الهندسةالهندسة الكهربائية

تعويض عدم التوازن الخاص بمحولات توزيع الحالة الصلبة

أهمية تعويض عدم التوازن الخاص بمحولات توزيع الحالة الصلبة

 

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

 

في السنوات الأخيرة، اكتسب تطبيق (SST) في أنظمة التوزيع اهتماماً متزايداً، كما أن 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؛ فقد تم التحقيق في اعتماد مراحل متتالية أو محولات متعددة المستويات للأجهزة الإلكترونية ذات القدرة المنخفضة الجهد والفعالية.

 

ومن حيث التكلفة في الدراسات، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يتم تطوير أجهزة القدرة عالية الجهد تعتمد على مواد ذات فجوة نطاق واسعة مثل “كربيد السيليكون” (SiC) (IGBT)، وهي القادرة على التعامل مع الجهد العالي حتى (25) كيلو فولت قيد التطوير وقريباً ستكون متاحة للتطبيق العملي، وعلاوة على ذلك، كما يمكن الجمع بين “الهياكل المعيارية” وأجهزة الطاقة عالية الجهد الحصول على مستويات جهد أعلى.

 

ومن وجهة النظر الطوبولوجية؛ فإن البنيتين (SST) الأكثر استخداماً هما طوبولوجيا (SST) أحادية الطور القائمة على مقومات الجسر (H) المتتالية وطوبولوجيا (SST) ثلاثية الطور القائمة على المحولات المعيارية متعددة المستويات (MMC)، كما يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هاتين الفئتين في أن الأول يعتمد مقومات الجسر (H) المتتالية بينما يستخدم الأخير (MMCs) كمرحلة إدخال.

 

وذلك مقارنةً بـ (MMC-SST)، بحيث تُظهر بُنية (SST) المتتالية كثافة طاقة أعلى، كما وتستخدم مخطط تحكم أبسط وتمتلك مؤشرات اقتصادية أفضل تحت نفس متطلبات العزل وتبديد الحرارة، لذلك؛ فإنه يتم تحديد الهيكل المتتالي ككائن بحث في هذا الطرح.

 

ولسد هذه الفجوة البحثية؛ فقد تم اقتراح طريقة تعويض جديدة لـ (SST)، بحيث تتجنب التقنية المقترحة تحليل التسلسل وحساب التيار الكهربائي المرجعي، وبالتالي تعمل على تحسين سرعة الاستجابة الديناميكية لوحدة التحكم في التعويض.

 

كما يتم تحقيق استراتيجية التحكم المقترحة من خلال وحدة تحكم (ROGI) إضافية تعتمد على طريقة التحكم في الحلقة المغلقة (P)I الحالية، وذلك باستخدام هذه الطريقة المبتكرة، كما يمكن التحكم في تيارات التسلسل الموجب والسالب في وقت واحد، مما يقلل بشكل كبير من تعقيد مخطط التحكم.

 

استراتيجية التحكم في (SST) في ظل ظروف التشغيل غير المتوازنة

 

ركزت الدراسات السابقة حول (SST) على جوانب مثل “طوبولوجيا الدائرة” والتحكم في الطاقة وتصميم المحولات عالية التردد واستخدام أجهزة طاقة ذات فجوة نطاق عريضة وتطبيقات (SST)، ومع ذلك لم يتم إيلاء الكثير من الاهتمام لاستراتيجية التحكم في (SST) في ظل ظروف التشغيل غير المتوازنة.

 

كما أنه غالباً ما تنشأ حالة التشغيل غير المتوازنة لأنظمة توزيع القدرة الكهربائية بسبب “أعطال نظام الطاقة” أو الأحمال غير المتماثلة، خاصةً إذا تم استخدام (SST) في شبكة الطاقة دون تعويض عدم التوازن؛ فسيتم توليد “تيار تسلسل سلبي” وحقنه في الشبكة.

 

وفي نفس الوقت، سيؤدي تيار التسلسل السلبي أيضاً إلى جهد غير متوازن عبر مكثف التيار المستمر في كل مرحلة من مراحل (SST)، مما يؤثر على أداء (SST) وقد يؤدي إلى تلف أجهزته الإلكترونية، لذلك؛ فإنه من الضروري اعتماد طريقة تعويض موثوقة وفعالة من حيث التكلفة لتشغيل طائرة أسرع من الصوت تحت ظروف غير متوازنة من ثلاث مراحل.

 

كما يمكن تنفيذ تعويض عدم الاتزان لـ (SST) من خلال تطوير تصميم طوبولوجي مناسب أو من خلال اعتماد استراتيجية تحكم محسّنة، ومع ذلك؛ فإن طريقة تصميم الهيكل ستزيد من تعقيد الدائرة وترفع التكلفة وبالمقارنة؛ فإن طريقة التعويض من خلال استراتيجية التحكم المحسّنة أكثر عملية وفعالية من حيث التكلفة.

