المحول الكهربائي ذو النقاط المحايدة والمتداخلة

تحليل المحول الكهربائي ذو النقاط المحايدة المتداخلة

تعد محولات مصدر الجهد متعدد المستويات جذابة ومقبولة على نطاق واسع لتطبيقات الجهد المتوسط عالية الطاقة، مثل أنظمة النقل والمعوض المتزامن الثابت وتطبيقات توربينات الرياح، وفي الوقت نفسه عملت طوبولوجيا محول الطاقة الجديدة وأحدث الإنجازات من حيث التحكم على توسيع تطبيق المحولات متعددة المستويات لتحويل الطاقة المتجددة ومحركات الماكينة من بين أمور أخرى.

وبالمقارنة مع المحولات التقليدية ذات المستويين، بحيث تتمتع المحولات الكهربائية متعددة المستويات بأداء توافقي أفضل لأشكال الموجة الناتجة وجهود تشغيل أعلى وفقدان تبديل أقل وتقليل حجم عناصر مرشح الإخراج ومحولات الواجهة.

نظراً للميزات البارزة، تم اقتراح وتطوير مجموعة متزايدة من الهياكل متعددة المستويات على مدار العقود الماضية، وعادةً ما يُنظر إلى محول مكثف الطيران (FC) ومحول النقطة المحايدة (NPC) ومحول (H-bridge) (CHB) المتتالي على أنها محولات كلاسيكية متعددة المستويات ويتم تسويقها بنجاح في التصنيع، ومع ذلك؛ فإن العيوب الكبيرة لهذه الهياكل الكلاسيكية تحد من تطبيقاتها لكثافة الطاقة العالية ومستويات الجهد الكهربائي.

ولكي تكون محدداً يزداد عدد (FCs) بشكل كبير لطوبولوجيا (FC) التي تعمل عند عدد أعلى من مستويات الجهد، مما يقلل من موثوقية النظام، يتطلب استخدام محول (NPC) لنظام كثافة طاقة أعلى عددًا كبيراً من ثنائيات التثبيت، إلى جانب ذلك؛ فإن متطلبات موازنة الفولتية (DC-link) تحتاج إلى تحكم إضافي، بالنسبة لمحول (CHB) تعد العديد من مصادر التيار المستمر المعزولة الناتجة عن محول تحويل الطور الضخم إلزامية، مما يزيد من تكلفة وحجم النظام الكهربائي.

وللتخفيف من المشكلات المذكورة أعلاه، تمت دراسة مجموعة متنوعة من المحولات المتقدمة متعددة المستويات في العديد من الدراسات، من بينها المحول المعياري متعدد المستويات (MMC) والمحول النشط ذو النقاط المحايدة (ANPC) والمحول متعدد المستويات المتداخل المحايد (NNPC) يكتسب اهتماماً متزايداً من الأوساط الأكاديمية والصناعية

كما تعد (MMC) هيكلاً معيارياً وتعرض قابلية تطوير أفضل وعمليات زائدة مرنة وتحمل قوي للأعطال مقارنة بطوبولوجيا محولات الطاقة الأخرى، كما أن هذه الميزات البارزة لـ (MMC) تجعلها مناسبة بشكل خاص لعمليات نقل التيار المباشر ذات الجهد العالي (HVdc).

كما يتغلب محول (ANPC) و (NNPC) على العيوب المتأصلة في الهياكل التقليدية متعددة المستويات، كما يمكن تحقيق الفولتية المتوازنة لمكثف التيار المستمر والتوزيع المماثل لفقد الطاقة في محول (ANPC) و (NNPC)، بينما لا يلزم المحول الضخم والمكلف، وعلى الرغم من أن محولات (MMC ، ANPC ، NNPC) لديها نسبة أقل من الثنائيات المثبتة و (FCs)، إلا أن عدد أجهزة التحويل لا يزال مرتفعاً.

الهياكل المعدلة متعددة المستويات الخاصة بالمحول الكهربائي المحايد

من بين الهياكل المعدلة متعددة المستويات، بحيث يكتسب محول NNPC (T-NNPC) من النوع (T) من (7) مستويات المطور حديثاً، والذي تم تقديمه لأول مرة في الدراسات، كما يقدم اهتماماً كبيراً، كما يظهر الرسم التخطيطي أحادي الطور لهذا الهيكل في الشكل التالي (1)، بحيث تم تطوير محول (T-NNPC) ذي المستوى السابع من محول ذي ستة مستويات.

كما أن السمة البارزة لهذا الهيكل هي نسبة أقل من المكونات مقارنة بالمحولات الأخرى الحالية ذات السبعة مستويات، وذلك كما هو موضح في الجدول التالي (1) وكما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث تتكون كل مرحلة من محول (T-NNPC) من (7) مستويات من ثمانية تبديل أجهزة وأربعة (FCs).

