تحليل نظام الواجهة الأمامية النشط المتصل بالشبكة الكهربائية

أهمية تحليل نظام الواجهة الأمامية النشط المتصل بالشبكة الكهربائية

في تطور المجتمع الحديث، يعد توفير الطاقة وتوفير الكهرباء النظيفة المستدامة من العوامل الرئيسية من أجل أن تصبح أكثر استقلالية عن موارد الطاقة القائمة على النفط والوقود الأحفوري، حيث كان القلق بشأن انبعاثات غازات الاحتباس الحراري قوة دافعة جديدة لاستخدام المزيد من مصادر طاقة التوليد الموزعة مثل محولات الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة وتوربينات الرياح.

كما تم زيادة اختراق إلكترونيات الطاقة القائمة على أنظمة الطاقة المتجددة في العديد من البلدان بما في ذلك أستراليا، كما أن العيوب الرئيسية لأنظمة إلكترونيات القدرة هي التردد المنخفض (أقل من 2 كيلو هرتز) أو التردد العالي (فوق 2 كيلو هرتز) البث التوافقي، كذلك التوافقيات لها تأثيرات قصيرة وطويلة المدى على الشبكات والمعدات المتصلة بالشبكة وإشارات الاتصالات.

أيضاً هذه القضايا التوافقية تقلل من جودة وموثوقية وكفاءة شبكات الكهرباء، بحيث أدت الطلبات الجديدة على أحمال الطاقة الإلكترونية الفعالة والموثوقة ومصادر الطاقة المتجددة إلى تعزيز تطبيقات الطاقة الإلكترونية على نطاق واسع في القطاعات الصناعية والتجارية والسكنية على النحو التالي:

• من المتوقع أن يزداد اختراق مصادر الطاقة المتجددة المتصلة بالشبكة في شبكات التوزيع ذات الجهد المنخفض والمتوسط ثلاث مرات من عام (2009م) إلى عام (2035م)، كذلك الاتجاهات العالمية في استثمار الطاقة المتجددة لعام (2015م)، بحيث تسلط الضوء على (119) مليار دولار في الاستثمار الجديد في الطاقة المتجددة في الصين واليابان.

• تستهلك المحركات الكهربائية أكثر من (40٪) من الطاقة الكهربائية العالمية، بحيث يتم تقليل استهلاك الطاقة للمحرك من طاقة كاملة إلى طاقة جزئية باستخدام محركات إلكترونية للطاقة لنفس الأداء.

• الاتجاه نحو النقل النظيف يجلب السيارات الكهربائية في القطاعات السكنية أيضاً، كما تلعب كفاءة استخدام الطاقة لهذه التطبيقات دوراً رئيسياً في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

كما أن هناك عدد من طوبولوجيا المحولات المختلفة المستخدمة في تطبيقات إلكترونيات الطاقة المختلفة، ومع ذلك بالنسبة لتدفق الطاقة ثنائي الاتجاه؛ فإنه يجب أن يعتمد محول الجانب الأمامي على عاكس مزود بمفاتيح نشطة، حيث أن محول الواجهة الأمامية النشط (AFE) هو نظام أحادي أو ثلاثي الطور، وهو محول تدفق طاقة ثنائي الاتجاه بجودة عالية وشكل موجة تيار جيبي الشكل مناسب للعديد من التطبيقات مثل نظام الطاقة المتجددة.

كما يحتوي النظام على مفاتيح طاقة نشطة مثل (IGBTs) أو (MOSFETs)، والتي يتم التحكم فيها بناءً على تقنية تعديل عرض النبضة (PWM)، وذلك من أجل التحكم في تموج تردد التبديل، بحيث يلزم وجود مرشح جانبي أمامي يمكن أن يكون نوع (L ،LC ،LCL ،LCLL)، وكذلك مرشح (LCL) هو مرشح شائع لأنه يمكن أن يقلل من تموج التيار الناتج بشكل أساسي بسبب التبديل عالي التردد وتنظيف تيار الخط على جانب الشبكة الكهربائية.

النهج المرافق لتطوير وتحليل نظام التحكم الكهربائي في التصفية

ربما يكون تصميم أنظمة التحكم في المرشح هو المفتاح للأداء التشغيلي العام للعواكس ولتحقيق مستوى جودة طاقة مقبول، كما يتضمن تصميم المرشح العام متطلبين (غالباً متعارضين)، ومن ناحية أخرى، سيتم اختيار تكوين تصميم المرشح لزيادة كفاءة النظام إلى الحد الأقصى من خلال اختيار أصغر المقاومات الممكنة.

ومن ناحية أخرى، يجب التأكد من استقرار نظام التحكم وضمانات الأداء مع مراعاة الاعتبارات العملية مثل تشبع دورة العمل وضوضاء القياس. الهدف من أنظمة التحكم هو إنشاء أفضل مقايضة ممكنة بين المتطلبين مع ضمان تلبية بعض مواصفات أداء المرشح المحددة مسبقاً.

