تحليل المحول المعياري غير المعزول لشبكات التيار المستمر

أهمية تحليل المحول المعياري غير المعزول لشبكات التيار المستمر

تُستخدم محولات (DC-DC) أو محولات التيار المستمر على نطاق واسع لنقل طاقة التيار المستمر بين مستويين مختلفين من الجهد المستمر في تطبيقات تحويل الطاقة العالية، حيث أبلغت الدراسات عن العديد من أنواع محولات (DC-DC)، مثل محولات (DC-DC) القائمة على تعديل عرض النبضة (PWM) التقليدية المستندة إلى وضع التبديل.

كما تمت مراجعة وتصنيف العديد من محولات التيار المستمر، كذلك تم تقديم تسعة محولات (DC-DC)، والتي توفر تدفقاً مستمراً لطاقة الإدخال والإخراج، بحيث تم تقديم محول جديد بتبديل (DC-DC) مع نسبة تنحى جهد كبيرة، كما تم إدخال طوبولوجيا لمحولات (PWM DC-DC) ثنائية الاتجاه.

كما تم تقديم نتائج الكفاءة وتقييمها للعديد من محولات (DC-DC)، أيضاً تم فحص العديد من معماريات محولات (DC-DC) للتشغيل غير المحترف، بحيث تم اقتراح العملية المتشابكة لمحولات التعزيز للتطبيقات عالية الطاقة الكهربائية، لذلك تم تقديم تصنيف ومراجعة أهم محولات (DC-DC) للدفع غير المعزول.

وفي الآونة الأخيرة، تم اقتراح محولات (DC-DC) المعيارية في الدراسات، كما تم تقديم تكوينين معياريين متعددي المستويات إلى تصعيد أو خفض جهد التيار المستمر هو تطبيقات الجهد المتوسط أو العالي، كما تم تصميم محول (HVDC-DC) معياري جديد من أجل التوصيل البيني المباشر لمستويات الجهد المختلفة في شبكات التيار المستمر، بحيث تم فحص القدرة على مقاطعة أو منع تيار خطأ التيار المستمر في محولات (DC-DC) المعيارية.

محول DC-DC الهجين المعياري ذاتي التوازن

الوصف العام: يظهر محول (DC-DC) المعياري ذاتي التوازن، وهو قيد الدراسة في الشكل التالي (1)، كما يتمتع المحول بقدرة ثنائية الاتجاه، بحيث تتحكم دورة عمل صمام الجهد العالي المتضمن (SH) في مقدار الطاقة واتجاهاتها، كما يتم توصيل جانب الجهد العالي في الهيكل المقدم (VdcH) بالمحث عالي الجهد (LH)، حيث يمكن شحن المحرِّض من جانب الجهد العالي عن طريق إغلاق صمام الجهد العالي (SH).

كذلك يتم تنفيذ صمام الجهد العالي من خلال استخدام (IGBTs) المتصلة بالسلسلة، حيث إن ذراع (N) هو نصف الجسر (SMs)، وهو الجزء الرئيسي من هذا المحول، حيث يتم توصيل مكثفاتهم بالتتابع عبر رابط (DC) الجانبي منخفض الجهد (Cdc) أثناء فترة تشغيل الصمام عالي الجهد كما هو موضح في الشكل التالي (2).

كما يجب استخدام مقاومة محدودة صغيرة (rL) للحد من تدفق التيار خلال فترة التوصيل المتسلسل، والتي تنبعث من التوصيل المتوازي المتسلسل لمكثفات (SMs) عبر مكثف وصلة [DC (Cdc)ٍ، كما يتم توصيل مكثف [DC-link (Cdc)] إلى جانب الجهد المنخفض (VdcL) من خلال محاثة المرشح الصغيرة (Lf) لضمان تيار مستمر سلس في جانب الجهد المنخفض.

وبعد فترة التوصيل التسلسلي؛ فإنه يتم توصيل مكثفات (SMs) في سلسلة عبر جانب الجهد العالي، كما ويتم توصيل مكثفات (DC-link) بالجانب المنخفض الجهد كما هو موضح في الشكل التالي (3) التصميم التفصيلي للعناصر السلبية للمحول الكهربائي.

تحديات تنفيذ الصمامات ذات الجهد العالي: وتجدر الإشارة إلى أن التحدي الرئيسي في (IGBTs) المتصلة بالسلسلة هو تقاسم الجهد المتساوي بين (IGBTs) خلال أوقات التبديل لتجنب مشكلة الجهد الزائد بسبب عدم التطابق الواقعي المتوقع في خصائص (IGBTs)، وبدعم من المحول (SMs) نصف الجسر، كما يمكن تحقيق تبديل الجهد الصفري للصمام عالي الجهد عن طريق تجاوز صمام الجهد العالي (SH) قبل تشغيله أو إيقاف تشغيله، وهذا يلغي تعقيد تقاسم الجهد الديناميكي من (IGBTs) المتصلة بالسلسلة.

