التصميم الأمثل لوحدات التحكم بالشبكات الكهربائية ثلاثية الطور

أهمية التصميم الأمثل لوحدات التحكم بالشبكات الكهربائية ثلاثية الطور

في الآونة الأخيرة، أدخلت الطائرات الحديثة تغييرات كبيرة على استخدام القوة المدنية غير الدافعة، كما تم استبدال الأنظمة الهوائية والهيدروليكية والميكانيكية الثقيلة وغير الموثوقة، وبشكل عام على مر السنين وببدائل كهربائية أكثر موثوقية وأخف وزناً وأرخص تكلفة؛ أدى هذا التحول في استخدام الطاقة للطائرات الحديثة إلى ظهور مصطلح المزيد من الطائرات الكهربائية (MEA).

وفي الطائرات التقليدية، يعمل ناقل التيار المتردد الرئيسي عادة بتردد ثابت يبلغ (400) هرتز، ومع ذلك في الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف الحديثة، غالباً ما تستخدم بنية التردد المتغير، كما وتعمل بين (360-800) هرتز، بحيث يسمح هذا النهج بالتخلص من أدوات التوصيل الميكانيكية الثقيلة، والتي كانت تستخدم للحفاظ على المولدات الكهربائية بتردد ثابت، بينما تعمل المحركات النفاثة بسرعات متغيرة، مما يقلل بشكل كبير من الوزن الإجمالي ويزيد من الكفاءة الإجمالية لهذه الطائرات.

ونتيجة لذلك، أصبحت أنظمة التردد المتغير والمعروفة أيضاً باسم التردد البري، وهي المعيار الجديد في نقل الطاقة الكهربائية في الطائرات المدنية الحديثة، مثل بوينج (787) وطائرة إيرباص (A350)، كما وأصبحت ذات أهمية عبر البديل، وهناك أنواع الشبكات الصغيرة، ومع الانتشار المتزايد لشبكات الطاقة الإلكترونية المدمجة على الطائرات؛ فقد ازدادت الاهتمامات البحثية نحو التصميم والتحكم وتحسين محولات الطاقة المتصلة بمثل هذه المصادر.

وبشكل عام، تتكون شبكات الطاقة الإلكترونية هذه من محولات طاقة لها مرشحات مترابطة فيما بينها، كما يمكن أن تساهم هذه المرشحات بنسبة تزيد عن 25-40٪ من الوزن الإجمالي للنظام الكهربائي، لذلك في حالة الطائرات، حيث يكون لتقليل وزن النظام الكهربائي أهمية قصوى؛ فإنه يتم تقليل حجم المرشحات بشكل عام.

ومع ذلك؛ فإن هذه المرشحات لا تهدف فقط إلى تصفية توافقيات التبديل، ولكن لها أيضاً تأثير في تقليل التفاعلات المتقاطعة بين الأنظمة الفرعية، وفي ظل وجود مرشحات منخفضة تصبح التفاعلات الديناميكية بين الأنظمة الفرعية أكثر وضوحاً، وبالتالي لم تعد مهملة، وبالإضافة إلى ذلك عند تطوير ضوابط لمثل هذه الأنظمة؛ فإنه يتم تفضيل طرق التحكم الموزعة أو اللامركزية مع الأفضلية اللاحقة لأنها تقلل الاتصالات بين الأنظمة الفرعية وبالتالي حجم هذه الأنظمة.

نموذج النظام النظري لوحدات التحكم بالشبكات الكهربائية ثلاثية الطور

يدرس هذا العمل حالة نظام توزيع كهربائي متغير التردد كما هو موضح في الشكل التالي (1)، ولتبسيط هذا التحليل سيتم تحليل قسم فرعي من الشبكة الكهربائية، كما يتم تغذية عاكس مصدر الجهد (VSI) من مصدر ثابت للتيار المستمر، كما ويولد مباشرة شبكة التردد المتغير، على افتراض أن تردد الشبكة معروف لوحدة التحكم (VSI).

كما يتم تنفيذ مرشح (LCR) للإخراج على أطراف الخرج الخاصة بـ (VSI)، كما ويتم توصيل الواجهة الأمامية النشطة (AFE) التي يتم توصيلها بمرشح إدخال (LR) مباشرةً بالشبكة عند نقطة اقتران مشترك (PCC)، وفي هذه الدراسة؛ فإنه سيتم ربط جانب التيار المستمر من (AFE) بحمل طاقة ثابت (CPL)، بحيث يتم الاحتفاظ بهذه الأحمال إلى قيمة ثابتة حتى عندما يتقلب جهد التيار المستمر.