في هذا القسم، يتم استخدام المصطلحين “تحكم” و “معوض” بشكل مترادف، وبالنظر إلى وظيفة النقل بنظام الحلقة المفتوحة [GLCL(s)]، حيث أن هناك طريقتان محتملتان لتطوير نظام التحكم والمعوض في المرشح؛ تتمثل إحدى الطرق في اختيار مقاومة (مقاومات) كبيرة بدرجة كافية للحصول على تكوين مرشح مثبط بشكل سلبي.

ومع تكوين الفلتر المخمد بشكل سلبي، يتم تبسيط مهمة تطوير نظام التحكم إلى حد كبير، كما تتمثل الطريقة البديلة في اختيار هيكل المعوض ومعلمات تصميم المرشح لتقليل أحجام المقاوم مع ضمان أداء مقبول للحلقة المغلقة، بحيث يسرد الجدول الأول قيم المعلمات المستخدمة في [GLCL(s)]، وفي التحليل التالي، تتنوع قيمة (rC) لتقييم ومناقشة تأثير اختيار (rC) على أداء نظام التحكم الذي يمكن تحقيقه.

وعلى وجه التحديد، تتنوع قيمة (rC) لأن قيمة (rC) لها تأثير أكبر على قابلية المرشح للرنين حيث أن التيارات عالية التردد تدور بشكل أساسي عبر المكثف، كما يتم النظر في مجموعة من قيم (rC) المنخفضة المتتالية (بين 0.1 Ω – 0.6) لتقييم ومناقشة التحديات المرتبطة بتطوير نظام التحكم بقيم منخفضة لـ (rC)، وبالإضافة إلى ذلك يتم إجراء التحليل أيضاً باستخدام (rC) المختار كـ (6 Ω) لتمثيل تكوين مرشح (LCL) مثبط بشكل سلبي.

كما يتمثل الهدف من هذا القسم في توضيح نهج إرشادي منتظم لتطوير نظام التحكم في مرشح (LCL) وتسليط الضوء على التحديات العملية التي غالباً لا يتم أخذها في الاعتبار في الدراسات ولكن لها تأثير كبير على استقرار وأداء المرشح، وعند القيام بذلك الحد من نهج التجربة والخطأ تصميم المرشح الشامل.

والهدف هنا هو أيضاً إظهار وإبراز أهمية النظر بشكل جماعي في جميع الجوانب العملية لتطوير نظام التحكم، أولاً يتم تقديم ومناقشة إجراء لتصميم المعوض لمعالجة تأثيرات تشبع دورة العمل والضوضاء، وبعد ذلك؛ فإنه يتم تقييم الصلاحية العملية للتصميم من أجل تنفيذ التحكم في بيانات العينة بناءً على نظام حجز العينات من الدرجة الأولى.

نمذجة النظام وصياغة المشكلة المرتبطة بعملية التحكم

يوضح الشكل التالي (1) مخطط دائرة لعاكس أحادي الطور متصل بشبكة مع مرشح (LCL)، بحيث يمكن استخراج وظيفة النقل للنظام بناءً على معلمات النظام ومتغيرات الحالة لـ (i1) و (vC) و (i2)، كما تم وصف معلمات النظام في الجدول الأول. الجهد عبر أرجل المكثف، (vx) مشتق على النحو التالي:

حيث أن (vC) هو الجهد عبر المكثف، كذلك التيار من خلال المحرِّض الأول، كما يمكن استخلاص (i1) بناءً على جهد العاكس (vinv) و (vx).

كما أن التيار الكهربائي على جانب الشبكة الكهربائية، (i2) معطى على النحو التالي، حيث (vg) هو جهد الشبكة.

وباستخدام المعادلات لرياضية السابقة؛ فإنه يمكن العثور على تيار الخط من حيث العاكس وجهود الشبكة.

حيث أن:

ومن خلال التعريف:

كما يمكن التعبير عن وظيفة النقل في النظام من حيث المرشح ومعلمات العاكس على النحو التالي (بدون Lg):

أيضاً يمكن تضمين (Lg) بسهولة عن طريق استبدال (L2) بـ (L2 + Lg)، بحيث يتم اختيار تيار جانب الشبكة (i2) كمتغير مستهدف يجب تنظيم استجابته وقيمته، ومن [GLCL (s)]، لذلك من الواضح أن نموذج مرشح (LCL) العاكس هو نموذج ثابت للوقت الخطي (LTI) ويمثل نظام “النوع 0″، لذلك لا يوجد لديه تكامل، وعندما يتم اعتبار مرشح (LCL) كنظام بدون خسارة؛ فإن جميع المقاومات (r1 ،rC، r2) تكون صفرية ويتم تبسيط [GLCL (s)] على النحو التالي: