تقسيم القدرة لمجموعات في لف الآلات ثلاثية الأطوار

أهمية تقسيم القدرة لمجموعات في لف الآلات ثلاثية الأطوار

يتزايد استخدام أنظمة تحويل طاقة الرياح (WECS)، كما وبلغ النمو السنوي العالمي في إنتاج طاقة الرياح في عام 2015م حوالي (63) جيجاوات، كما بلغ إجمالي الطاقة المركبة (433) جيجاوات، بحيث زاد حجم توربينات الرياح ووصلت طاقة الرياح المتعددة ميغاوات إلى (8) ميغاوات، وذلك على الرغم من أن غالبية (WECS) تستخدم آلات ثلاثية الطور.

إلا أن هناك اهتماماً متزايداً باستخدام آلات متعددة الأطوار، وعند مقارنتها بالمكافئات ثلاثية الطور؛ فإن الآلات متعددة الأطوار لديها تيار وطاقة أقل لكل مرحلة، وكذلك تموج عزم دوران أقل، كما أن وفوق كل ذلك فهي تتحمل الخطأ بطبيعتها.

وهذه المزايا تجعلها مناسبة تماماً لمزارع الرياح البحرية البعيدة، حيث أن التصميم السائد للجزء الثابت متعدد الأطوار هو التصميم ذو اللفات الموزعة، والتي تنتج توزيع التدفق شبه الجيبي، كما يعتبر هذا النوع من الماكينات شائعة الاستخدام في التطبيقات المختلفة.

كذلك قد يكون رقم الطور الثابت لآلة “متعددة الأطوار” عدداً أولياً أو رقماً مركباً (استخدام مجموعات لف متعددة)، وعلاوة على ذلك، إذا كانت مجموعات اللف عبارة عن مجموعات ثلاثية الطور؛ فإن الآلة المذكورة هي آلة متعددة ثلاثية الطور، وهذا النوع جذاب بشكل خاص حيث يمكن استخدام محولات قياسية ثلاثية الطور لتزويد الماكينة.

كما تم الإبلاغ مؤخراً عن زيادة ملحوظة في الأبحاث التي أجريت لهذا النوع المحدد من الآلات متعددة الأطوار، بحيث يمكن نمذجة الآلة من خلال تطبيق تحول كلارك المعروف جيداً بثلاث مراحل لكل مجموعة لف ثلاثية الطور، ويكون متبوعاً بالتحويل الدوراني القياسي ثلاثي الأطوار، ومن خلال القيام بذلك، يتم تقسيم الماكينة إلى مساحات فرعية متعددة لإنتاج التدفق وعزم الدوران.

كما ويمكن تنفيذ تقنيات التحكم المعروفة المطورة للآلات الكهربائية ثلاثية الطور في كل مساحة فرعية، بحيث تتمثل ميزة نهج النمذجة هذا في إمكانية التحكم الفردي والمستقل في جميع مجموعات اللف، ومن ثم؛ فإن تقاسم الطاقة أو التيار بين مجموعات اللف يمكن تحقيقه بسهولة.

ومن ناحية أخرى، يؤدي نهج النمذجة المتعددة (d − q) هذا إلى اقتران متقاطع ثقيل بين معادلات مجموعات اللف ثلاثية الطور المختلفة، كما أنه لا يقدم رؤية واضحة لتشغيل الماكينة والتخطيط التوافقي، و بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يلزم وجود أزواج متعددة من وحدات تحكم (PI) للتحكم في التدفق أو عزم الدوران.

الطرق المستخدمة لنمذجة الآلات الكهربائية ثلاثية الأطوار

هناك طريقة أخرى لنمذجة الآلة وهي استخدام تحلل الفضاء المتجه (VSD)، بحيث يمكن تحلل “مساحة المتجهات” باستخدام مصفوفات تحويل معقدة أو حقيقية (كلارك) متعددة الأطوار كما أنه مستخدم في جميع أنحاء هذا الطرح، وذلك اعتماداً على نوع الآلة (متماثل أو غير متماثل)،

حيث تم ابتكار طرق مختلفة للحصول على مصفوفة (VSD)، بحيث تقوم هذه الطريقة بفصل الماكينة إلى مساحات فرعية متعامدة: فضاء جزئي ينتج عن تدفق عزم دوران واحد (α − β) ومساحات فرعية متعددة غير متدفقة أو عزم الدوران (x − y)، كما يتم الآن تطبيق التحويل الدوراني على أول فضاء فرعي (α − β) فقط بحيث يتيح زوج واحد من وحدات التحكم الحالية التحكم الكامل في التدفق أو عزم الدوران.