ونظراً لأن ناتج الجهد والتيار يجب أن يظل ثابتاً في (CPL)، خاصةً إذا زاد أو نقص الجهد الكهربائي؛ فإن التيار يحتاج بالتالي إلى الانخفاض أو الزيادة، كما ينتج عن هذا السلوك خاصية مقاومة تدريجية سلبية على (AFE)، والتي يمكن أن يكون لها تأثيرات مزعزعة للاستقرار لبقية النظام الكهربائي، لذلك يتم استخدام (CPL) للمبالغة في عدم خطية النظام لمراقبة أفضل لكيفية أداء وحدة التحكم المقترحة في المواقف غير الخطية للغاية مقابل الأشكال الأخرى لتصميم وحدة التحكم.

وعند التعامل مع الأنظمة المعتمدة على التردد الكهربائي، غالباً ما يتم إعادة تشكيلها من حيث المجال (dq) الدوار، لذلك عند القيام بذلك؛ فإنه يمكن إعادة تشكيل محول فردي ثلاثي الطور كنظامين متصلين بالتيار المستمر، لذلك يمكن استخدام الضوابط المستندة إلى التيار المستمر، والتي تكون بشكل عام أبسط في التصميم وفهماً أفضل.

أولاً: نموذج (VSI dq)، بحيث يتم إجراء تحويل النموذج المفصل على التكوين الموضح في الشكل التالي (2)، وذلك من خلال معادلات حالة (VSI-a).

بحيث يشير المصطلحان (Iid ، Iiq) إلى تيارات محور (dq) عبر محث الخرج (L)، حيث (R) هي المقاومة الجوهرية للمحثات، كما تشير (Vcd ، Vcq) إلى الفولتية لمحور (dq) عبر مكثفات المرشح (C. Iad) و (Iaq) هما تيارات خرج الشبكة في (PCC)، والتي تنتقل إلى (AFE)، بحيث يشير المصطلحان (md ، mq) إلى فهارس تعديل محور (dq)، وأخيراً يشير (Vdci) إلى جهد مصدر التيار المستمر الثابت إلى (VSI).

ثانياً: نموذج (AFE dq)، بحيث يمكن اشتقاق معادلات فضاء الحالة (AFE) من خلال الشكل التالي (2)، وذلك عندما تكون محملة بـ (CPL) كما يلي:

حيث أن (IPad) و (IPaq) هما تيارات خرج (dq) من (VSI)، وبالتالي التيارات عبر محث مرشح الإدخال (La)، ومع كون (Ra) هي المقاومة الجوهرية للمحثات، (VL) هو الجهد عبر مكثف (DC-Link Ca)، كما يشير المصطلحان (pd) و (pq) إلى فهارس التعديل في إطار (dq)، وأخيراً يشير (Pl) إلى طلب الطاقة من (CPL) عند التحميل.

ومن هاتين النقطتين؛ فإنه يمكن أن ينتج عن إحداهما توازن (Iad) من عشرات إلى مئات الأمبير، وذلك خارج الإمكانات العادية لمعظم محولات الطاقة المنخفضة، ومن ناحية أخرى ينتج عن النقطة الأخرى قيمة أقل وأكثر واقعية للتيار، وبالتالي يجب استخدام هذا التيار الأصغر فيما بعد لبقية الدراسة، كما يتم التحكم في الفولتية الشبكية مباشرة عن طريق التحكم في الفولتية (dq) الناتجة من (VSI)، حيث يتحكم المحور (d) في ذروة الجهد ثلاثي الطور ويمثل المحور (q) المكون التفاعلي.

ثالثاً: نموذج (dq) حلقة مغلقة الطور، حيث أن (PLL) هو نظام فرعي أساسي مسؤول عن ضمان توصيل طاقة جيدة عند توصيل محول بناقل تيار متردد، وفي هذا العمل تم استخدام الإطار المرجعي المتزامن (PLL (SRF-PLL)) لمزامنة (AFE) مع الشبكة ويظهر مخطط الكتلة الخاص بها في الشكل التالي (3)، كما تمت مناقشة (PLL) جيداً في الدراسات، و لذلك لا يجب وصفها هنا، ولكن نظراً لأنها جزء من النظام العالمي بأكمله؛ فإنه يجب دمج ديناميكياتها في التحسين، وبالتالي يجب اشتقاق نموذج الحالة والفضاء الخاص بها.

ومن الشكل السابق (3)؛ فإنه يمكن تحقيق المعادلة الديناميكية (SRF-PLL) على النحو التالي:

حيث يشير المصطلح (θP) إلى الزاوية المقدرة للشبكة، كما ويكون التحويل (TθP) عبارة عن تحويل للجهود (αβ) إلى إطار (dq)، وذلك باستخدام (θP) كزاوية للإطار المرجعي (dq)، كما ذكرنا سابقاً؛ فإن المصطلحات المكتوبة (p) هي كميات على الإطار المرجعي (PLL dq)، وهو ما يستخدمه (AFE)، كما ويتم إنشاؤه من الزاوية المقدرة (θP) لـ (PLL)، وبالإضافة إلى ذلك يمكن اشتقاق معادلات التحكم التالية من الشكل السابق (3).