العاكس ثلاثي الطور المتوازي المتصل بالشبكة الكهربائية

أهمية العاكس ثلاثي الطور المتوازي المتصل بالشبكة الكهربائية

يتم نقل الطاقة التي يتم الحصول عليها من مصادر الطاقة البديلة إلى شبكات الطاقة من خلال العاكسات، وخاصةً في التطبيقات عالية الطاقة، كما يتم استخدام محولات ثلاثية الطور، وفي التطبيقات منخفضة الطاقة؛ فإنه يتم استخدام محولات أحادية الطور، كما تُستخدم محولات مصدر الجهد على نطاق واسع في الأنظمة المتصلة بالشبكة الكهربائية، ونظراً لبساطتها وموثوقيتها؛ فإنه يمكن تنفيذ محولات مصدر الجهد ثلاثية الطور على شكل أنظمة ثلاثية الأسلاك وأربعة أسلاك وأربعة أرجل.

كما أنه من المتوقع أن تتمتع المحولات المتصلة بالشبكة بجودة طاقة عالية وكفاءة عالية وموثوقية عالية في تطبيقات الطاقة المتجددة، لذلك تلعب طوبولوجيا العاكس وتقنيات التحكم أدواراً مهمة في الأنظمة المتصلة بالشبكة، كذلك محولات مصدر الجهد الكهربائي متصلة بالشبكة عبر المرشحات، بحيث يمكن اختيار مرشحات مختلفة بين المحولات والشبكات، مثل مرشح [(L) ، (LC) ، (LCL)]، كما يسمح المرشح (L) باستخدام استراتيجية بسيطة للتحكم الحالي في العاكس.

أيضاً توجد حلقة تحكم واحدة فقط، كما ويتم استخدام تيار الشبكة كإشارة تغذية مرتدة، ومع ذلك يجب أن يعمل العاكس بتردد تبديل مرتفع نسبياً أو يجب استخدام مرشح (L) عالي القيمة لتلبية المعايير التوافقية مثل (IEEE 929-2000) و (IEEE 519)، ونظراً لأن تردد التحويل العالي يتسبب في خسائر تحويل عالية؛ فإن مرشحات (L) لا تستخدم في تطبيقات الطاقة المتجددة عالية.

ولزيادة التوهين التوافقي للمرشح (L)، يتم استخدام مرشح (LC) مع محول العزل، ولكنه لا يستخدم بشكل عام في المحولات المتصلة بالشبكة والمحولات المستقلة، كما يتم الحصول على أدنى قيمة للتشوه التوافقي الكلي (THD) باستخدام مرشحات (LCL) بنفس التردد مقارنة بالمرشحات الأخرى، ومع ذلك؛ فإن تصميم مرشح (LCL) معقد للغاية بسبب مشاكل الرنين والطاقة التفاعلية.

كما أنه من المهم تحديد قيم مكونات المرشح من أجل منع الرنين وتقليل القدرة التفاعلية الناتجة عن المكثفات، بحيث تُستخدم تقنيات التخميد السلبي الإضافية وخوارزميات التحكم المعقدة لقمع الرنين، وفي تقنية التخميد السلبي؛ فإنه يلزم وجود مقاومة إضافية وسعة أو محاثة، كذلك يتم استخدام التيار والجهد للمكثف والمحاثة في خوارزمية التحكم، وبالتالي؛ فإن حلقتين إضافيتين أو أكثر من حلقات التحكم تجعل خوارزمية التحكم أكثر صعوبة.

وصف النظام الخاص بالعاكس ثلاثي الطور المتوازي

يظهر نظام العاكس المتوازي المقترح ثلاثي الأطوار والمتصل بالشبكة في الشكل التالي (1)، كما يشتمل النظام على محولين لمصدر الجهد، للحصول على نتائج (THD) المطلوبة، لذلك يجب أن يعمل عاكس واحد بترددات تحويل عالية نسبياً، وفي هذه الحالة تكون الكفاءة أقل بسبب خسائر التحويل العالية، وفي النظام المقترح، كذلك يعمل العاكس الرئيسي بتردد تحويل منخفض للحصول على خسائر تحويل أقل، ومن ثم فإن التموج في تيار العاكس الرئيسي كبير وقيمة (THD) للتيار عالية.

كما يقوم العاكس الإضافي بمعالجة الطاقة التفاعلية فقط لتعويض التشوه في تيار العاكس الرئيسي، لذلك يتم التحكم في العاكس الإضافي عن طريق التحكم في التباطؤ الحالي (HCC)، كذلك يختلف تردد التشغيل بسبب سرطان الخلايا الكبدية، ولكنه دائماً ما يكون أعلى من تردد العاكس الرئيسي، كذلك الطاقة المعالجة بواسطة العاكس المساعد منخفضة.