لذلك؛ فإن التوافقيات ذات الترتيب المنخفض وعدم الاتزان المهربائي في متغيرات الطور ترتبط بالمساحات الفرعية (x − y)، كما ويمكن التحكم فيها بشكل مستقل، ومع ذلك يتم فقدان المعلومات حول التيارات في مجموعات اللف الفردية، بحيث تم استخدام نهج النمذجة (d − q) المتعدد لتطوير التقاسم التعسفي للطاقة بين مجموعات اللف لآلة غير متماثلة ذات (12) طور.

وعلى الرغم من تحقيق ذلك بنجاح، إلا أن الاقتران المتقاطع الثقيل بين معادلات كل مجموعة متعرجة موجود بسبب نهج النمذجة المستخدم، حيث تمت مناقشة مشاركة الطاقة باستخدام نهج (VSD)، بحيث يتم فحص المشاركة لآلة غير متناظرة ذات (12) مرحلة بأربع نقاط محايدة.

علاوة على ذلك يستخدم ضمنياً مشاركة الطاقة بين مجموعات اللف من أجل موازنة الفولتية الفردية للوصلة المستمرة بالتيار المستمر في آلة سداسية الأطوار مع محولات ثلاثية الطور متصلة بالسلسلة، بحيث تم تطوير تقنية مختلفة لتقاسم الطاقة من خلال تقديم مصفوفة تحويل جديدة، بحيث توفر المساحات الفرعية المساعدة نظرة ثاقبة لتيارات مجموعات اللف الفردية.

في حين أن طوبولوجيا الآلة غير المتكافئة المكونة من ست مراحل لا تزال تعتبر على نطاق واسع في الأعمال الحديثة؛ فقد كانت هناك زيادة كبيرة في الاهتمام بـ حلول بثلاثة وبدرجة أقل إلى حد ما أربعة لفات ثلاثية الطور في العشر سنوات الماضية، ومن ثم؛ فإن تقاسم الطاقة بين مجموعات اللف تم تطويره أولاً هنا من أجل آلة غير متماثلة ذات تسع مراحل.

كما يتضح أن استخدام مصفوفة (VSD) المناسبة يوفر مجموعة المعادلات الصالحة لجميع هياكل الماكينات (متماثل / غير متماثل مع نقاط فردية / ثلاث نقاط محايدة)، وبعد ذلك يتم توسيع النهج ليشمل أي آلة متعددة الأطوار ذات ملفات متعددة ثلاثية الطور، وبغض النظر عن الهيكل ويتم تقديم مجموعة من المعادلات التي يمكن استخدامها في حالة عامة؛ فإن المساهمات الرئيسية لهذه الورقة هي على النحو التالي.

• من خلال الجمع بين (VSD) ونهج النمذجة المتعددة (d − q)، بحيث تم العثور على الارتباط بين تيارات وتيارات مجموعة اللف الفردية في فضاءات (VSD) لآلة تسع مراحل.، كما يتضح أنه عند استخدام تحويل (VSD) المناسب، لذلك؛ فإن نفس مجموعة المعادلات تكون صالحة لجميع الهياكل الأربعة لآلة ذات تسع مراحل، بحيث يتيح ذلك التحكم المنفصل عن الماكينة في الات (VSD)، مع القدرة على التحكم في قوى مجموعة اللف الفردية.

• استناداً إلى تحويل (VSD) وتحويل (Clarke) متعدد الأطوار ثلاثي الأطوار، تم تطوير المعادلات التي تتيح التحكم الاجباري في التيارات الفردية لمجموعة الملفات ثلاثية الطور في حالة عامة لآلة ذات مجموعات لف ثلاثية الطور باستخدام طائرات (VSD) (x – y)، بحيث يتم الحصول على المعادلات بدمج مصفوفات التحويل فقط، وبالتالي تكون النتائج مستقلة عن نوع الجهاز (أي الاستقراء أو المتزامن).

• كما تُستخدم المعادلات التي تم الحصول عليها لتطوير تقنية تقاسم الطاقة الكهربائية، بينما لا يتأثر التدفق الكلي ومتوسط ​​إنتاج عزم الدوران.

• أيضاً يتم توفير التحقق العددي والتجريبي، بحيث يتم إجراء التجارب باستخدام آلة حث غير متناظرة من تسع مراحل بثلاث نقاط محايدة، كما يتضح أن تقنية مشاركة الطاقة والتيار المطورة ليس لها أي تأثير على التحكم الكلي في التدفق وعزم الدوران.

وأخيراً تعتمد التطبيقات المحتملة لخوارزمية مشاركة الطاقة المبتكرة على طوبولوجيا (WECS) الفعلية المستخدمة وعلى ما إذا كان (WECS) يوفر أحمالاً معزولة أو يتصل بالشبكة الكهربائية، بحيث تزود (WECS) الشبكة باستخدام محولات القدرة المتوازية من جانب الآلة وإما محولات فردية أو متعددة من جانب الشبكة، وذلك كما هو انظر الشكل التالي (A-C).