 

حالياً؛ فإنه يتم اعتماد طريقة تعويض شائعة تعتمد على حقن الجهد بدون تسلسل صفري على نطاق واسع، بحيث تتطلب هذه الطريقة حساب جهد تعويض التسلسل الصفري بناءً على انحراف جهد مكثف التيار المباشر عالي الجهد (HVDC)، ومن ثم لا يمكن تحقيق جهد تعويض جيبي نقي مما يؤدي إلى ضعف جودة الطاقة.

 

وعلى نطاق التعويض الضيق لهذه الطريقة هو عيب آخر، فقد تم اقتراح طريقة تعويض أخرى تعتمد على الجمع بين حقن مكونات التسلسل الصفري والسالب في يمكن تفسير المبدأ الأساسي لهذه الطريقة بإيجاز على النحو التالي:

 

  • يتم استخدام مكون التسلسل الصفري في ظل حالة غير متوازنة للضوء بينما يتم استخدام مكون التسلسل السلبي في ظل ظروف قاسية. بحيث تعمل هذه الطريقة على توسيع نطاق تعويض (SST) بشكل كبير في حالة الحمل غير المتوازن، ومع ذلك؛ فإنه يجب تحديد نقطة التبديل لحقن مكونات التسلسل الصفري والسالب بدقة، أيضاً سيؤدي حقن مكون التسلسل السلبي إلى تلويث نظام التوزيع.

 

  • بالنسبة للمحولات المتصلة بالشبكة، يتم تقديم استراتيجية التحلل المتسلسل والتحكم في التعويض، كما يتم التحكم في تيار التسلسل الموجب والسالب تحت إطارات مرجعية متزامنة مزدوجة ويتم تنظيم كلاهما بواسطة وحدة تحكم متكاملة (PI).

 

وعلى الرغم من أن الطريقة يمكن أن تمنع بشكل فعال تيار التسلسل السلبي، إلا أن نظام التحكم معقد والتأخير الزمني الناجم عن تحلل التسلسل أمر لا مفر منه، وذلك للقضاء على التأخير الزمني، حبت تم اقتراح طريقة تعويض محسّنة تستند إلى وحدة تكامل معممة مخفضة الطلب (ROGI)، كما يمكن الحصول على هذه الطريقة على جودة طاقة مناسبة في ظل جهد الشبكة غير المتوازن.

 

وأخيراً من أجل تعزيز قدرة (SST) المتتالية على التعامل مع الظروف غير المتوازنة؛ فقد تم اقتراح مخطط جديد للتحكم في التعويض قائم على (ROGI)، والذي يمكنه قمع تيار التسلسل السلبي على جانب الشبكة عن طريق تضمين (ROGI) على أساس (PI) الحالي المغلق، وهناك طريقة التحكم في الحلقة في الإطار المرجعي المتزامن الإيجابي، كما أثبتت نتائج المحاكاة ما يلي:

 

  • يمكن لخطة التعويض المقترحة أن تحتفظ بشكل فعال بتيارات الشبكة المتماثلة وقمع تيار التسلسل السلبي في ظل حالة غير متوازنة.

 

  • سرعة الاستجابة وأداء التعويض للتقنية المقترحة أفضل بكثير من مخطط تعويض التسلسل التقليدي.

 

  • لا يؤثر مخطط التعويض المقترح على جودة الطاقة وأداء تشغيل (SST) في ظل الشبكة المثالية وحالة الحمل المتوازنة.

 

  • تتمتع (SST) بنظام التحكم المستند إلى (ROGI) بالقدرة على تحمل الانخفاض الشديد في الجهد.

 

المصدر
A. Abu-Siada, J. Budiri and A. F. Abdou, "Solid state transformers topologies controllers and applications: State-of-the-art literature review", Electronics, vol. 7, no. 11, pp. 298, Nov. 2018J. E. Huber and J. W. Kolar, "Optimum number of cascaded cells for high-power medium-voltage multilevel converters", Proc. IEEE Energy Convers. Congr. Expo., pp. 359-366, Sep. 2013.B. Fan, Y. Li, K. Wang, Z. Zheng and L. Xu, "Hierarchical system design and control of an MMC-based power-electronic transformer", IEEE Trans. Ind. Informat., vol. 13, no. 1, pp. 238-247, Feb. 2017.S. Falcones, X. Mao and R. Ayyanar, "Topology comparison for solid state transformer implementation", Proc. IEEE PES Gen. Meeting, pp. 1-8, Jul. 2010.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى