العاكس ثلاثي الأطوار وفصل الشبكة الكهربائية النشطة

بشكل هندسي وتقني يتم عرض نمذجة عاكس من أربع أسلاك من ثلاث مراحل وتصميم مخططين للتحكم في تشغيله غير المتصل بالشبكة الكهربائية، بحيث تتمثل مزايا الهيكل المكون من أربعة أسلاك في أنه من خلال التحويل الإحداثي، كما يمكن الحصول على نموذج خطي منفصل، بالإضافة إلى تغذية أحمال أحادية الطور وثلاثية الطور في وضع التشغيل هذا.

دور العاكس ثلاثي الأطوار بعملية فصل الشبكة الكهربائية النشطة

أدى التطور العلمي إلى تغيير متدرج في العملية (عملية التحكم بالشبكات)، مما تسبب في زيادة كبيرة في الطلب على الطاقة لكل فرد سنوياً، وفي هذا السياق وحتى سنوات قليلة مضت؛ أثبتت الأشكال التقليدية لتوليد الطاقة المرتبطة باستهلاك الوقود الأحفوري أنها حل لهذا التغيير، وعلى الرغم من أن هذه الزيادة وهذه الاستراتيجية لتوليد الطاقة قد حسنت رفاهية المجتمعات الاستهلاكية المختلفة؛ فمن الملائم مراعاة جميع العناصر الممكنة عند تقييم تأثيرها على نوعية حياتنا.

وكمثال واقعي على ذلك “التأثير البيئي” للعمليات الهندسية لتوليد القدرة الكهربائية المطلوبة ويرافقها ندرة الموارد المتاحة، كما يُلاحظ أن إنتاج النفط بلغ ذروته بشكل واضح، بينما من المحتمل وصوله الى مستوى إنتاج الغاز عام (2030)م، وفي هذا السياق تحديداً؛ فإنه من المتوقع حدوث زيادة قوية في أسعار الطاقة وفقاً للدراسات التي نشرها المجلس العالمي لطاقة الرياح (GWEC) والطاقة المتجددة، وخاصةً أنظمة الطاقة المحدودة (RESL).

كما أن هذا هو السبب في طرح العديد من الحلول في النقاش الذي يهدف إلى تعديل سيناريو إنتاج الطاقة في المستقبل، وضمن هذا الإطار؛ فإن ما يسمى بالطاقات المتجددة موجودة حالياً كخيار ممكن وبيئي ومربح قادر على تلبية احتياجات الطاقة للمجتمعات المختلفة في أجزاء مختلفة من العالم.

دور الطاقة المتجددة في تعزيز العاكس الكهربائية ثلاثي الطور

يرتبط مفهوم الطاقة المتجددة بقدرة التجديد لمصادر الطاقة، بحيث يمكن اعتبار تلك المصادر التي يكون معدل تجديدها أعلى بكثير من معدل الاستخدام على هذا النحو، وضمن هذه المجموعة توجد الطاقة الشمسية أو الهيدروليكية أو حتى الطاقة الحرارية الأرضية أو طاقة الكتلة الحيوية، على سبيل المثال لا الحصر مثل الوقود الأحفوري؛ فإنه لا يتم توزيع مصادر الطاقة المتجددة بالتساوي في جميع أنحاء الكوكب، بحيث يمكن لكل بلد أن يجد في بيئته أنسب مورد متجدد لتوليد الكهرباء.

كذلك سيقلل هذا البديل المُقترح من الاعتماد على توليد القدرة من المصادر التقليدية المعروفة، وهناك خاصية تضعهم في موقع متميز في المستقبل لتوليد وتوزيع الطاقة، ونظراً لأن العديد من أنظمة التحويل المستخدمة في الطاقات المتجددة معيارية (على مستوى العالم)؛ فمن السهل دمجها واشراكها في الشبكات الصغيرة، والتي تشكل أنظمة التوليد الكهربائي هذا يضمن جودة وموثوقية أعلى في الطاقة المستهلكة.

كما يوضح الشكل التالي (1) هيكل العاكس رباعي الأسلاك، وفي التطبيقات في عملية انقطاع الشبكة؛ فإنه يحتوي العاكس على مرشح تمرير منخفض (LC) عند خروجه، كما أن الغرض من المرشح هو تخفيف ترددات تبديل الجهد العالي والتموجات المرتبطة بالتيار الكهربائي، حيث أن السلك الرابع الذي يمثل السلك المحايد متصل عند النقطة التي تكون فيها المراحل الثلاث (a، b ،c) مترابطة، كذلك يسمح مغو السلك المحايد (Ln) بتقليل تموج تيار التحويل والحد من تيار العطل في ظروف الدائرة القصيرة.

النموذج الخاص في متغيرات حالة التحكم بالعاكس الكهربائي

للحصول على نموذج العاكس؛ فإنه يكون ضمن المرحلة الموضحة في الشكل التالي (2).

