الرنانات المتعددة لمزامنة الشبكة الكهربائية أحادية وثلاثية الطور

تحليل الرنانات المتعددة لمزامنة الشبكة الكهربائية أحادية وثلاثية الطور

تلعب مزامنة الشبكة دوراً مهماً في أنظمة تحويل الطاقة، مثل أنظمة التوليد الموزعة ومرشحات الطاقة النشطة (APF) ومُعادِدات الجهد الديناميكي ومولدات (var) الثابتة (SVG)، كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وبشكل عام هناك نوعان من استراتيجيات مزامنة الشبكة، وهي الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة الأول، مثل اكتشاف العبور الصفري وخوارزمية التصفية المباشرة (DFT)، كما يحصل على معلومات الطور مباشرة عن طريق القياس والتشغيل الكهربائي، وهو عرضة للاضطرابات وقدرات تكيف تردد ضعيفة.

وعلى النقيض من ذلك؛ فإن الحلقة الأخيرة وهي الحلقة المغلقة بالطور (PLL)، هي أكثر طرق مزامنة الشبكة فعالية، بالنسبة للنظام ثلاثي الطور، وذلك باعتباره الأسلوب الأكثر استخداماً لمزامنة الشبكة الكهربائية؛ فإن حلقة إغلاق طور الإطار المتزامن (SRF-PLL) تتميز بأداء ديناميكي سريع ودقة الحالة المستقرة، وذلك حتى في ظل تذبذب التردد الكهربائي وظروف الترهل، ومع ذلك سيتأثر أداء تتبع (SRF-PLL) عندما يحتوي جهد الشبكة على مكونات غير متوازنة أو ومشوهة، مما يحد من تطبيقه.

للتغلب على المشكلة المذكورة أعلاه، تم اقتراح تقنيات مزامنة الشبكة المحسنة في العقود القليلة الماضية، مثل (SRF-PLL) على أساس طريقة المكون المتم (DDSRF-PLL) و (DSOGI-PLL) هذه الأساليب لم تشهد بعد تطبيقاً واسع النطاق بسبب هيكلها المعقد وتشغيلها، علاوة على ذلك وبالنسبة للنظام أحادي الطور.

ونظراً لأنه يشتمل على إطار (αβ) الثابت وإطار (dq) الدوار، بحيث لا يمكن تطبيق (SRF-PLL) على مزامنة الشبكة أحادية الطور مباشرة، كما يتم تقديم طرق المكون المتعامد الافتراضية، ومع ذلك سيزيد ذلك من تعقيد الخوارزمية.

في هذه الورقة، تم اقتراح (PLL) رقمي موحد جديد مع مرنانات متعددة معقدة لكل من الأنظمة أحادية وثلاثية الطور، أولاً يتم تحويل إشارة الجهد أحادية الطور وثلاثية الطور بشكل موحد إلى شكل معقد، ومن منظور مجال التردد المعمم؛ فإنه يتم الحصول على استنتاج مفاده أن الإشارة الدورية المعقدة (أحادية وثلاثية الطور) تتكون من مكونات تسلسل موجب وسالب تدور في اتجاهين عكس اتجاه عقارب الساعة واتجاه عقارب الساعة على التوالي.

وبعد ذلك، يتم تقديم (SRF-PLL) مع مرشح مسبق معمم، بحيث يتكون هيكل الترشيح المقترح من رنانات معقدة متعددة، والتي يمكنها تصفية مكونات التردد التوافقي والحفاظ على مكونات التسلسل الإيجابي الأساسية بدقة، وعلاوة على ذلك يتم تقديم الهيكل المبسط للرنان المعقد لنظام أحادي الطور وطريقة تشغيل لعامل الرنين، وأخيراً تم التحقق من (PLL) الرقمي الموحد المقترح استناداً إلى الرنانات المعقدة المتعددة في نظام (MATLAB Simulink) ومنصة تصفية الطاقة النشطة ثلاثية الطور ذات الأربع أرجل (3P4L-SAPF).

التوحيد المعقد والتحليل المعمم لمجال التردد الكهربائي

يمكن استخدام (SRF-PLL) بشكل فعال لمزامنة الشبكة في أنظمة ثلاثية الطور، حتى في حالة وجود تردد متغير وترهل أو تضخم في جهد الشبكة الكهربائية، ومع ذلك في ظل ظروف غير متوازنة ومشوهة من الصعب تحقيق أداء تتبع مرض، بالإضافة إلى ذلك كما هو مذكور في القسم الأول، كما لا يمكن تطبيق (SRF-PLL) على مزامنة الشبكة أحادية الطور مباشرة.

