اقرأ في هذا المقال
يعد تنظيم الجهد الكهربائي الجيبي الفعال ذو أهمية دائمة لمحولات تشكيل الشبكة الكهربائية، وعادةً ما يتم استخدام النوعين التاليين من المخططات لتحقيق مستوى عالٍ من الأداء من خلال الجهد أحادي الحلقة والتحكم في الجهد والتيار ثنائي الحلقة.
الغاية من ضبط المحولات الكهربائية وتحسين التخميد
يعد تنظيم الجهد الجيبي الفعال جانباً ذا أهمية قصوى لمحولات تشكيل الشبكة (GFCs) لتحقيق مستوى عالٍ من الأداء في الكثير من التطبيقات المختلفة، مثل التحكم في الآلة المتزامنة الافتراضية (VSG) والتحكم المتدلي للمحولات المرتبطة بالشبكة الكهربائية ومرمم الجهد الديناميكي ووحدات الطاقة الأرضية للطائرات، وذلك بالإضافة الى امدادات الطاقة غير المنقطعة والمحولات المساعدة لقطارات السكك الحديدية.
وعلى سبيل المثال وبالنسبة للتطبيقات التي تحتوي على (GFCs) مع التحكم في (VSG / droop) أو طرق محسّنة متنوعة، بحيث يوفر المحول أيضاً دعماً للشبكة المحلية أو الشبكة الصغيرة، لذلك وفي هذه الاحتمالات، تقدم (GFCs) كمصدر جهد للحمل أو الشبكة، مما يعني أن جهد خرج تيار متردد ثابت بجودة شكل موجة عالية مطلوب بشكل عام.
ومن أجل تقليل تموجات التحويل عالية التردد الكهربائي؛ تضاف مرشحات (LC) عادة إلى محطات التيار المتردد الخاصة بها، ومع ذلك يمكن أن تتسبب مرشحات (LC) في مشاكل الاستقرار المتعلقة بالرنين، والتي يمكن نظرياً تثبيطها بشكل سلبي عن طريق إضافة مقاومات متسلسلة أو موازية للمكثفات، وذلك تماماً مثل حالة مرشحات (LCL)، والتي كانت موضوعاً للباحثين المهمين.
وفي السنوات الأخيرة ورغم ذلك؛ فإن طريقة التخميد هذه غير فعالة، كما ويمكن أن تتدهور فعالية المرشح، لذلك تم تفضيل طرق التخميد النشطة، حيث تتمثل الفكرة الأساسية في تحسين التخميد من خلال تعديل استراتيجية التحكم، وبدلاً من مقاومات التخميد، وبهذه الطريقة؛ فإنه يمكن تجنب فقد الطاقة الإضافي، والأهم من ذلك؛ أنه لا يزال من الممكن الاحتفاظ بفعالية المرشح.
الخيارات الهندسية المستخدمة لتخميد التموجات في محولات القدرة
عادة يمكن استخدام إما الجهد أحادي الحلقة أو التحكم في الجهد الكهربائي الحالي ثنائي الحلقة للتخميد النشط لـ (GFCs)، وذلك اعتماداً على ما إذا كانت متغيرات المرشح الإضافية، والتي يمكن أن تكون إما تيار المحث أو المكثف، بحيث يتم استشعارها وإعادتها للتنظيم، وفيما يتعلق بطريقة التحكم أحادي الحلقة؛ فإنه يتم قياس جهد المكثف فقط وإعادته للتنظيم.
كذلك تتجنب هذه الطريقة أجهزة الاستشعار الحالية عالية الدقة، وبالتالي فهي فعالة من حيث التكلفة وسهلة التنفيذ، وقد تم استخدامها في الواقع مع نفس التطبيقات، وفيما بعد ثبت في هذه الدراسات أن التحكم في الحلقة المفردة قد عانى من مشكلة ضعف الاستقرار، لذلك تم استخدام وحدات تحكم الرنين لتنظيم الجهد، وذلك لأن المكسب النسبي لا يساعد كثيراً في تحسين الأداء العام للنظام، ولكنه سيقلل من هامش الاستقرار بدلاً من ذلك.
ونتيجة لذلك تم اقتراح مصطلح رنان فقط، بحيث تمت دراسة آلية التثبيت الكامنة وراء هذه الطريقة بشكل، بحيث تبين أن التأخيرات المتعلقة بالحساب الرقمي والتشكيل تؤدي إلى تردد حرج لرنين مرشح (LC)، والذي يمكن فوقه استقرار النظام دون أي إضافية التخميد بالرنين.
كما تم أيضاً اقتراح مرشح تمرير منخفض مبطل تمت إضافته إلى مسار التعامل مع التقنيات، والذي يمكن استخدامه لزيادة منطقة الاستقرار بشكل مكافئ، وعلى الرغم من ذلك؛ قد لا يكون التحكم في الجهد أحادي الحلقة خياراً جيداً لـ (GFCs)، وهذا ما ستثبته الدراسة من خلال تقييم شامل لأدائها، بما في ذلك موضع الجذر المنفصل وتحليل مخطط (Nyquist).
