تعويض انعدام التوازن الكهربائي في محولات الحالة الصلبة

أهمية تعويض عدم الاتزان الكهربائي لتوزيع محولات الحالة الصلبة

يعتبر محول الحالة الصلبة (SST) نموذجاً أولياً لجهاز توجيه القدرة الكهربائية، والذي من المتوقع أن يكون له تطبيقات واسعة في شبكات “الطاقة الذكية” في المستقبل، وذلك على عكس المحولات المغناطيسية ذات تردد الطاقة التقليدية؛ فإن (SST) عبارة عن مزيج من محولات القدرة الإلكترونية ومحول التردد الكهربائي المتوسط أو العالي، والذي يمكن أن يسهل تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه ومناسب لشبكات الـ (AC/DC).

وعلاوة على ذلك، وبالإضافة إلى ميزة الحجم والوزن المنخفضين، تتميز طائرة (SST) بالعديد من الوظائف الإضافية بما في ذلك عزل الخطأ والقمع التوافقي، وفي السنوات الأخيرة، اكتسب تطبيق (SST) في أنظمة التوزيع اهتماماً متزايداً، إن تنفيذ (SST) بمحول بسيط من مستويين أو ثلاثة مستويات في أنظمة التوزيع ليس فعالاً من حيث التكلفة بسبب الفولتية العالية لأجهزة الطاقة المطلوبة.

وعلى هذا النحو، تم بحث اعتماد مراحل متتالية أو محولات متعددة المستويات للأجهزة الإلكترونية ذات القدرة المنخفضة الجهد والفعالية من حيث التكلفة في الدراسات، وبالإضافة إلى ذلك يتم تطوير أجهزة طاقة عالية الجهد تعتمد على مواد ذات فجوة نطاق واسعة مثل كربيد السيليكون [(SiC) IGBT] القادرة على التعامل مع الجهد العالي حتى (25) كيلو فولت قيد التطوير وقريباً ستكون متاحة للتطبيق العملي.

ومن وجهة النظر التركيبية؛ فإن أكثر بنيتين من نوع (SST) استخداماً هما طوبولوجيا (SST) أحادية الطور القائمة على مقومات الجسر (H) المتتالية وطوبولوجيا (SST) وثلاثية الطور القائمة على “المحولات المعيارية” متعددة المستويات (MMC)، كما يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هاتين الطوبولوجيين في أن الأول يعتمد مقومات الجسر (H) المتتالية بينما يستخدم الأخير (MMCs) كمرحلة إدخال.

مبدأ تعويض عدم التوازن الكهربائي

الطوبولوجيا والنموذج الرياضي: تتكون طوبولوجيا (SST) المتسلسلة النموذجية الموضحة في الشكل التالي (1) من ثلاثة أجزاء، وهي مرحلة الإدخال ومرحلة العزل ومرحلة الإخراج.

كما تشتمل مرحلة الإدخال على ثلاثة مقومات جسر (H) متتالية أحادية الطور متصلة بالنجوم والتي يتم التحكم فيها عن طريق تعديل تحول طور الموجة الحاملة، وذلك مرحلة العزل عبارة عن مجموعة من محولات الجسر النشط المزدوج المستقل (DAB)، تتكون كل مرحلة من مراحل الإخراج من ثلاثة محولات لمصدر الجهد (VSI) وترتبط أطراف خرج (VSI) بالتوازي لتحسين تصنيف الطاقة لـ (SST).

يمكن أن توفر مرحلة الخرج واجهات جهد منخفض للتيار المتردد (LVAC) للاتصال بأحمال التيار المتردد ثلاثية الطور، وذلك كما هو مبين في الشكل (1)، لذلك لا يوجد خط محايد بين مصدر الطاقة والحمل، لذلك لا يوجد تيار تسلسل صفري في النظام، وعندما يكون جهد الشبكة وقدرة الحمل ثلاثية الطور غير متوازنة، كما يمكن التعبير عن جهد الشبكة على النحو التالي:

حيث أن:

(ea ، eb ، ec): هي الفولتية ثلاثية الطور للشبكة الكهربائية.

(Ep ، En ، Ez): هي اتساع مكونات التسلسل الموجب والسالب والصفر لجهد الشبكة الكهربائية.

(φp ، n ، z): هي زوايا الطور لمكونات التسلسل الموجب والسالب والصفر.

(ω): هو التردد الزاوي للشبكة، وفي حالة عدم التوازن، يتكون “تيار الشبكة” من مكونات ذات تسلسل موجب وسالب، والتي يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

حيث أن:

(ia ، ib ، ic): هي التيارات الشبكية ثلاثية الطور.

(Ip ، In): هي سعة تيارات التسلسل الموجب والسالب.

(p ، n): هما زاويتا المرحلة الأولية للتيارات الموجبة والسالبة.