وبالمقارنة مع محول (NPC) الكلاسيكي محول (FC) والطوبولوجيا الهجينة المتقدمة ذات المستوى السابع؛ فإن محول (T-NNPC) ذو المستويات السبعة لديه انخفاض كبير في عدد أجهزة الطاقة و (FCs)، والتي تتيح توفيراً إضافياً في الحجم وتحسين الموثوقية.

إلى جانب ذلك، ليست هناك حاجة لمصادر التيار المستمر المعزولة في هذا الهيكل مقارنة بمحول (CHB)، وذلك نظراً للمزايا المذكورة أعلاه والقدرة على العمل على نطاق واسع من الفولتية، بحيث يظهر محول (T-NNPC) المكون من (7) مستويات كحل منخفض التكلفة وعالي الأداء لتطبيقات الجهد الكهربائي المتوسط.

مبدأ تشغيل الهيكل تحت ظروف التشغيل العادية

تمت مناقشة مبدأ تشغيل هذا الهيكل تحت ظروف التشغيل العادية بشكل جيد من خلال المراجع والأبحاث، ومع ذلك ونظراً للضرر الحتمي في أجهزة التبديل؛ فإن التحقيق في الهيكل المتسامح للأخطاء وخوارزمية التحكم المقابلة للمحولات متعددة المستويات له أهمية كبيرة، ووبها المعنى يمكن اعتبار المحول ثنائي الأرجل ثلاثي الطور بمثابة طوبولوجيا أعيد تشكيلها بعد الخطأ للمحول ثلاثي المراحل التقليدي ثلاثي الأرجل في حالة وجود حالة خلل في الساق.

ومع محاولة ضمان التشغيل المستمر والتخفيف من تدهور أداء المحول متعدد المستويات في ظل ظروف الساق المعيبة؛ فقد تم اقتراح مخططات تحكم معدلة جوهرية، مثل تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) ونظام تعديل متجه الفضاء (SVM)، كما وتم اقتراح استراتيجية تحكم (PWM) بحيث تتسامح مع الخطأ في المحول ثلاثي الطور رباعي المحولات.

وأخيراً تم اقتراح استراتيجية تحكم (SVPWM) نشطة جديدة تتحمل الأخطاء لمحول هجين من سبعة مستويات للتعامل مع أعطال الدائرة القصيرة والمفتوحة أحادية الطور، حيث يتم تحسين موثوقية وقوة المحول عن طريق إدخال تعويض المتجه، ومع ذلك؛ فإن جميع مخططات التحكم المذكورة أعلاه تستند إلى طريقة التحكم الخطي، حيث يعتمد أداء التحكم بشكل كبير على الضبط المناسب لمعطيات التحكم بالإضافة إلى نوع مخطط التعديل.

وفي الآونة الأخيرة وبفضل تطوير المعالجات الرقمية السريعة، يمكن تنفيذ بعض الخوارزميات الذكية في نظام الوقت الفعلي، من بينها يظهر التحكم التنبئي لنموذج مجموعة التحكم المحدودة (FCS-MPC)، وذلك كاستراتيجية تحكم غير خطية، وكحل قوي آخر لمحولات الطاقة.

لذلك يستفيد نهج (FCS-MPC) من الطبيعة المنفصلة وحالات التحويل المحدودة لمحولات الطاقة، وبالتالي يمكن التخلص من ضبط منظمات (PI) وتصميم المُعدِّلات، وفي الوقت نفسه، تتمتع طريقة (FCS-MPC) بمزايا المرونة لتلبية قيود النظام وغير الخطية والقدرة على التعامل مع أهداف تحكم متعددة من خلال دالة التكلفة مع الحفاظ على استجابة ديناميكية سريعة.

كما يوضح الشكل التاي (2) مبدأ التشغيل الأساسي لنهج (FCS-MPC) وتشارك خطوتان رئيسيتان في عملية التحكم، وهما التنبؤ والتحسين، كذلك يتم التنبؤ أولاً بالسلوكيات المستقبلية لمتغيرات التحكم من خلال نموذج رياضي لمجال زمني منفصل في عملية التنبؤ، وبعد ذلك للحصول على أداء التحكم المطلوب، كما يتم إنشاء دالة التكلفة في عملية التحسين من خلال مقارنة القيمة التنبؤية والقيمة المرجعية لمتغيرات التحكم.

أيضا يتم تعريف إجراء التحكم الذي يقلل من وظيفة التكلفة المحددة مسبقاً على أنه الأمثل ويتم تطبيقه على المحول في لحظة أخذ العينات التالي، ونظراً للمفهوم البديهي وأداء التحكم الممتاز؛ فإن مخطط (FCS-MPC)) مقبول على نطاق واسع في التحكم في المحولات متعددة المستويات، مثل محول (FC) ومحول (NPC) ومحول (ANPC) و (MMC) ومحول (NNPC).