ومن ثم؛ فإن الخسائر على العاكس المساعد منخفضة للغاية، أيضاً يتم الحصول على جهد وصلة (DC) للعاكس الإضافي من الشبكة عبر التحكم الحالي والمرشحات (L) تكون متصلة بين العواكس والشبكة، وذلك على الرغم من أن المرشح (L) يحتوي على توهين توافقي أقل من مرشحات (LC) و (LCL)، إلا أنه مفضل بسبب بساطة التصميم والتحكم.

السيطرة على النظام الكهربائي المقترح

تتمثل الوظيفة الرئيسية للعاكس المتصل بالشبكة في التحكم في حجم وزاوية طور تيار الشبكة، كما يتم التحكم في القوة الحقيقية من خلال المقدار الحالي، ويتم ضبط الطاقة النشطة عبر زاوية الطور، وفي النظام المقترح، كما يتم توصيل محولين متوازيين بالشبكة بواسطة مرشح (L)، كما هو موضح في الشكل التالي (2).

كما يتم التحكم في كل عاكس بتقنية تحكم مختلفة. في العاكس الرئيسي، يتم التحكم في تيار الخرج باستخدام تعديل عرض النبضة متجه الفضاء (SVPWM)، وهناك تقنية التحكم هذه أكثر ملاءمة لعاكس ثلاثي الأطوار ثلاثي الأسلاك، وهناك مزايا هذه التقنية هي تردد التبديل الثابت والمحتوى التوافقي المنخفض والطيف المحدد جيداً وإشارات التبديل المثلى واستخدام الجهد العالي لوصلة (DC).

يوفر نمط التحويل الأمثل رقم تحويل منخفضاً وخسائر تحويل منخفضة. تُستخدم تقنية (SVPWM) على نطاق واسع في المحولات ثلاثية الطور المتصلة بالشبكة الكهربائية، ونظراً لأن العاكس الإضافي يزيل التموج الحالي في تيار الشبكة؛ فإنه يتطلب استجابة سريعة، وهناك تقنية (HCC) تلبي متطلبات التحكم في العاكس المساعد.

كذلك إن تقنية التحكم غير الخطية (HCC)، تدرك في نفس الوقت تعويض الخطأ الحالي وتوليد (PWM)، كما إنه يتمتع بحماية متأصلة في ذروة التيار الكهربائي واستجابة ديناميكية سريعة وقوة ضد اختلاف المعطيات والبساطة، وعلى الرغم من سهولة تنفيذ خوارزمية التحكم؛ فإنه يجب أن يكون تردد أخذ العينات مرتفعاً في نظام التحكم، كما يعتمد أداؤها على عرض النطاق الترددي، كما ويؤثر عرض النطاق الترددي على تردد التبديل، وذلك يوضح الشكل السابق (2) خوارزمية التحكم في النظام.

يعتبر التيار المرجعي الرئيسي للعاكس هو تيار الشبكة المرجعية، بحيث يجب أن يكون تيار الشبكة في الطور مع جهد الشبكة لأقصى نقل للطاقة النشطة، كما يتم قياس الفولتية للشبكة ثلاثية الطور ويتم استخدامها لتحديد زاوية الشبكة (θ)، كذلك يتم تحديد (θ) عبر خوارزمية (SRF-PLL)، بحيث يتم تحويل الفولتية ثلاثية الطور إلى الإطار المرجعي (dq) عبر مصفوفة التحويل (16) في كاشف الطور.

لذلك يتم استخدام خرج مكون (q) لجهد الشبكة (vq) من كاشف الطور للكشف عن زاوية الشبكة، كذلك يتم تمرير خطأ (vq) عبر وحدة التحكم (PI) ويضاف إلى التردد الاسمي (n) لجهد الشبكة، كذلك تم ضبط القيمة المرجعية لـ (v q) على الصفر، كما أن الإشارة الناتجة هي تردد الشبكة، يتم تحديد زاوية الشبكة من خلال دمج تردد الشبكة ويتم استخدامها لتحويل الجهد ثلاثي الطور إلى الإطار المرجعي (dq) في بداية الخوارزمية.

كما ويرد في الشكل التالي (3) مخطط الكتلة لخوارزمية (SRF-PLL)، وباستخدام (θ) والقدرة المرجعية، بحيث تُحسب التيارات المرجعية في نظام إحداثيات (dq)، كما يتم تحويل التيارات المقاسة ثلاثية الطور إلى نظام إحداثيات (dq) ومقارنتها بتيارات (dq) المقاسة.

ومن خلال جمع ناتج وحدات تحكم [PI (Kp = 1.5 ، KI = 0.001)]، كما يتم الحصول على مكونات الاقتران والجهد الشبكي والفولتية المرجعية للعاكس في نظام إحداثيات (dq)، كما ويتم تحويل هذه المكونات المرجعية إلى مكونات (αβ)، بحيث تُستخدم المكونات المرجعية للجهد في الفولتية المرجعية (αβ) في توليد (SVPWM)، كذلك يتم إنشاء إشارات التبديل باستخدام مراجع الجهد وزاوية الشبكة والجهد الكهربائي (DC-link).