما زاد (df)؛ أصبح عرض نطاق الامتصاص أوسع.

ولاستكشاف تأثير بيئة الموجة وتغيرات الحمل الكهربائي على (df)، تم إجراء عمليات المحاكاة باستخدام تكوين نظام (WEC)، وذلك باستثناء محول التعزيز (أي عدم وجود تحكم)، وكما هو مبين في الشكل(3-A)، تزداد (d) مع زيادة الحمل (مقاومة حمل أصغر)، بينما مع زيادة فترة الموج، كما ينخفض (df)، بحيث تتناسب قوة التخميد المقابلة عكساً مع كل من مقاومة الحمل وفترة الموجة، وذلك كماكما هو موضح في الشكل (3-B).

استراتيجية التحكم في التخميد المقترحة: تعتمد استراتيجية التحكم المقترحة على مبدأ نظرية نقل القدرة القصوى، والتي تنص على أنه يمكن تحقيق أقصى نقل للطاقة عن طريق ضبط مقاومة الحمل كاقتران معقد لمقاومة المصدر، ونظراً لأنه يتم تنفيذ التحكم الحقيقي فقط، أي أنه لا يوجد تحول طور بين جهد الجزء الثابت للآلة مقابل (t) والتيار الثابت هو (t)، كما يجب فقط مطابقة مقاومة الحمل مع مقاومة المصدر.

وبافتراض أن جميع إشارات الجهد والتيار الكهربائي في النظام يتم تمثيلها جيداً من خلال مكوناتها الأساسية، كما يمكن نمذجة مقوم الصمام الثنائي للجسر ثلاثي الطور كمقاومة (Rb) متسلسلة مع الممانعة الداخلية (PMLG)، كما هو موضح في الشكل التالي (4-A)، لذلك يتم تعريف (Rb) على أنه: