تعويض تموج الجهد الكهربائي النشط في نظام تكامل المولدات

يمكن لنظام معدل المولد الكهربائي المتكامل أن ينتج كفاءة تحويل عالية ويقلل من حجم المعدل النشط في تحويل التيار الكهربائي المتردد إلى تيار مستمر عالي الطاقة، حيث أن العيب الرئيسي لهذا النظام هو استخدام مكثفات المرشح الضخمة ذات المقومات السلبية للحصول على ناقل تيار مستمر منخفض الجهد الكهربائي.

الغاية من تعويض تموج الجهد الكهربائي النشط في المولدات

يعد تحويل التيار المتردد عالي الطاقة إلى تيار مستمر أمراً ضرورياً للتطبيقات الناشئة، مثل إنتاج طاقة الرياح وشبكات طاقة السفن الكهربائية، كما توجد بنيات مقومات متعددة لتحقيق تحويل طاقة تيار متردد إلى تيار مستمر، وذلك بدءاً من جسر ثنائي سلبي بسيط إلى محول أكثر تعقيداً قائم على التبديل النشط، مثل تعديل عرض النطاق النبضي ثنائي المستوى ونقطة المحايدة المثبتة ومحولات معيارية متعددة المستويات.

وعلى الرغم من أن المعدلات السلبية لجسر الصمام الثنائي تحقق أعلى كفاءة؛ فإن جهد التيار المستمر الخاص بها غير منظم، وفي المقابل تسمح المعدلات القائمة على المفتاح النشط بتنظيم جهد ناقل التيار المستمر، ولكن على حساب خسائر التحويل العالية والموثوقية المنخفضة والتعقيد الإضافي، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن المفاتيح النشطة المتاحة ذات الجهد الكهربائي المحدود وتصنيف الطاقة تفرض قيوداً على التصميم.

كما يلزم توصيل أجهزة متعددة في سلسلة ومتوازية للوفاء بمواصفات الجهد والطاقة، في حين أن نظام معدل المولد المتكامل يمكن أن يخلق حجماً مرتفعاً نسبياً ومنظماً للتيار المستمر مع تقليل متطلبات تصنيف الجهد للمقوم النشط، بحيث تعتمد هذه البنية والموضحة في الشكل التالي (1) على مولد متزامن مغناطيسي دائم (PMSG) يشتمل على عدة منافذ تيار متردد ثلاثية الطور.

آلية إنشاء ناقل التيار المستمر وضمان محدودية تموج الجهد الكهربائي

من المرغوب فيه إنشاء ناقل تيار مستمر بجهد كهربائي منخفض ومتموج وتحقيق عامل طاقة مرتفع في المقومات السلبية لتوفير طاقة عالية الجودة مع تقليل حجم المولد، بحيث يتم تحقيق متطلبات تموج الجهد المنخفض بشكل تقليدي باستخدام مكثفات المرشح الضخمة المتصلة بالمعدلات السلبية، وذلك كما هو موضح في الشكل (1).

ومع ذلك؛ فإن هذه المرشحات تقوض عامل القدرة في جانب التيار المتردد، بحيث يتم استخدام نظام تحويل طاقة الرياح على نطاق ميغا واط لتوضيح تأثير مكثف الإخراج على عامل الطاقة، بحيث يعتبر مصدر التيار المتردد (3) ميجاوات، (15 دورة / دقيقة)، أي بمعدل (40) قطباً مباشراً وبمحرك (PMSG) مع ثلاثة منافذ تيار متردد يمكن الوصول إليها.

وعند سرعة التشغيل المقدرة؛ فإنه تم تصميم كل منفذ تيار كهربائي متردد على شكل (EMF 952V) (خط الذروة إلى المحايد) بمقاومة متسلسلة تبلغ (36.7/mΩ) ومحاثة متزامنة تبلغ (2.2mH)، بحيث يوضح الشكل التالي (2-A) التيار الكهرومغناطيسي الخلفي، تيار خط الطور (A) للمقوم السلبي مع مكثف مرشح (22.3mF) والجهد ناقل التيار المستمر.

وعلى الرغم من أن عامل التموج المحدد على أنه النسبة بين قيمة جذر متوسط ​​التربيع لمكون التيار المتردد ومكون التيار المستمر لجهد ناقل التيار المستمر، هو (1.2 ٪)؛ فإن عامل القدرة عند منفذ التيار المتردد المتصل بالمقوم السلبي هو (0.8)، بحيث يؤدي عامل الطاقة المنخفض هذا إلى زيادة تصميم المولد لاستيعاب المتطلبات المتزايدة في تيار “جذر متوسط ​​التربيع”.

تعويض تموج الجهد الكهربائي باستخدام المعدل النشط

مفهوم تموج الجهد النشط لتعويض الجهد

يسمح التعويض النشط بإزالة مكثفات مرشح المعدل المنفعل (Cx و Cy)، حيث أن المميزة بخطوط منقطة في الشكل (1)، كما يتبع جهد خرج المعدل السلبي ملف تعريف موضح في الشكل (3-A) مع كون (E) هو خط الذروة إلى المحايد الخلفي (EMF) لمنفذ التيار المتردد، كما يحتوي هذا المظهر الجانبي على مكون تموج بستة أضعاف التردد الكهربائي الناتج عن عملية جسر الصمام الثنائي ثلاثي الطور.

المعدل النشط للتحكم والنموذج الديناميكي للتيار المتردد

يتم إنشاء تموج الجهد على جهد جانب التيار المستمر للمقوم النشط بالتحكم الدقيق في الطاقة المسحوبة من منفذ التيار المتردد المقابل، والذي يتحقق من خلال تنظيم تيار جانب التيار المتردد.

كما يعد النموذج الديناميكي الذي يصف التفاعل بين المولد والمقوم النشط ضرورياً لتحقيق نهج التحكم، بحيث يتم تقريب هذا التفاعل جيداً من خلال دالة نقل ذات صفر واحد في نصف المستوى الأيمن وقطبين في النصف الأيسر من المستوى، بحيث ينشأ الصفر من الحث المتزامن بينما الأقطاب ترجع إلى مكثف المرشح وديناميكيات وحدة التحكم الحالية.

النموذج الديناميكي لجهد المعدل النشط

يقترن جهد جانب التيار المستمر النشط وتيار المحور (d)، وذلك بعلاقة توازن الطاقة بين جانبي التيار المتردد والتيار المستمر عند تيار ناقل تيار مستمر معين، كما أن القدرة اللحظية من جانب التيار المتردد هي:

لذلك لا يساهم المكون الحالي للمحور (q – isq) في القدرة اللحظية حيث يتم الاحتفاظ بها عند الصفر، بحيث يُظهر المصطلحان الأول والثاني في الجانب الأيمن من (10) القدرة المستمدة من مصدر (EMF) الخلفي وفقدان الطاقة على مقاومة الطور على التوالي.

هندسة معوضات الجهد الكهربائية وتلاسي التموج

يناقش هذا القسم معمارية التحكم المستخدمة لأداء تعويض تموج الجهد النشط، وكما هو مبين في الشكل التالي (4)؛ فإنه يشتمل معوض التموج على وحدة تحكم في تأخر الرصاص (LL) وجهاز تحكم في الرنين النسبي (PR)، بحيث يتم استخدام وحدة التحكم (LL) لضبط هامش طور الحلقة المفتوحة، كما تسمح وحدة التحكم في العلاقات العامة بتعقب تموج الجهد مع تأخير المرحلة الصفرية.

• تصميم وحدة التحكم: تم تصميم وحدات التحكم لتعديل ديناميكيات المُصنّع، بحيث يكون لوظيفة نقل الحلقة المفتوحة هامش طور إيجابي لضمان الاستقرار والكسب العالي عند تردد تموج الجهد لتحقيق التعويض، كما يتم تحقيق التعديل باستخدام وحدة تحكم (LL Lll) مع وظيفة النقل.

• موجهات التصميم: تتمثل الخطوة الأولى لتصميم معوض تموج الجهد في اختيار سعة المرشح لتردد التبديل المختار وحالة التشغيل المقدرة، كما يحدد تردد التبديل القطب الأول لوظيفة النقل من اضطراب تيار المحور (d) إلى جهد التموج، كذلك يتم اختيار سعة المرشح بحيث يكون تردد القطب الثاني أقل بخمس إلى عشر مرات من القطب الأول تحت ظروف التشغيل المقدرة.

• تحليل الاستقرار للنموذج الخطي لظروف التشغيل: إن معوض تموج الجهد النشط المصمم وفقاً للتعليمات الهندسية يكون مضمون ليكون مستقراً في حالة الحمل المقدرة، ونظراً لهامش الطور الإيجابي؛ فإنه يجب تحليل الاستقرار في حالة التحميل الجزئي وظروف السرعة الجزئية، بحيث يتم إجراء هذا التحليل عن طريق تقييم أقطاب نقل الحلقة المغلقة.

وأخيراً قدمت هذه الدراسة منهجية تحكم لاستخدام مقوم نشط كعنصر مرشح ومنظم جهد ناقل تيار مستمر، وذلك لأداء وظيفة عنصر المرشح، بحيث يقوم المعدل النشط بتعديل جهد جانب التيار المستمر عن طريق حقن التوافقيات في تيار المحور (d)، كما أن تباين الجهد هو عكس جهد جانب التيار المستمر للمقوم السلبي، مما يؤدي إلى تعويض نشط ويتم تحقيق الوظيفة الثانية عن طريق ضبط متوسط قيمة تيار المحور (d) باستخدام وحدة تحكم (PI) بمتوسط جهد تيار مستمر كإشارات التغذية المرتدة.