اقرأ في هذا المقال
عادةً ما تقدم توربينات الرياح (WTs) التي تعمل بواسطة المغناطيس الدائم المتزامن (PMSG) طوبولوجيا محول القدرة على مرحلتين، وذلك استناداً إلى محول زيادة (DC/DC) وعاكس مصدر الجهد الكهربائي، وفي هذه الدراسة تم استبدال هذا التكوين بعاكس مصدر شبه [Z (qZSI)].
أهمية النمذجة الديناميكية والتحكم الكهربائي في العاكس Z
تشكل الزيادة في استهلاك الطاقة في جميع أنحاء العالم والمرتبطة بالمخاوف البيئية المتزايدة؛ تحدياً لأنظمة التوليد الكهربائي، ولهذا السبب تم استبدال مصادر الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري تدريجياً بمصادر طاقة بديلة، ومن بين مصادر الطاقة النظيفة المختلفة، تبرز طاقة الرياح بسبب وفرة توافر الرياح، لذلك زاد عدد محطات طاقة الرياح عالية الطاقة بشكل كبير.
من بين مختلف تقنيات توربينات الرياح متغيرة السرعة (WT) المتاحة، عادةً ما يتم استخدام مولدات الحث ذات التغذية المزدوجة (DFIGs) والمولدات المتزامنة المغناطيسية الدائمة (PMSGs)، ونظراً لكفاءتها العالية في استخدام الطاقة؛ تتمتع (PMSGs) بالعديد من المزايا، مثل الأداء العالي والصيانة المنخفضة مقارنة بـ (DFIGs) وإمكانية التشغيل المباشر، بحيث يمكن العثور على معلومات مفصلة حول النماذج التجارية.
حالياً يمكن أن تحتوي (WTs) على طوبولوجيا مختلفة من حيث محولات الطاقة الخاصة بهم، بحيث تم اقتراح بعض البدائل لمحول جانب الآلة (MSC) لـ (PMSG WTs)، بينما تم تقديم العديد من الخيارات لمحول جانب الشبكة (GSC)، على سبيل المثال يمكن استخدام جسر الصمام الثنائي ثلاثي الطور كمُقَوِّم لـ (MSCs).
ومع ذلك، عندما يدور (WT) بسرعة منخفضة قد لا يوفر المعدل غير المتحكم فيه مستوى جهد التيار المستمر المطلوب عند دخل (GSC)، وفي هذه الحالات يمكن استخدام محول تعزيز (DC / DC) لزيادة الجهد إلى قيم مناسبة لـ (GSC)، وهذا الحل بسيط وفعال من حيث التكلفة ويسمح باستخراج الطاقة القصوى من (WT)، ومع ذلك؛ فإنه يعرض تشوهات تيار توافقية عالية في لفات المولد وارتفاع درجة الحرارة والتذبذبات في عزم الدوران.
ومن ناحية أخرى، يمكن توصيل (PMSGs) بالشبكة من خلال محولين لمصدر الجهد على مستويين (VSCs) في تكوين متتالي (B2B) والتحكم فيه عن طريق تعديل عرض النبض (PWM)، بالإضافة إلى ذلك عادة ما يتم إدخال محول الجهد بين (GSC) والشبكة الكهربائية، وهذا الحل بسيط نسبياً وقوي وموثوق، كذلك عيوب هذا التكوين هي خسائر تحويل أكبر وكفاءة أقل عند القوى العالية، بالإضافة إلى ارتفاع (THD).
المحولات الخاصة بالنمذجة الديناميكية والتحكم بالعواكس
تم اقتراح محولات المصدر [Z (ZSCs)] كتحسين لمحولات (VSCs) التقليدية، بحيث تقدم (ZSCs) هيكلاً محدداً يحقق خاصية تعزيز الجهد العالي في مرحلة واحدة، وهي طريقة فعالة للتعامل مع الطاقة بين المصدر والحمل، لذلك يعد التحويل أحادي المرحلة خياراً جذاباً نظراً لقوته وموثوقيته وتكلفته المنخفضة، بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يمكنهم العمل على التشغيل دون إتلاف الأجهزة.
كما تم تسليط الضوء على العديد من المزايا، حيث تمت مقارنة التكوين القائم على محول تعزيز (DC / DC) وعاكس مصدر الجهد (VSI) بالتكوين المستند إلى (ZSC)، كما حققت (ZSC) أداءً أفضل نظراً لقدرتها على إطلاق النار، ومع ذلك؛ فإن عيوبه الرئيسية هي إدخال تيار متقطع في وضع التعزيز وإجهاد عالي الجهد في مكثفات شبكة المعاوقة.
أيضاً تم تحليل العديد من طوبولوجيا (ZSC)، بحيث يتم تقديم محول التعزيز المتحرك، مما يسلط الضوء على مزاياه الرئيسية، مثل عامل التعزيز العالي وعدد أقل من المكونات السلبية التي تقلل الحجم والوزن والتكلفة مقارنة بالمحث المحول (ZSC)، وبالإضافة إلى ذلك تم اقتراح العاكس الجديد شبه (Z)، ووفقاً للباحثين يحتوي هذا المحول على تيار إدخال مستمر ونقطة أرضية مشتركة لمصدر التيار المستمر وتيار تدفق بدء تشغيل مكبوت وقدرة انعكاس عالية الجهد الكهربائي.
ومن بين الهياكل المختلفة، يعتبر عاكس المصدر شبه [Z (qZSI)] جذاباً بشكل خاص نظراً للعديد من التحسينات مقارنةً بـ (ZSC) التقليدي، على سبيل المثال يعرض (qZSI)، من خلال الشكل التالي (1) تيار إدخال مستمر وتيار وفلطية مخفضة في المحرِّضات (L2 ، C2) على التوالي، وعلاوة على ذلك يمكن أن يعمل كمحول ثنائي الاتجاه عن طريق استبدال الصمام الثنائي بمفتاح تحكم ثنائي الاتجاه.
تحليل دور توربينات الرياح مع تقنية QZSI
يوضح الشكل السابق التكوين العام لـ (PMSG WT) مع (qZSI) قيد الدراسة، حيث إنه يستخدم محول طاقة كامل النطاق، والذي يتكون من مقوم جسر غير متحكم فيه ثلاثي الأطوار و (qZSI)، بحيث يعد استخدام مقوم غير متحكم فيه حلاً اقتصادياً، ولكن له عيباً رئيسياً يتمثل في الاعتماد الكبير لجهد ناقل التيار المستمر على سرعة الرياح.
ومن ثم؛ فإن المعدل غير المتحكم فيه يتطلب عادة محول طاقة من مرحلتين يعتمد على محول تعزيز (DC-DC) و (B2B-VSI) للتحكم في تدفق الطاقة بين (WT) والشبكة وكذلك جهد ناقل التيار المستمر، وفي هذا العمل يتم استبدال محول الطاقة ثنائي المرحلة هذا بـ (qZSI)، والذي يتكون من شبكة مقاومة و ثلاث مراحل (VSI).
كما يسمح التحكم في التبديل في (VSI) بتنظيم الطاقة النشطة الناتجة عن (WT) والطاقة التفاعلية المتبادلة مع الشبكة وأيضاً مستوى الجهد الكهربائي الناقل (DC)، وأخيراً يتم استخدام مرشح (LCL) لتقليل المركبات التوافقية المحقونة في الشبكة الكهربائية، بحيث تم النظر في (2) ميغاواط (PMSG WT)في هذه الدراسة.
كذلك يتم نمذجة الجزء المتحرك من (WT) من خلال النموذج شبه الثابت الذي تحدده نظرية قرص المشغل، ويتم تمثيل مسار المحرك الكهربائي بالنموذج ثنائي الكتلة، وذلك كما هو معتاد في محاكاة التردد الأساسية، بحيث يتم نمذجة المولد بافتراض أن توزيع التدفق في الجزء الثابت هو جيبي، وهو خلال نموذج الترتيب الثالث الخاص به، والذي يتم تحديده بواسطة المعادلات التالية في الإطار المرجعي المتزامن (dq).
حيث أن:
(u ،i): تشير إلى الجهد والتيار الكهربائي على التوالي.
( d ،q): هي مؤشرات المكونات المباشرة والتربيعية على التوالي.
(s): يشير إلى الجزء الثابت.
(Rs ،Ls): هما مقاومة الجزء الثابت والحث على التوالي وهي السرعة الكهربائية.
(ψpm): هو التدفق المغناطيسي الدائم.
(Te): هو عزم الدوران الكهرومغناطيسي.
(p): هو عدد أزواج أقطاب المولد الكهربائي.
وأخيراً تم تقديم نموذجين متوسطين جديدين لـ (qZSI)، بحيث تم تصميم تعزيز الجهد الذي توفره شبكة الممانعة في (qZSI)، بالإضافة إلى سلوكها الديناميكي، وذلك كمحول (DC / DC)، وباستخدام نموذج وظيفة التبديل يتم التحكم فيه مباشرة خلال فترة التصوير؛ فإن هذا النموذج المتوسط المكافئ للتيار المستمر لشبكة المعاوقة متصل بمتوسط الدائرة المكافئة لمحرك (VSI) ثلاثي الطور.
ومن ناحية أخرى، بحيث تم تصميم (qZSI) من خلال النموذج المتوسط لـ (VSI) مع كسب ثابت على جانب (DC) في (ADM2) والحصول على (Vdc) من (Vin) وعامل التعزيز المحدد (B)، لذلك كلا النموذجين المقترحين بسيط وسهل التنفيذ، ويمكن دمجهما في أنظمة الطاقة الكبيرة كدائرة كهربائية تعتمد على الجهد المتحكم فيه ومصادر التيار الكهربائي.
