التحكم في موازنة الجهد الكهربائي للمحول المتتالي المعياري

أهمية التحكم في موازنة الجهد الكهربائي للمحول المتتالي المعياري

يمكن أن ينتج الجهد غير المتوازن في نظام الطاقة عن أخطاء متناظرة والتوزيع غير المتكافئ للأحمال مثل محركات الجر الكهربائية، وبدء تشغيل المحركات الصناعية الكبيرة وممانعات النقل غير المتماثلة والصمامات المنفوخة في بنوك مكثفة ثلاثية الطور، بحيث يشكل دمج مولدات الطاقة المتجددة في شبكة التوزيع عبر محولات الطاقة الإلكترونية تحديات لجودة جهد الشبكة الكهربائية.

وكمصدر للقلق؛ فإنه من الضروري ألا تعمل جميع محولات الطاقة المتصلة بخطوط الشبكة بشكل صحيح فقط في ظل ظروف جهد الشبكة العادية، ولكن أيضاً تتخطى المواقف غير الطبيعية وتدعم جهد الشبكة أثناء أعطال الشبكة العابرة.

كما أن المحول المعياري متعدد المستويات المتتالي (MMCC)، وهو نوع من محول مصدر الجهد (VSC) الذي يعد بديلاً عن (VSCs) التقليدية ذات المستويين في تطبيقات الجهد المتوسط والعالي مثل نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) والمعوضات الثابتة (STATCOMs) )، بحيث بفضل هيكلها المعياري، كذلك تقدم (MMCC)، وهي مزايا مثل قابلية التوسع وجودة شكل الموجة الجيدة بتردد تحويل منخفض وتحمل الخطأ، بحيث يمكن أن تصل طبيعتها المعيارية أيضاً إلى أي مستوى جهد مطلوب بدون محولات تصعيد.

كذلك يمكن لـ (STATCOM) القائم على (MMCC) تعويض القدرة التفاعلية في ظل ظروف متوازنة، وذلك في ظل حالة شبكة التوازن، بحيث يكون متوسط ​​طاقة الكتلة للمحول متوازناً ومتساوياً، مما لا يسبب أي خلل في التوازن بين المجموعات، ومع ذلك ومع حدوث عطل الجهد الكهربائي؛ فإنه يواجه تحديات غريبة، وفي حالة ثلاثة أسلاك ثلاثية الأطوار؛ فإن مكون التسلسل السلبي في الجهد غير المتوازن عند نقطة التوصيل المشترك (PCC) يؤدي حتماً إلى طاقة نشطة غير متوازنة في المحول الكهربائي.

كما ينتج هذا عن ناتج تيار التسلسل الموجب والجهد السلبي، حيث أن هذه الطاقة غير المتوازنة لمرحلة المحول تجعل الفولتية لمكثف الوحدة الفرعية عبر مجموعات (MMCC) غير متساوية وعدم توازن الجهد بين المجموعات، بحيث لوحظ أن هناك أيضاً عدم توازن الجهد المعتاد بين مكثفات الوحدة الفرعية داخل طرف طور، أي عدم توازن الجهد داخل العنقود، والذي يمكن حله عن طريق التحكم في التغذية المرتدة لـ (DC-bus) باستخدام مكونات التيار المستمر.

لذلك إذا لم يتم التحكم بشكل صحيح؛ فإن عدم توازن الجهد بين المجموعات سيؤدي إلى قيام (STATCOM)، بحيث بحقن تيارات مشوهة في نظام الطاقة الكهربائية إلى جانب ذلك، كما قد تؤدي الانجرافات المفرطة في الجهد الكهربائي لمكثف التيار المستمر إلى الضغط على مفاتيح المحول إلى حد ضار.

هيكل الدائرة الكهربائية في Star-Connected MMCC-Statcom

يوضح الشكل  التالي(1) اتصال النظام الخاص بـ (MMCC-STATCOM) المتصل بالنجوم، بحيث تتكون كل مجموعة من (N 3L-HBs) أو وحدات فرعية كاملة الجسر ذات خمسة مستويات (5L-FC) متصلة في سلسلة كما هو موضح في الشكل (1)، وبالنسبة إلى (SSBC)؛ فإنه يتم توصيل مفاعلات الترشيح الثلاثة بين أطراف (MMCC) و (PCC) لنظام الطاقة.

كما يجب الحفاظ على توازن جهد مكثف التيار المستمر (VDC، mn) (m = a، b، c؛ n = 1،2، …، N) في مجموعة طور للمحول في ظل ظروف الجهد غير المتوازن، وذلك بالنسبة إلى (MMCC) الذي تم تكوينه، بحيث يتم التعبير عن الفولتية وتيارات طور الإخراج للمحول المعادلات التالية على التوالي.