وبتطبيق قانون جهد كيرشوف على الدائرة الكهربائية الموضحة في الشكل السابق؛ فإنه يتم الحصول على التعبير (1) بواسطة:

كما تظهر التعبيرات الفولتية للمحثات الكهربائية من خلال:

وباتباع هذا الإجراء للمراحل (uf ،wf)؛ فإنه يتم الحصول على المعادلات التفاضلية التي تصف دارة إدخال العاكس، حيث أن (La = Lb = Lc = L)، وذلك من خلال:

كما يمكن الوضع في الاعتبار مخطط المراحل الثلاث في خرج العاكس الكهربائي الموضح في الشكل التالي (3).

كما يمكن فصل معادلات الحالة بتطبيق مصفوفة تحويل (Park)، والتي تسمح بتحويل النظام المرجعي (uvw) إلى نظام مرجعي (αβγ)، والمُعطى بواسطة:

حيث أنه يتم إعطاء مصفوفة التحويل (T ،T 1) بواسطة:

التحليل الخاص بالعاكس ثلاثي الأطوار عن طريق وظيفة النقل الكهربائي

يمكن تحليل مكون نموذج العاكس الكهربائي من خلال مخطط الكتلة لهذا النموذج في الشكل التالي (4)، بحيث لوحظ أن هذا النموذج ينطبق أيضاً على التنسيق.

كما أن هذا المخطط هو الأهم في هذا العمل، بحيث يتم استخدامه للحصول على وظائف النقل التي تسمح بتصميم وحدات التحكم في حلقة التيار والجهد الكهربائي، كما بتطبيق كتلة الجبر على الرسم التخطيطي في الشكل السابق، بحيث يتم الحصول على وظيفة التحويل التي تربط جهد الخرج (vαn) والإشارة الحالية (iLα) من خلال:

كذلك وظيفة النقل التي تتعلق بجهد الخرج (vαn) وإشارة الدخل (vαf) تعطى بواسطة:

وبشكل نهائي؛ فإنه يتم إعطاء وظيفة النقل التي تتعلق بالإشارة الحالية (iLα) والجهد الكهربائي الداخل (vαf) بواسطة:

التصميم الخاص بمرشح نهاية العاكس الكهربائي

يتم الحصول على حساب مرشح خرج العاكس “رباعي الأسلاك” مع الأخذ في الاعتبار أن كل مرحلة من مراحل العاكس ثلاثي الطور، وذلك فيما يتعلق بالمحايد تعادل عاكس أحادي الطور، كم أن هناك عامل آخر يؤخذ في الاعتبار لتصميمه وهو تردد التقاطع الذي يوصى به بين (15-17) بشكل متناسق، وذلك من أجل توفير رفض أكبر للاضطراب، وبالنظر إلى ذلك يعرض الشكل التالي (5) الدائرة المكافئة لكل مرحلة تسمح بتحديد وظيفة نقل المرشح.

ومن خلال تطبيق قانون كيرشوف للجهد وتحويل لابلاس؛ فإنه يتم تحديد وظيفة النقل بواسطة:

ومن خلال المعادلة السابقة؛ فإنه يتم الحصول على معادلة التردد الكهربائي بهذا النطاق:

وبشكل نهائي يقدم هذا الطرح نمذجة العاكس الكهربائي ثلاثي الأطوار وطريقة الحصول على خصائص النقل، وفي تصميم “وحدات التحكم الخاصة”، والتي تم الحصول عليها بهذه الطريقة، وعلى وجه الخصوص؛ فإنه يتم النظر في حلقة التيار وحلقة الجهد الكهربائي بشكل مشترك في النموذج الأصلي للعاكس، مما يسمح له بالحصول على وظائف النقل لكلتا الحلقتين بوضوح.

كذلك يمكن الحصول على تكامل معمم بشكل خاص من خلال تطبيق طريقة تحويل الإحداثيات على الكسب المتكامل الذي تم الحصول عليه من خلال تصميم وحدة التحكم (PI) في التيار المباشر (dc)، بحيث يسمح هذا بالحصول على وحدة تحكم جديدة تم تعريفها في هذا العمل على أنها عنصر تحكم نسبي بالإضافة إلى وحدة تكامل معممة (P + GI).

أيضاً تم تصميم وحدة التحكم الجديدة هذه خصيصاً لحلقة الجهد (وحدة التحكم الرئيسية)، وذلك مع الأخذ في الاعتبار أنه في عملية وضع جزيرة العاكس، كما أنه يكون الهدف هو الحفاظ على شكل الموجة والسعة وتردد إشارة الجهد الكهربائي، لذلك تم استخدام وحدة تحكم (PI) في الحلقة الحالية (وحدة التحكم التابعة).