المعدل ثلاثي الأطوار للتوزيع الكهربائي ثنائي القطب

تحليل المعدل ثلاثي الأطوار للتوزيع الكهربائي ثنائي القطب

يتزايد استخدام التيار المستمر في تطبيقات الطاقة العالية على مر السنين حيث أصبحت أشباه موصلات الطاقة الأفضل متاحة والحلول المحتملة للتحديات التقنية الرئيسية لأنظمة طاقة التيار المستمر (على سبيل المثال، بحيث تحويل التيار المتردد الفعال والتيار المستمر، وكذلك خطأ انقطاع التيار المستمر، وعلى سبيل المثال، شهدت تقنية نقل الجهد العالي لمحول مصدر الجهد والتيار المستمر (VSC-HVDC) نمواً سريعاً على مدار العقد الماضي.

كما ويتم استخدام تيار مستمر منخفض الجهد (LVDC) في تطبيقات على نطاق كيلو وات للطاقة القطارات وأنظمة الشحن في السيارات الكهربائية، وذلك مع تزايد عدد أحمال الطاقة الإلكترونية وأنظمة التوليد على مر السنين، كما تكتسب فكرة استخدام التيار المستمر في توزيع الجهد الكهربائي المنخفض اهتماماً، وهناك بعض الفوائد المحتملة لتوزيع التيار المستمر هي :

• لا حاجة للتيار التفاعلي.

• سهولة التعامل مع بعض الأحمال مثل إضاءة (LED) وتخزين البطارية ومحركات السرعة المتغيرة والطاقة الكهروضوئية.

• محولات أكثر كثافة للطاقة الكهربائية.

• أبسط تنظيم الجهد والتحكم في موازنة الطاقة.

كما أن هناك نوعان من أنظمة توزيع التيار المستمر، وهما التوزيع أحادي القطب والتوزيع ثنائي القطب، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، كما تركز هذه الدراسة تنصب على النظام ثنائي القطب نظراً لمميزاته البارزة، بحيث يمكن لنظام التيار المستمر ثنائي القطب أن يوفر مستويات جهد مختلفة للأحمال بطريقة مماثلة لنظام التيار المتردد ثلاثي الأطوار.

وفي الوقت نفسه، تزداد الموثوقية بسبب القطبين المتاحين، وذلك علاوة على ذلك؛ فإن أسس التوزيع ثنائي القطب هي أيضاً أفضل وأبسط من التوزيع أحادي القطب، وذلك لأنه يمكن اكتشاف الأخطاء بسهولة وإزالتها بسرعة، كما ويمكن تحديد جهد لا لبس فيه من القطب إلى الأرض.

ومع ذلك، وكما هو مبين في الشكل (1-B)، كما يتم تنفيذ نظام التيار المستمر ثنائي القطب عادةً باستخدام مقومين متسلسلين على جانب التيار المستمر من أجل التعامل مع الأحمال غير المتوازنة المحتملة، بحيث يتطلب هذا بدوره لفات ثانوية مزدوجة في المحول المصنف لتحمل إزاحة جهد التيار المستمر الناجم عن توصيل السلسلة.

تم اقتراح بعض الأفكار الجديدة لحل هذه المشكلة، وبالنسبة لهذه الطرق يتم استخدام محول واحد فقط، ومع ذلك بمساعدة موازن الجهد (أو الجسر الرابع)، والذي لا يزال يتطلب مفاتيح طاقة إضافية، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، وإلى جانب ذلك، يستهلك موازن الجهد أيضاً الطاقة والاحتياجات أنظمة مساعدة إضافية، وهنا يتم اقتراح طوبولوجيا المعدل الجديد، والتي تم إنشاؤها على أساس (VSC) من مستويين مع مفاعل تأريض من جانب التيار المتردد.

نظرة عامة على طوبولوجيا المقوم الكهربائي

يظهر هيكل المعدل المقترح في الشكل التالي (3)، كما أن الفكرة الأساسية هي توفير مسار حقن التيار من جانب التيار المتردد إلى الخط المحايد في جانب التيار المستمر بواسطة محث تأريض (I ، Lg)، بحيث يكون جهد ناقل التيار المستمر ليمكن التحكم في الأقطاب الموجبة والسالبة (I ، udc1 و udc2) بشكل مستقل.

وعندما تكون الأحمال متوازنة تماماً؛ كما يتصرف المقوم مثل المعدل النشط التقليدي، ولا يتم حقن تيار مستمر من خلال مفاعل التأريض الكهربائي، وذلك عندما تكون الأحمال غير متوازنة، بحيث يتدفق التيار المستمر الصفري عبر مفاعل التأريض من أجل الحفاظ على توازن الجهد بين قطبين للتيار المستمر.