كما يمكن التعبير عن تيار الإدخال لمعدلات الجسر (H) المتتالية على النحو التالي:

حيث أن (Ls) هي محاثة المرشح على جانب الشبكة، كما تمثل (Ra ، Rb ، Rc) المقاومات المكافئة لمرحلة الإدخال، وعادة ما تكون صغيرة جداً ويمكن إهمالها، وبتطبيق تحويل (dq) مع إهمال المقاومات، كما يتم اشتقاق المعادلة في إحداثيات (dq) على النحو التالي:

حيث أن (ed ، eq) هما مكونات المحور (d ، q) لجهد الشبكة، كذلك (uid و uiq) هما مكونا المحور (d ، q) لمحول جهد جانب التيار المتردد و (id ، iq) هما المكونان (d – ، q -) المحور لتيار الإدخال.

مبدأ تعويض عدم التوازن: يتم الحصول على وحدة التحكم (ROGI) عن طريق تقليل ترتيب المتكامل المعمم من الدرجة الثانية (SOGI)، كما يمكن لـ (SOGI) فقط أن يحقق اختيار التردد، لكن (ROGI) قادر على التمييز بين استقطاب الترددات، كما ترد وظائف النقل لـ (SOGI و ROGI) على التوالي.

بحيث تمثل (kr) الكسب المتكامل و (r) تمثل التردد الزاوي الطنين، كما يمكن اعتبار (SOGI) على أنه مزيج من اثنين من (ROGIs) مع قطبية موجبة وسالبة للترددات الرنانة، كما يحتوي (SOGI) على قطبين مترافقين من (± jωr)، وذلك بينما يحتوي (ROGI) على قطب واحد فقط من (−jωr)، يوضح الشكل التالي (2) و(3) على التوالي منحنيي خصائص المقدار والتردد للمتكاملين.

مخطط التحكم لـ SST المتتالية

عندما يكون الحمل ثلاثي الطور غير متوازن، كما يكون تدفق الطاقة ثلاثي الطور غير متساوٍ أيضاً، مما ينتج عنه مكون تسلسل سلبي في تيار الشبكة، كما تستخدم طريقة التعويض في عاكساً ثلاثي الأطوار رباعي الأرجل في مرحلة الإخراج، لكن هذه الطريقة تزيد من تعقيد مخطط الهيكل والتحكم وتُظهر قدرة تعويض ضعيفة لجهد الشبكة غير المتوازن.

في حين أن استراتيجية التحكم المقترحة في هذه الورقة لا يمكن أن تكون مناسبة فقط في حالة جهد الشبكة غير المتوازن والأحمال غير المتماثلة، ولكنها توفر أيضاً جودة طاقة مناسبة لمخرجات التيار المتردد والتيار المستمر، كما يتم تفصيل مخططات التحكم في نطاق أسرع من الصوت.

مخطط التحكم في مرحلة الإدخال: بالنسبة لمرحلة الإدخال من (SST)، حيث أن هناك ثلاثة أهداف تحكم وهو الحفاظ على إجمالي جهد (HVDC) وتحقيق تصحيح عامل القدرة وتحقيق معادلة الجهد بين الوحدات الفرعية لكل مرحلة وقمع تيار شبكة التسلسل السلبي، لتحقيق أهداف التحكم المذكورة أعلاه، كما يتم عرض مخطط كتلة التحكم في مرحلة الإدخال المقترح.

مخطط التحكم في مرحلة العزلة: تتمثل أهداف التحكم في محولات (DAB) في مرحلة العزل في الحفاظ على ثبات جهد المكثفات ذات الجهد المنخفض والتيار المباشر (LVDC) وتحقيق تدفق طاقة ثنائي الاتجاه. يتم استخدام وحدة التحكم (PI) ذات الحلقة المغلقة للجهد للحفاظ على جهد مكثفات (LVDC)، كما ويتم استغلال تعديل عرض النبضة أحادي الطور (PWM) لتنفيذ تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه من خلال التحكم في زاوية تحول الطور بين المرحلة الأولية والثانوية جوانب كل محول (DAB).

مخطط التحكم في مرحلة الإخراج: تتمثل أهداف التحكم في (VSIs) في مرحلة الإخراج في توفير جهد خرج ثابت وتيار متوازن بين وحدات (VSI) المتوازية، كما يظهر مخطط التحكم المقترح لمرحلة واحدة في مرحلة الإخراج في الشكل التالي، كذلك أنظمة التحكم في المرحلتين الأخريين متطابقة تماماً، وفي وحدة التحكم المقترحة، تنظم حلقة الجهد الخارجي جهد الخرج وتولد المرجع الحالي، بينما تتعقب حلقة التيار الداخلي نفس المرجع الحالي لتحقيق التحكم في موازنة التيار بين وحدات (VSI) المتوازية.