التخميد النشط للمحولات الكهربائية الأمامية النشطة

يتم توصيل الواجهة الأمامية النشطة (AFE) بالشبكة الكهربائية باستخدام مرشح (LCL) لتقليل توافقيات التحويل، كما يمكن إخماد الرنين المحتمل الناجم عن مرشح (LCL) باستخدام التخميد النشط (AD)، وفي تطبيقات (AFE)؛ فإنه يمكن وضع المستشعر الحالي على جانب الشبكة أو جانب المحول الكهربائي، مما يؤدي إلى استجابات تردد مختلفة.

أهمية تنفيذ التخميد النشط للمحولات الكهربائية الأمامية النشطة

في السنوات الأخيرة، كان لتطوير تكنولوجيا إلكترونيات القدرة تأثير كبير على الطاقة المتجددة وصناعة المحركات الكهربائية، ومع ذلك وضمن تغلغل العناصر غير الخطية؛ ظهرت مشاكل جديدة، وبشكل أساسي يكون لنمو الأحمال غير الخطية تأثير مكبّر على التشوه الحالي وأشكال موجة الجهد (THD)، وبالتالي تلوث الشبكة الكهربائية، لذلك؛ فإن أحد الأهداف الرئيسية للباحثين هو تقليل (THD) المحقون في الشبكة.

وبالنسبة الى المحركات الصناعية، وعلى الرغم من أنها ليست مواضيع جذابة مثل الطاقة المتجددة وحتى السيارات الكهربائية؛ فإن لها دور حاسم في الصناعات العالمية وملاءمة العالم، بحيث يتكون المحرك الكهربائي الصناعي النموذجي من مقوم أمامي (إما سلبي أو نشط) متصل بالشبكة وعاكس مصدر جهد ثنائي المستوى يوفر تياراً ثلاثي الطور للمحرك ووحدة تحكم مرتبطة به كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كما من المرغوب فيه إذا تم استخدام محول أمامي نشط كنهاية أمامية لمحركات النظام؛ فيمكن تلبية متطلبات (THD) نظراً لقدرة (AFE) على رسم التيارات الجيبية، ونظراً لأن محول الواجهة الأمامية النشط يعمل كمحول (PWM)؛ فإن المرشحات (L) أو (LCL) مطلوبة لتوفير التوهين لتردد التحويل العالي، حيث إن الجمع بين محول (PWM) وفلتر تمرير منخفض ينتج بديلاً مفيداً لمعدلات الصمام الثنائي، والتي فيما يتعلق بمقوم الصمام الثنائي تحسن (THD) بشكل كبير.

الوصف الخاص بنظام التخميد النشط للمحولات الكهربائية

يظهر مخطط النظام في الشكل السابق (1)، بحيث يتم توصيل محول مصدر جهد ثلاثي المراحل تقليدي ثنائي المستوى بالشبكة من خلال مرشح (LCL)، كما يلزم إجراء قياسات تيار الشبكة أو المحول لتنفيذ التحكم، لذلك إذا تم تصميمه بشكل صحيح؛ فإن محول (AFE) يوفر جهداً ثابتاً منخفض التموج (DC-link) وهو تيار شبكة منخفض (THD) وقريب من عامل القدرة الموحد.

المحول والتحكم في التيار الجانبي للشبكة الكهربائية

تتمثل ميزة مرشحات (LCL) على مرشحات (L) التقليدية في أنها توفر خصائص توهين توافقي أفضل بكثير للمساحة الأصغر، لذلك لتحسين التوهين التوافقي الحالي والتكلفة الاقتصادية؛ فإنه يتم استخدام مرشحات (LCL) بشكل متزايد عند توصيل محولات مصدر الجهد بالشبكة الكهربائية.

وبالنظر إلى كل من ملاحظات التحكم ومرشح (LCL)؛ فإنه يتم اشتقاق وظائف التحويل ذات الحلقة المفتوحة حيث تتعلق المعادلة التالية (1) بالتحكم في تيار الشبكة بينما المعادلة (2) تتعلق بالتحكم في جانب المحول، كما يتم اشتقاق مرشح (AFE LCL) لكل مرحلة من الرسم التخطيطي للكتلة في الشكل التالي (2) باعتباره عنصر تحكم بشبكة الهدف (Ig) الخاص بالتيار أو رمز محول التيار وإدخال جهد (PWM Uafe).

وبصرف النظر عن طريقتين التحكم، واعتماداً على طريقة أخذ عينات (PWM) للتحديث الفردي أو المزدوج المستخدم فإنه يمكن أن يؤدي التأخير إلى تغيير استجابة تردد النظام، وبافتراض عدم تضمين مقاومة في سلسلة مع مكونات المرشح؛ فإن مرشح (LCL) يقدم الرنين في كلا نوعي التحكم الموضحين في الشكل التالي (3-a)، والذي يجب تثبيته بشكل صحيح لضمان استقرار النظام.

