المحولات النمطية الثلاثية ذات الجهد الكهربائي العالي DC / DC

أهمية المحولات النمطية الثلاثية ذات الجهد العالي DC / DC

تعد تقنية نقل التيار المباشر عالي الجهد متعدد الأطراف (HVDC) وتقنية شبكة التيار المستمر من الطرق الفعالة لحل مشاكل تكامل الطاقة المتجددة، ومع ذلك يلزم وجود محول تيار مستمر عالي الجهد لربط أنظمة (HVDC) المنفصلة بمستويات جهد مختلفة مثل الوظيفة من محول التيار المتردد في شبكة التيار المتردد.

كذلك طوبولوجيا (DC / DC) غير قابلة للتطبيق هنا لأن مستويات الجهد لأنظمة (HVDC) عادة ما تكون مئات الكيلو فولت، لذلك يلزم توصيل سلسلة من مئات من (IGBT)، مما يجلب دوائر إضافية للشمس ويصنع وحدات القيادة معقدة للغاية، علاوة على ذلك، كما ينتج عن التوصيل المتسلسل لمفاتيح الطاقة إجهاد (dv / dt) مرتفع للغاية، مما ينتج عنه تداخل كهرومغناطيسي خطير (EMI).

كما يمكن أن يحقق الجسر المزدوج النشط (DAB) مع تكوين سلسلة المدخلات والمخرجات (ISOS) كذلك تحويل طاقة (DC / DC) عالي الجهد، ولكن العيب الرئيسي هو الحاجة إلى عدد كبير من محولات العزل، والتي لديها اختلافات عالية الجهد بين اللفات، بحيث أصبح المحول الكهربائي المعياري متعدد المستويات (MMC) استناداً إلى الوحدات الفرعية المتتالية (SMs) هو الهيكل المفضل في تحويل التيار المستمر / التيار المتردد عالي الجهد.

كما ويمكن لمحول التيار المستمر / التيار المتردد القائم على (MMC) تحقيق تحويل طاقة تيار مستمر / تيار مستمر عالي الجهد بشكل فعال، ونظراً لاستخدام محول في رابط التيار المتردد الوسيط لأداء خطوة الجهد وتحقيق العزل الكهربائي؛ فإن محول التيار المستمر / التيار المتردد القائم على (MMC) مناسب لتطبيق نسبة الجهد العالي (> 5).

على سبيل المثال للتوصيل البيني القائم على مزرعة الرياح البحرية (30kV) ونظام النقل (HVDC (300kV))، لكن مرحلتي تحويل التيار المستمر / التيار المتردد ومحول التيار المتردد كامل التصنيف ينتج عنه حجم نظام كبير وتكلفة عالية.

كذلك كان المحول التلقائي هو الخيار المفضل في شبكة التيار المتردد ذات الجهد العالي جداً نظراً لكفاءته العالية وتكلفته المنخفضة، وذلك على الرغم من أنه يفقد القدرة على العزل الكهربائي، وبالمثل قد لا يكون العزل الكهربائي ضرورياً في التوصيل البيني لأنظمة (HVDC)، كما وقد تم تطوير ما يسمى بالمحول الذاتي DC / DC) (DC AUTO)).

أيضاً يقلل (DC AUTO) من القدرات المطلوبة لمحول التيار المتردد و (MMCs)، لكن محول التيار المتردد لا يزال لا غنى عنه، نظراً لأن تشغيل (MMC) بتردد الطاقة ينتج عنه حجم نظام كبير نظراً لسعة (SM) الكبيرة جداً يوصى باستخدام تردد تيار متردد متوسط لتقليل سعة (SM)، ومع ذلك؛ فإن تصنيع محول تيار متردد متوسط التردد لتطبيق (HVDC) أمر صعب الآن، كما وقد يحد هذا من استخدام المحولات التي تتطلب محولات تيار متردد.

العاكس ثلاثي المستويات من النوع المعياري DC / DC Converter

تكوين دائرة (Buck-TL-MDCC): يوضح الشكل التالي (1) وحدتين فرعيتين أساسيتين (SMs)، أي (SM) نصف الجسر (HBSM) والجسر الكامل [SM (FBSM)]، كما يكون جهد خرج (HBSM) مساوياً لجهد مكثف (VC) (الحالة المدرجة) أو صفر (حالة التجاوز)، كما يحتوي جهد خرج (FBSM) على ثلاثة مستويات، أي (+ VC) (حالة إدخال موجبة) و (VC) (حالة إدخال سالبة) وصفر (حالة تجاوز).