وفي هذا القسم، ومن منظور مجال التردد المعمم، كما يتم تحويل إشارة الجهد ثلاثية الطور وحيدة الطور بشكل موحد إلى شكل معقد مماثل، كما وسيتم تقديم تحليل مجال التردد، والذي سيوفر الدعم النظري لتنفيذ (PLL) الرقمي الموحد في القسم الثالث والرابع، بالنسبة لنظام ثلاثي الطور، كما يمكن تقسيم جهد شبكة الإدخال (Eab و Ebc و Eca) إلى مكونات تسلسل موجب وسالب من خلال العلاقة الرياضية.

حيث أن:

(ωn = nω ، ω − n = −nω): تمثل التردد الزاوي الأساسي.

(n و θ′ − n): هما زاويتا الطور الأوليان للتتابعات الموجبة والسالبة على التوالي.

وكما هو مبين في الشكل التالي (2)، وذلك من خلال تحويل (CLARK)، بحيث يمكن تحويل (Eab) و (Ebc) (Eca) إلى الشكل المعقد من المعادلة:

(SRF-PLL) والفلتر المسبق المعمم: في القسم الثاني، يتم تحويل جهد الشبكة أحادي وثلاثية الطور إلى شكل معقد مماثل يحتوي على متواليات موجبة وسالبة، مما يوفر إمكانية تنفيذ (PLL) الرقمي الموحد لكل من الأنظمة أحادية وثلاثية الطور، في هذا القسم سيتم تقديم المبدأ الأساسي لـ (PLL) ونماذجها المستمرة والرقمية والمكافئة، بالإضافة إلى ذلك يتم تقديم نوعين من المرشحات المسبقة للمركبات التوافقية.

وكما هو مبين في الشكل التالي (3)، يدور المكون الإيجابي الأساسي (E1− →) في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة في إطار (αβ) الثابت، كما يجب الحصول على (E1) و (θ1) و (ω1) لتحقيق مزامنة الشبكة، والتي يمكن حسابها على التوالي، وذلك بواسطة (E1 = E21α + E21β √) وtanθ1 = E1β)  E1α) و (dθ1 / dt = 1)، ومع ذلك يصعب تحقيق عمليات التقسيم والظل المتعرج والمشتقات في (DSP)، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن الأداء المضاد للاضطراب لهذه الطريقة ليس ممتازاً.

وكبديل، يتم استخدام (PLL) على نطاق واسع كطريقة مزامنة شبكة الحلقة المغلقة، وكما هو مبين في الشكل التالي (4)، يتم تنفيذ مجمع الدوران الافتراضي (DQ− → -)، وذلك لتتبع المكون الإيجابي الأساسي (E1− →)، كما يتم استخدام فرق زاوية الطور لـ (DQ− → -) و (E1− →)، وذلك لتنظيم التردد الزاوي لـ (DQ− → -)، والذي يمكن الحصول عليه بواسطة وحدة كاشف الطور (PD).

ونظراً لعلاقة الاقتران بين (θ) و (ω) لـ (θ = θ ′ + t0ωdt)؛ فإنه يمكن تعديل (Δθ) إلى الصفر، مما يعني أن (DQ− → -) متزامن مع (E1− →) بدقة.

كما يوضح الشكل التالي (4) النماذج المستمرة والرقمية والمكافئة لـ (PLL)، وذلك بناءً على (PD) المنظم [G1 (s)] هو [G1 (s) = Kp + Ki / s]، وفي النموذج المكافئ، يكون الإدخال هو الانحرافات الأولية (Δω ′) و (Δθ ′)، والإخراج هو انحرافات في الوقت الفعلي (Δω) و (Δθ ′).

نوعان من المرشحات المسبقة المعممة: كما هو مذكور أعلاه، يمكن تقسيم الإشارة الدورية أحادية وثلاثية الطور إلى مكونات تسلسل موجب وسالب تدور في اتجاهين عكس عقارب الساعة واتجاه عقارب الساعة على التوالي، والهدف من مزامنة الشبكة هو مكون التسلسل الإيجابي الأساسي (E1− →)، وفي ظل ظروف الترهل أو الانتفاخ وظروف التردد المتغيرة، يُظهر (SRF-PLL) أداء تتبع ممتازاً.

ومع ذلك، عند وجود مكون غير متوازن ومشوه في إشارة جهد الدخل؛ فإن المعالجة المسبقة لتصفية مكونات التردد غير المتوقعة ضرورية، كما يظهر في الشكل التالي نوعان من مخططات الترشيح، وهما مرشح خارجي معمم ومرشح داخلي معمم، بحيث يستخرج الأول مكون + من الدرجة الأولى، كما ويستخرج الأخير مكون التيار المستمر من وحدة (PD) الهيكلان متكافئان تقريباً، وتم اعتماد الأول كمرشح مسبق في هذه الطرح.