نمذجة النظام الكهربائي الخاص بضبط المحولات ووصفه
يوضح الشكل التالي (1) الـ (GFCs) ذات مصدر الجهد ثلاثي الأطوار مع مرشح (LC) للإخراج، حيث أن (L) هو محث المرشح و (C) هو مكثف المرشح، وبعد المرشح هو محول الإخراج (T)، والذي عادة ما يكون مطلوباً للتطبيقات التي يكون فيها العزل ضرورياً، كما وتجدر الإشارة إلى أن (RL) هي المقاومة المكافئة للسلسلة، والتي تُستخدم عادةً لمحاكاة فقد الطاقة للمحول (بشكل أساسي من المحاثات ومفاتيح الطاقة).
كما يظهر أيضاً في هذا الشكل هيكل التحكم المقابل مع تضمين كل من مخططات التحكم ذات الحلقة المفردة والمزدوجة، وعلى وجه التحديد إذا تم استخدام وحدة التحكم الحالية، والتي يمكن أن تكون ملاحظاتها إما تيار الحث (iL) أو تيار المكثف (iC)، بحيث ينتج عن مخطط التحكم ثنائي الحلقة، وخلاف ذلك؛ فإنه يتم الحصول على مخطط التحكم أحادي الحلقة مع التغذية المرتدة للجهد المكثف.
وللتوضيح، تم تمثيل مخططات التحكم ذات الحلقة المفردة والمزدوجة بشكل أكبر في الأشكال التالية (3،2) على التوالي، حيث تمت ملاحظة مرشح (LC) المستمر في المجال (s)، كما وتم ملاحظة وحدة التحكم الرقمية في المجال (z)، وتجدر الإشارة إلى أنه إذا تم تجاهل (RL)، أي (R = 0)؛ فإنه يحاكي أسوأ حالة دون أي تخميد مادي لمرشح (LC).
كما يمكن بالتالي اشتقاق وظيفة التحويل لربط جهد خرج وحدة التحكم (VPWM) بجهد المكثف (V)، وذلك على النحو التالي:
حيث أن: ωres = √1 / L⋅C، وهو تردد صدى المرشح.
كما وتجدر الإشارة إلى أن تحميل تكنولوجيا المعلومات الحالية يتم التعامل معه على أنه اضطراب ويتم تجاهله في كل من الشكلين السابقين، وهو أمر معقول لأن (GFCs) يجب أن تعمل في حالة عدم التحميل، وفي الواقع، بحيث تظهر هذه الخاصية الخاصة بـ (GFCs) علاقة متناقضة مع تلك الخاصة بالمحولات التي تتبع الشبكة، حيث يُعتبر جهد الشبكة بمثابة اضطراب بدلاً من ذلك.
وفيما يتعلق بالشكلين من الناحية المثالية، يجب أن يكون للتحكم أحادي أو ثنائي الحلقة رفضاً كاملاً، ولهذا الاضطراب، مما يعني أن قيمة الحالة المستقرة لـ (V) المُثارة لنموذج (IT) ستكون صفراً، بحيث يتم تحقيق ذلك عادةً من خلال استخدام وحدات تحكم الرنين (RCs) لمنظم الجهد [CV (z)]، والذي يكون كسب الحلقة المفتوحة له لا نهائياً عند الترددات المطلوبة.
وبهذه الطريقة، وكما هو موضح في الشكل السابق (3)؛ فإن التغذية المرتدة لـ (IL) أو (IC)، بحيث ستؤدي إلى نفس النتيجة، والتي تمت دراستها بشكل شامل، ونتيجة لذلك يتم النظر في حالة ردود الفعل (IL) فقط في هذه الدراسة، والتي يمكن استخدامها أيضاً للحماية الحالية للمحول الكهربائي.
وفي نهاية ذلك فقد تم مقارنة مخططات التحكم ذات الحلقة المفردة والمزدوجة لـ (GFCs) بعمق، بحيث يتم تحديد قيود هامش الاستقرار غير الكافي وعرض النطاق الترددي المقيد والحساسية العالية، وذلك لتغير المعطيات التي تواجهها التحكم في الجهد أحادي الحلقة، خاصةً إذا تم استخدام وحدات التحكم الرنانة لتنظيم الجهد.
كما يتم تحديد جوهر حلقة التيار الداخلي بناءً على تحليل موضع الجذر المنفصل، كما وتمت معالجة معيار تصميم الحلقة الحالية، وذلك للحصول على أعلى تخميد واستقرار محسّن، بحيث تم تطوير طريقة للضبط الأمثل لحلقة التيار الداخلي، كما يعتبر المصنع الأصلي مع تأخير أخذ عينة واحدة والكسب الحالي بمثابة المصنع المكافئ لوحدة التحكم في الجهد، مما ينتج عنه في تحسين الأداء ورفض اضطراب الحمل.