وذلك تكلفة المحول على أساس (FBSMs) أعلى بكثير من تلك القائمة على (HBSMs)، وذلك لأن عدد المحولات يتضاعف، ومع ذلك؛ فإن (FBSM) يوفر إمكانية حجب خطأ التيار المستمر بسبب مستوى الجهد السالب.

كما أن المحول الكلاسيكي ثنائي الاتجاه ثلاثي المستويات (Buck-TLC)، وهو موضح في الشكل التالي (2)، كما ويتكون من زوجين من المفاتيح التكميلية، أي (S1a ، S1b) و (S2a ، S2b)، وهو مكثف مانع للتسرب (Cblock) ومحث مرشح (Lf)، وذلك منهجية التوليف لمحولات (DC / DC) المعيارية (MDCCs)، أي استبدال المفاتيح التكميلية في محولات (DC / DC) الكلاسيكية بسلسلتين من (SMs) المتتالية (يتم اختصارها على أنها روابط سلسلة تكميلية) ومحث ذراع كما هو موضح في الشكل التالي (3).

ومع ذلك، يمكن اشتقاق (MDCC) من النوع (Buck-TL -Buck-TL-MDCC)، وذلك عن طريق استبدال زوجين من المفاتيح التكميلية في (Buck-TLC) بزوجين من روابط السلسلة التكميلية، أي (رابط سلسلة) (1a chain-link 1b) و (chain-link 2a، chain-link 2b) واثنين من محاثات الذراع، أي (La1 و La2)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (4)، حيث يشتمل كل رابط سلسلة على (n SMs).

مبدأ تشغيل (Buck-TL-MDCC): يمكن لـ (Buck-TL-MDDC) وظيفياً عكس القدرة مع (HBSMs)، بينما لتحقيق قدرة حجب خطأ التيار المستمر، يجب أن تتبنى (SM) الجزئية (FBSM)، كما من المفترض أن جميع (SM) تتبنى (HBSM) لتبسيط التحليل، ولتوضيح مبدأ التشغيل الخاص بـ (Buck-TL-MDCC)؛ فإنه تم تحديد حالتين من حالات التشغيل لوصلة السلسلة بشكل أساسي.

لذلك إذا كان إجمالي (n SMs) في عمل رابط السلسلة في الحالة المدرجة؛ فإن جهد الخرج لوصلة السلسلة هو (nVC)، كما ويطلق عليه الحالة عالية المستوى لوصلة السلسلة، لذلك إذا كان إجمالي (n) (SMs) في عمل رابط السلسلة في حالة التجاوز؛ فإن جهد الخرج لوصلة السلسلة هو (0)، كما يطلق عليه الحالة منخفضة المستوى لوصلة السلسلة، لذلك افترض أن جهد مكثف (SM) يرضي (VC).

استراتيجية التحكم في Buck-TL-MDCC

مخطط الرقابة العامة: يوضح الشكل التالي (5) مخطط التحكم العام لـ (Buck-TL-MDCC)، والذي يتكون من أربعة أجزاء رئيسية بما في ذلك التحكم في التغذية الراجعة والتحكم الأمامي والتحكم في إزاحة الطور والتحكم في موازنة الجهد، كما يهدف التحكم في إزاحة الطور إلى إعادة توزيع الطاقة بين روابط السلسلة (1) و (2)، وفي الوقت نفسه؛ فإنه يمكن موازنة الفولتية (SM) المكثف في نفس رابط السلسلة عن طريق التحكم في موازنة الجهد.

لذلك يهدف التحكم في التغذية المرتدة إلى تنظيم تيار الخرج أو الجهد الكهربائي، كما وتم اعتماد التحكم في التغذية الراجعة الحالية في الشكل التالي (5) وتتمثل وظيفة التحكم في التغذية الأمامية في ضمان أن يكون جهد ربط السلسلة المحجوب نصف جهد الدخل دون التأثير على التغذية الراجعة الحالية السيطرة.

ميزان الجهد (SMS): في الممارسة العملية، يتم إدخال التعديل المتدرج على مستويين، ولتحقيق توازن الجهد لمكثفات (SM) وتخفيف إجهاد (dv / dt، كما يوضح الشكل التالي (6) جهد الخرج لوصلة السلسلة، حيث توجد فترة انتقال الجهد في عملية التبديل بين حالات المستوى العالي والمنخفض، وأثناء فترة انتقال الجهد المرتفع أو التنازلي؛ فإنه يقوم رابط السلسلة بإدراج أو تجاوز مكثف (SM) كل ثانية (Td)، وبشكل عام، يجب تلبية (nTd≪T) بحيث لا تؤثر فترة انتقال الجهد على مبدأ التشغيل الأساسي.