كما وتجدر الإشارة إلى أن الطوبولوجيا المقترحة لها بعض أوجه التشابه مع تلك المقترحة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (4)، حيث يتم توصيل جانب التيار المتردد بالنقطة الوسطى لناقل التيار المستمر باستخدام المكثفات، كما يوفر هذا الهيكل مساراً للتيار عالي التردد من أجل تخفيف إجهاد (dv / dt) عند أطراف المحرك.

إلى جانب ذلك، يمكن أيضاً استخدام مكثفات التأريض للمساعدة في موازنة مكثفات ناقل التيار المستمر في ثلاثة مستويات محايدة بنقطة مثبتة (NPC-VSC)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (5)، ومع ذلك عند تغذية تيار مستمر غير متوازن الأحمال، وهناك مقارنةً بمسار التيار المستمر الذي يوفره محث التأريض (حسب الشكل 3)، بحيث لا يمكن أن يتدفق تيار التيار المستمر في (NPC VSC) (حسب الشكل 5) عبر المسار المؤرض تقريباً بسبب انسداد المكثفات.

كما ويجب أن يتم حقنها من خلال النقطة المحايدة المثبتة (أي ، iNP)، ولكن كما تمت مناقشته سابقاً لضمان مؤشر تعديل مرتفع وتجنب التعديل الزائد؛ فإن القوة غير المتوازنة التي يوفرها (iNP) محدودة للغاية، مما يجعل (NPC -VSC) ممكنًا فقط للتعامل مع عدم التوازن من المكثفات ذات التيار المستمر، ولكنها غير مناسبة للتشغيل ثنائي القطب مع أحمال غير متوازنة للتيار المستمر، ما لم يتم إضافة جسر رابع.

النموذج المعدل ونظام التحكم

يستخدم تعديل عرض النبضة (PWM) على نطاق واسع لتوليد إشارات التبديل في (VSCs)، والتي تُستخدم أيضاً لطوبولوجيا المعدل المقترح في هذا البحث. تمت مناقشة تقنيات النمذجة المختلفة لثلاث مراحل من (VSCs PWM) على مستويين في الماضي، وغالباً ما تكون هذه الأساليب مخصصة في الأصل لـ (VSCs) حيث يمكن اعتبار تيار التسلسل الصفري صفراً.

ومع ذلك؛ فإن المعدل المقترح في الشكل السابق (3)، كما يحتوي على مفاعل تأريض من جانب التيار المتردد متصل بحافلة التيار المستمر، والذي يمكّن تيار التسلسل الصفري من التدفق من فروع المعدل، وهذا يجعل النماذج المذكورة أعلاه غير مناسبة، ومن ثم يتم اشتقاق نماذج الإشارة الكبيرة والصغيرة للمقوم المقترح بعد ذلك.

كما أن الإطار المرجعي الثابت تُستخدم من خلاله ثلاثة إطارات مرجعية متغيرة عادةً عند تحليل ديناميكيات (VSCs) ثلاثية الطور وتصميم وحدات التحكم الخاصة بهم، وهو إطار طبيعي (abc) وإطار مرجعي ثابت (αβ0) وإطار دوران متزامن (dq0)، كما يتطلب تشغيل المعدل المقترح تحكمًا في تيار التسلسل الصفري من خلال مفاعل تأريض، مما يفيد استخدام المتغيرين (αβ0 ، dq0 على abc).

وعلاوة على ذلك، يتطلب التحكم (dq0) فصلاً متقاطعاً للتيارات في محور (d و q)، لكن تيار التسلسل الصفري في إطار (dq0) هو نفسه تماماً للإطار (αβ0)، وهذا لا يعطي التفوق ولكن المزيد من التعقيدات لإطار (dq0)، لذلك سيتم استخدام إطار (αβ0) للتحكم الحالي، كما يمكن استخدام متحكم العلاقات العامة للتخلص من خطأ تتبع التيار الجيبي في إطار (αβ0).

كما أنه من الواضح أن المحاثات الأرضية ستشاهد الفولتية الكاملة للتيار المتردد وتحمل تيارات تيار متردد مستمرة، والتي من شأنها أن تتكبد خسائر غير ضرورية، وهناك زيادة قيمة المحاثة فكرة طبيعية للحد من هذه التيارات، ومع ذلك يؤدي الحث الكبير أيضاً إلى استجابة بطيئة جداً لتيار التسلسل الصفري، والذي له تأثيرات سلبية على الحقن الحالي والتحكم في قطبي التيار المستمر.