حيث أن (vmM) هو جهد مجموعة المحول (k = 0،1،2) لـ (m = a) و (b و c)، (+ ، -)، و (0) تمثل المكونات الموجبة والسالبة والمتسلسلة الصفرية على التوالي، كذلك (V + و V− و I + و I_) هي جهد التسلسل الموجب والسالب والمقادير الحالية على التوالي، حيث (V0) هو حجم (ZSV) و (φV +، φV –  V0، φI + 9 φI−) هي زوايا الطور للتيارات الموجبة والسالبة على التوالي.

تحليل تدفق الطاقة لـ Star-Connected Mmcc-Statcom

ولتحقيق التحكم في موازنة الجهد لمكثف الوحدة الفرعية(MMCC) أحادي النجمة؛ فإنه يتم تحليل تدفق الطاقة الذي يؤثر على موازنة جهد مكثف التيار المستمر بين الطور، كما يتم تحقيق القدرة اللحظية والمتوسط عبر كل مرحلة من مراحل (MMCC-STATCOM)، وذلك بضرب المعادلتين السابقتين، بحيث يتم التعبير عن قوى كتلة الطور على النحو التالي:

حيث أن (q = −2،1،1) و (r = 0،1) و (−1) للمراحل (m=a,b,c) على التوالي، وعبر هذا المحول، تساهم (P) مع (++ Cm) و (P Cm) في القوى النشطة الإجمالية للمحول، بينما تلخص الباقي حتى الصفر كما هو موضح في المعادلات التالية، حيث يمثل الرمز “T” إجمالي الطاقة عبر المجموعات الثلاث.

من المعادلة في الأعلى، لا يساهم (ZSV) في التحكم الشامل في جهد مكثف التيار المستمر، وبالتالي بالنسبة لنظام متوازن؛ فإن القوى النشطة الشاملة في المعادلة، بحيث يتم المساهمة بها بالتساوي من خلال مراحل كل منها.

كذلك يتم تحديد متوسط القوة النشطة في المرحلة التالية، بحيث يتدفق متوسط قدرة الطور النشط في أثناء المرحلة فقط داخل (MMCC-STATCOM)، ولكن ليس بين نظام الطاقة و (STATCOM)، وبالإضافة إلى القوة النشطة الكلية؛ فإنه يتم التعبير عن النظرية، وكذلك متوسط إجمالي القدرة التفاعلية على أساس القوة اللحظية.

مخطط التحكم المرتبط موازنة الجهد الكهربائي

يوضح الشكل التالي (2) مخطط كتلة التحكم لـ (MMCC-STATCOM)، حيث (vdcm) هو جهد مكثف الكتلة (DC ، vmMref) وهو مرجع جهد مجموعة المحول.

ينقسم مخطط التحكم الكهربائي هذا إلى ثلاثة أقسام، وهي التحكم العام والتحكم في جهد مكثف التيار المستمر بين المجموعات والتحكم في جهد مكثف التيار المستمر داخل العنقود، بحيث ينظم التحكم الكلي الجهد الكلي لمكثف التيار المستمر وحقن الطاقة التفاعلية، وذلك كما تم تحليله أعلاه، كما يتأثر المتوسط ​​الإجمالي للطاقة النشطة والمتفاعلة بتيارات المحول.

وبالتالي، يتم التحكم في الفولتية الإجمالية لمكثف التيار المستمر ومتوسط ​​القدرة التفاعلية بواسطة التيارات ذات التسلسل الإيجابي، حيث إن تيار التسلسل الإيجابي و (NSC) و (ZSV) هي درجات حرية التحكم التي تؤثر على التحكم في تدفق الطاقة بين المجموعات (V + dq ، V − dq ، I + dq ، I − dq) وهي الجهد المقاس الموجب والسالب والتيار على التوالي.

كذلك؛ فإن (I + ∗ dq و I− ∗ dq) هما تيار التسلسل الإيجابي الخاضع للتحكم وإشارة (NSC) على التوالي،  أيضاً أن (Vdc − avg) هو متوسط ​​قيمة جميع الفولتية (DC) للوحدة الفرعية ثلاثية الطور، حيث أن (vdcmn) هو جهد مكثف (DC) للوحدة الفرعية و (QF) هو عامل القياس الكمي و (vmref) هي الإشارة المرجعية لجهد المحول.

وأخيراً تتميز طريقة التحكم في موازنة الجهد الكهربائي بين الكتل المقترحة بفاعلية كلتا الطريقتين باستخدام عامل القياس الكمي (QF) لتوفير دعم طاقة تفاعلي موثوق به لنظام الطاقة تحت ظروف (LVRT)، كما يعد التحكم في موازنة الجهد بين المجموعات في (STATCOM) المتصلة بالنجوم مصدر قلق بالغ، خاصة في ظل ظروف الجهد غير المتوازن.