كما يُلاحظ اختلافان رئيسيان من مؤثرات البود في الشكل، وهما مضاد الرنين الجانبي للمحول الذي تم تقديمه بواسطة الصفر من الدرجة الثانية وتقليل التوهين إلى (-40) ديسيبل / ديسمبر بعد أقطاب تردد الطنين، ومع ذلك وبغض النظر عن اختلافات استجابة التردد الكهربائي؛ فإن كلا الضوابط تتمتع باستقرار متأصل مختلف.

كذلك يعتبر التحكم في تيار جانب الشبكة (Gg) غير مستقر بطبيعته بينما يكون التحكم في تيار جانب المحول (Gc) مستقراً بالنظر إلى الخصائص المثالية، ومع ذلك ومع الأخذ في الاعتبار التأخير الرقمي الناتج عن أخذ العينات و (PWM)؛ تتم إضافة تأخر الطور الإضافي إلى النظام الذي يتسبب في انخفاض هامش الطور، مما يجعل نظام التحكم في المحول غير مستقر كما هو موضح في الشكل التالي (3-b).

ومن ناحية أخرى، يمكن أن يصبح التحكم في تيار جانب الشبكة مستقراً في بعض مناطق تردد الرنين مع تأخير كافٍ دون الحاجة إلى التخميد النشط، ومع زيادة سرعة وحدات التحكم، تقل التأخيرات، مما يستلزم استخدام التخميد النشط.

الإدارة العامة للتخميد النشط ضمن المحولات الكهربائية الأمامية

تقدم الدراسات فحصًاً شاملاً لتقنيات التخميد السلبي والنشط، وهناك طريقة التخميد الأكثر فعالية هي المقاومة الافتراضية، كما تقوم طريقة التخميد النشط للمقاومة الافتراضية بتعديل وحدة التحكم لمحاكاة استجابة التردد لمقاوم التخميد الحقيقي، واستناداً إلى نتائج التجارب السابقة؛ فإنه يوفر المقاوم الافتراضي بالتوازي مع مكثف المرشح خصائص تخميد ممتازة مع عدم وجود تأثير على توهين التردد المنخفض أو العالي.

لذلك يركز هذا البحث على المقاوم الافتراضي بالتوازي مع تقنية المكثف كما هو موضح في الشكل التالي (4) باستخدام نهج تنفيذ جديد لكل من طرق التحكم الحالية.

يمكن العثور على قيمة المقاوم في المعادلات التالية، حيث (ζd) هي نسبة التخميد المرغوبة لوظيفة نقل الحلقة المفتوحة في أول معادلتين، كما يمكن تحقيق التخميد النشط عن طريق تعديل مخطط التحكم لمحاكاة المقاوم الافتراضي بالتوازي مع مكثف المرشح، كما أن هناك مخطط كتلة للتحكم في التيار الداخلي لكل من عناصر التحكم في التغذية الراجعة، حيث يشير اللون الأحمر إلى الاتصال الظاهري المتوازي للمقاوم.

وبالنسبة الى التحكم في (AFE)؛ فإنه يعتمد على التحكم الموجه للجهد الكهربائي، حيث يكون إطار النظام في إطار مرجعي (d-q) يتناوب بشكل متزامن، كما يسمح إطار الدوران المتزامن بفصل التيار ثلاثي الطور إلى مكونات ثنائية التيار، وبهذه الطريقة ومن خلال التحكم في المعرف؛ فإنه يتحكم النظام بشكل غير مباشر في الطاقة النشطة، بينما من خلال (Iq).

كما يمكن التحكم في الطاقة التفاعلية مما يسمح بالتحكم في عامل القدرة، بحيث يتم تحقيق جهد وصلة التيار المستمر المطلوب بافتراض توازن الطاقة بين وصلة التيار المستمر وجانب التيار المتردد، كذلك يتم استخدام حلقة مغلقة الطور للحصول على زاوية الطور المستخدمة في تحويل (d-q).

وأخيراً ونظراً لأن صناعة إلكترونيات القدرة تركز على حلول التحكم الاقتصادية والقوية؛ فإن هذه الورقة تنظر في نظام (AFE)، حيث يتم تقليل رقم المستشعر إلى الحد الأدنى، وفي نفس الوقت؛ فإنه يحسن أداء النظام. في التغذية الراجعة الحالية للشبكة (AFE) وردود الفعل الحالية للمحول (AFE)، كما يتم تنفيذ التخميد النشط باستخدام قياسات تيار هدف التحكم لإزالة مشكلة صدى مرشح (LCL).