السلوك النشط والاضطراب لمصدر الجهد الكهربائي PWM

تم استخدام مقوّم تعديل “عرض النبضة” (PWM) ثلاثي الأطوار على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية، ومن أجل التحكم التقليدي ثنائي الحلقة (PI) لمعدل (PWM) ثلاثي الطور لمصدر الجهد الكهربائي؛ فإن حلقة الجهد والحلقة الحالية لها أداء ضعيف في رفض الاضطراب ووقت استجابة طويل.

تحليل السلوك النشط والاضطراب لمصدر الجهد الكهربائي PWM

كمحول طاقة عالي الكفاءة وموثوق؛ فإن معدل تعديل عرض النبض لمصدر الجهد ثلاثي الأطوار (PWM) له مزايا تشغيل عامل الطاقة والمحتوى التوافقي لتيار الدخل المنخفض والجهد الجانبي (DC) القابل للتحكم، كذلك التدفق ثنائي الاتجاه للطاقة، أيضاً لقد وجد نجاحاً في العديد من التطبيقات في مجالات مختلفة مثل الطاقة المتجددة ونقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) ومرشح الطاقة النشط وما إلى ذلك.

ومن أجل تحسين أداء التحكم، غالباً ما يتبنى نظام التحكم في مقوم (PWM) هيكل تحكم مزدوج الحلقة المغلقة يتكون من حلقة الجهد الخارجي وحلقة التيار الداخلي، ولكن تصميم نظام التحكم غالباً ما يركز على الجزء الداخلي، وهي مشكلة التحكم في الحلقة الحالية، في حين أن التحكم في حلقة الجهد الخارجي لم يجتذب بعد الانتباه الكافي.

وعلى الرغم من أن استراتيجية التحكم في (PI)؛ فقد تم تبنيها دائماً في حالة وحدة التحكم لمعدل (PWM)؛ إلا أنه كان من الصعب في الواقع الإرضاء باستراتيجية التحكم (PI) لسرعة الاستجابة الديناميكية البطيئة وحساسية الاضطرابات، لذلك تم دفع العديد من استراتيجيات التحكم الجديدة من أجل تحقيق أداء ديناميكي عالي ورفض الاضطرابات والقوة القوية، وهذه هي آلية التحكم في النموذج الداخلي (IMC).

آلية التحكم في التيار الكهربائي الحلقي لمقوم الـ (PWM)

تم تطبيق (IMC) على التحكم في “حلقة التيار الداخلي” لمقوم (PWM)، كما وتم استبدال طريقة (PI) التقليدية بوحدة تحكم النموذج الداخلي، كذلك تم اقتراح تصميم وحدة التحكم بناءً على (IMC) المطبق على عاكس (PWM) أحادي الطور المتصل بالشبكة الكهربائية، كما وتم تقديم وحدة تحكم (1-DOF IMC) وتم تحليل فصل جهد الشبكة عن طريق إستراتيجية التغذية الأمامية.

أيضاً (IMC) المعتمد لديه قدرة قوية على مقاومة التداخل، ولكن عدم اليقين في النموذج قد يؤدي إلى عدم تطابق النموذج، وفيما يتعلق بإزالة خطأ المتجه الحالي تم اقتراح وحدة التحكم في العلاقات العامة المحسّنة لحلقة التيار الداخلي بطريقة مطابقة القطب الصفري لتكوين وحدة التحكم، والتي تحقق التحكم الخالي من الكهرباء في الإشارة الجيبية ويحسن هيكل النظام، ومع ذلك؛ فإن تصميم وحدة التحكم أكثر تعقيداً.

لذلك تحسب طريقة (MPC) المقترحة لمعدل (PWM) ثلاثي الأطوار متجه الجهد الأمثل من خلال تحليل العلاقة بين التدفق الافتراضي والطاقة النشطة وجهد المحول ومعلمات المرشح، كما وتحسب الخوارزمية التنبؤية الطاقة الخطأ التي ستنتج عن تطبيق كل متجه واختيار الخطأ الذي يساهم في الحد الأدنى من الخطأ، مما يحسن أداء المقوم، ومع ذلك يبقى من الصعب تلبية متطلبات الوقت الفعلي العالية بالنظر إلى العدد الكبير من الحسابات المعقدة.

النموذج الرياضي لمعدل مصدر الجهد الكهربائي PWM

يوضح الشكل التالي (1) دارة مقوم (PWM) ثلاثي الأطوار، حيث يتصل المعدل بالشبكة من خلال المحاثة (L) والمقاومة (R).

كما يمكن الحصول على النموذج الرياضي لمقوم (PWM) ثلاثي الأطوار في إطار ثابت (a-b-c):

حيث أن:

(ea ، eb ، ec): الفولتية ثلاثية الطور للشبكة الكهربائية.