التحكم في القدرة الكهربائية: لنقل الطاقة من جانب الجهد العالي إلى جانب الجهد المنخفض (على سبيل المثال، idcH> 0)؛ فإنه يتم ضبط دورة العمل للصمام عالي الجهد، أي (D) بحيث يتم ضبط جهد الحالة المستقرة لمكثفات (SMs) أعلى من الجهد المنخفض للجهد المنخفض نفسه [DC-link (vCdc)]، وذلك مع زيادة فرق الجهد؛ فإنه يزداد حجم الطاقة المنقولة.

وأثناء فترة تشغيل الصمام (SH)، كما يتم شحن المحرِّض (LH) وتفريغ مكثفات (SMs) طاقتها (واحدة تلو الأخرى) في مكثف (DC-link) الجانبي منخفض الجهد كما هو موضح في الشكل السابق (2)، ومن جهة أخرى وخلال فترة التوصيل الكهربائي التسلسلي، وذلك كما وضخت في الشكل السابق (3)، بحيث يتم شحن مكثفات (SMs) في وقت واحد لتجديد طاقتها، ويتم تفريغ المحرِّض (LH).

لذلك يظهر التباين المقابل لمتغيرات المحول في الشكل التالي (4-a)، ولنقل الطاقة في الاتجاه المعاكس (idcH <0)، بحيث يجب خفض دورة عمل الصمام ذي الجهد العالي (D) بحيث تكون الفولتية لمكثفات (SMs) أقل من الجهد للجهد الكهربائي المنخفض (DC-link) وجهد (vCdc).

ومع زيادة الاختلاف؛ تزداد الطاقة المنقولة من جانب الجهد المنخفض إلى جانب الجهد العالي، وخلال فترة تشغيل (SH)؛ يتم تفريغ المحرِّض (LH) ويتم شحن مكثفات (SMs) واحداً تلو الآخر من مكثف (DC-link) الجانبي ذي الجهد المنخفض (Cdc)، وأثناء فترة إيقاف التشغيل تقوم مكثفات (SMs) بتفريغ طاقتها في جانب الجهد العالي، وفي الوقت نفسه يتم شحن المحرِّض (LH)، كما يظهر التباين المقابل لمتغيرات المحول في الشكل (4-b).

كما تسمى دورة العمل التي تكون فيها الطاقة المنقولة صفراً دورة العمل الحرجة، بحيث تتحقق حالة الطاقة المنقولة الصفرية عندما تكون الفولتية لمكثفات (SMs) مساوية لجهد الجهد المنخفض لجهد رابط [DC (∼VdcL)]، وبناءً على إجراء التعزيز الموروث؛ فإنه يتم إعطاء جهد كل مكثف [SM (vi)]، وذلك من خلال المعادلة التالية، وبافتراض وضع التوصيل المستمر.

على سبيل المثال، يتم إعطاء دورة العمل الحرجة بواسطة:

لذلك إذا كانت مهمة التشغيل (D> Dcr)؛ فإن اتجاه تدفق الطاقة يكون من جانب الجهد العالي إلى جانب الجهد المنخفض والعكس صحيح، وبناءً على ذلك يتم التحكم في الطاقة في الهيكل المقدم عن طريق التحكم ببساطة في دورة عمل الصمامات ذات الجهد العالي، بحيث يمكن تحقيق ذلك من خلال تطبيق وحدة التحكم الحالية القائمة على التناسب المتكامل (PI) للتيار المستمر في جانب الجهد العالي (idcH) لتوليد دورة التشغيل المناسبة للصمام عالي الجهد (SH)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (5).

كما أن المرجع الخاص بالتيار الكهربائي (i ∗ dcH) يساوي (P H / VdcH)، حيث أن (P H) هو مستوى الطاقة المطلوب، بحيث تكون علامة (P ∗ H) موجبة عندما يكون اتجاه تدفق القدرة الكهربائية المطلوب من (VdcH) إلى (VdcL) والعكس صحيح.

وأخيراً تم تقديم نموذج إشارة صغيرة لمحول (DC-DC) هجين معياري تم نشره مؤخراً، بحيث تم استخراج وظيفة نقل التيار من دورة العمل إلى المحث، والتي تُستخدم لتصميم وحدة التحكم في النظام والتحقق من استقرار النظام الكهربائي.