(ia ، ib ، ic): هي تيارات جانبية للشبكة الكهربائية.

(L): تشير إلى جانب التيار المتردد.

(R): تشير إلى المقاومة الداخلية المكافئة.

(C): تشير إلى مكثف ناقل التيار المستمر.

(Udc): تشير إلى التيار المستمر جهد الناقل.

(iL): يشير إلى تيار الحمل الكهربائي.

(Sa ، Sb ، Sc): هي وظيفة التبديل على التوالي.

كما أن الجهد والتيار في الإطار الثابت (a-b-c) عبارة عن موجة جيبية متغيرة بمرور الوقت، مما يجعل من الصعب تحليلها، لذلك يمكن الحصول على متغيرات المتجهات في الإطار المرجعي المتزامن المتزامن (d-q) من الإطار الثابت (a-b-c) عن طريق تحويل (Clarke) و (Park)، والذي يمكن التعبير عنه على النحو التالي:

حيث أن:

(ω): تشير إلى التردد الزاوي لجهد الشبكة الكهربائية.

(urd ، urq): هي مكون (d ، q) للجهد الجانبي (AC) لمقوم (PWM).

(Sd ، Sq): هي مكونات (d ، q) لوظيفة التبديل (Sk ، ed ، eq) هما (d ، q) مكون من ثلاث مراحل لجهد الشبكة والمعرف و (iq) هما مكونان (d و q) للتيار الجانبي للشبكة على التوالي، بحيث يوضح الشكل التالي (2) مخطط هيكل مقوم (PWM) في الرتل المرجعي (d-q).

استراتيجية التحكم ثلاثي الأطوار لمصدر الجهد لمعدل PWM

من أجل تحسين أداء التحكم في مقوم (PWM)؛ فقد تم اقتراح مخطط تحكم لـ (LADRC) في هذه الدراسة، بحيث يعتمد مخطط (LADRC) المقترح هيكل تحكم مزدوج الحلقة المغلقة يتكون من حلقة الجهد الخارجي وحلقة التيار الداخلي، كذلك يتم تحديد (id ، iq ، Udc) كمتغيرات حالة النظام الكهربائي.

• تصميم مخطط (LADRC: يظهر هيكل (ADRC) في الشكل التالي (3)، كما ويتكون بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء وتضم مفاضلة التتبع (TD) ومراقب الحالة الممتدة (ESO) وردود الفعل على خطأ الحالة غير الخطية (NLSEF)، كما يحصل (ESO) على القيمة المقدرة (z1 − zn) لمتغير حالة النظام والقيمة المقدرة (zn + 1) للاضطراب المجمع.

• تصميم (LADRC) لحلقة الجهد في مقوم (PWM): بينما يتم إهمال فقد مفتاح مقوم (PWM)؛ فإنه يتم موازنة الطاقة النشطة على جانب التيار المتردد (Pac) مع الطاقة النشطة على جانب التيار المستمر (Pdc) والعلاقة بين (Pac) و (Pdc) هي المساواة بشكل عام.

• تصميم (LADRC) للحلقة الحالية لمحور (D) في مقوم (PWM): يمكن الإشارة إلى النموذج الرياضي للحلقة الحالية للمحور (d) بالمعادلة التالية:

• تصميم (LADRC) للحلقة الحالية (Q-Axis) في مقوم (PWM): يمكن تمثيل النموذج الرياضي للحلقة الحالية (q -axis) على النحو التالي:

وبالمثل، يوجد حد اقتران (id) واضطراب خارجي [(eq− Riq) / L] في [w3 (t)]، لذلك تستخدم الحلقة الحالية (q -axis) أيضاً (LADRC)، والذي يشبه التصميم الحلقة الحالية للمحور (d).

وأخيراً يقترح هذا البحث استراتيجية تحكم جديدة لمعدل (PWM) ثلاثي الأطوار لمصدر الجهد، وهو عبارة عن هيكل متسلسل مزدوج الحلقة مغلق يتكون من حلقة الجهد الخارجي وحلقة التيار الداخلي، كما تم تطبيق خوارزمية التحكم في رفض الاضطراب الخطي النشط على حلقة الجهد والحلقة الحالية مع الأخذ في الاعتبار أداء التتبع الديناميكي الأفضل ورفض الاضطراب وقوة أقوى.

كذلك تستخدم الاستراتيجية المقترحة (LESO ،LSEF)، والتي تحتاج إلى وظائف غير خطية أقل من (ADRC)، بحيث تم إجراء محاكاة وتجربة مقارنة مع تحكم (PI) التقليدي و (ADRC) والتحكم (LADRC) المقترح، كما وتحقق النتائج التي تم الحصول عليها من صحة أداء الحالة المستقرة المرضي والاستجابات الديناميكية السريعة من خلال التحكم (LADRC) المقترح.