تكوين المحول الكهربائي ثلاثي الأطوار خماسي الأطراف

يعد المحول الكهربائي ثلاثي الأطوار خماسي الأطراف شكلاً محتملاً لتطبيق (Sen Transformer-ST) خاصةً للتطبيقات ذات ظروف الأحمال الكهربائية غير المتوازنة بشكل كبير، كما تقترح هذه الدراسة نموذجاً شبه مستقر للحالة من ثلاث مراحل من خمسة أطراف (ST-TPFLST) على أساس الازدواجية.

دراسة التكوين الأساسي للمحول الكهربائي ثلاثي الأطوار

في الآونة الأخيرة؛ فإن الطلب على الكهرباء من نظام الطاقة يجعل الانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة خياراً لا مفر منه بسبب ارتفاع أسعار الطاقة ونضوب الوقود الأحفوري والمخاوف المتزايدة بشأن البيئة، وبسبب التقلبات والتقطع وعدم اليقين في الطاقة المتجددة؛ فإنها تشكل تحديات كبيرة لأمن واستقرار شبكة الطاقة، لذلك ومن أجل ضمان إمدادات طاقة آمنة ومستقرة وفعالة من حيث التكلفة؛ يعتبر هناك حاجة ملحة لجهاز مرن للتحكم في تدفق الطاقة لتعزيز قدرة النقل للشبكة الكهربائية.

كما تعد وحدة التحكم في تدفق الطاقة الموحدة (UPFC) واحدة من أكثر الأجهزة تمثيلا وشمولية في أنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS)، ولكن تكاليف التركيب والتشغيل المرتفعة قد تعرقل تطبيقاتها على نطاق واسع، وبالمقارنة مع (UPFC) المعتمد على المحول الكهربائي، بحيث تشمل مزايا (ST) تشمل التكلفة المنخفضة والسعة الكبيرة والموثوقية العالية، في حين أنه من الصعب تحقيق تحكم دقيق في تدفق الطاقة.

ونتيجة لذلك تم اقتراح بعض الهياكل الجديدة لـ (ST)، والتي تجمع بين مزايا السعة الكبيرة والموثوقية العالية لـ(ST) والتعديل المرن لـ (UPFC) لتحسين قدرة التحكم في تدفق الطاقة، مثل وحدة التحكم في تدفق الطاقة الموحدة الهجينة المحسنة (IHUPFC) ومحول “Sen” بمساعدة ترانزستور الطاقة (TAST) ووحدة التحكم في تدفق الطاقة الكهرومغناطيسية الموحدة الهجينة (HEUPFC).

نمذجة المحول بناء على طريقة الدائرة المكافئة المغناطيسية

من منظور طريقة النمذجة للمحول، هناك نوعان أساسيان من الطرق أي مبدأ الطريقة القائمة على الازدواجية وطريقة الدائرة المكافئة المغناطيسية الموحدة (UMEC)، كما يعتمد كل من نهج النمذجة على نظرية الدائرة المكافئة المغناطيسية، بحيث تم تقديم مبدأ الازدواجية والذي تم تطبيقه على نطاق واسع لنمذجة المحولات.

كذلك تم بناء نماذج الدوائر المكافئة للأطراف ثلاثية الطور والطرف الخماسي ثلاثي الأطوار على أساس الازدواجية، كما تم إنشاء نموذج محول مفصل باستخدام الازدواجية، والذي أخذ في الاعتبار الهياكل الطوبولوجية للقلب الحديدي والفجوة الهوائية والخزان، بحيث تمت مناقشة الطريقة الأكثر شيوعاً للنموذج القائم على الازدواجية وتطبيقها لمحول بهيكل متعرج، ومع ذلك لا يوجد بحث شامل عن نمذجة (ST) بحكم مبدأ الثنائية.

ومن منظور الهيكل الحديدي الأساسي لـ (ST)؛ ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على بنك المحولات أحادي الطور أو هيكل ثلاثي الأطراف ثلاثي الطور، ومن أجل تطوير تلك النماذج والطرق المناسبة للتحليل الثابت لنظام الطاقة؛ فإنه تم إنشاء نموذج الحالة المستقرة لـ (EST) لحل تدفق الطاقة التكراري الموحد.

النموذج شبه الثابت والدائرة مغناطيسية المكافئة لـ TPFLST

يشير ترتيب اللف وتوزيع التدفق المغناطيسي للـ (TPFLST) الموضَّح في الشكل التالي (1) والمستوحى من المحولات ثلاثية الأطراف خماسية الأطوار، بحيث تمثل المستطيلات الصلبة اللفات الأولية للمراحل (A ،B ،C) (a4 ،b4 ،c4)، كما وتمثل المستطيلات ذات الخطوط المنحرفة الملفات الثانوية للمراحل (A ،B ،C) (a1-a3) و (b1-b3) و (c1- c3)، كما تشير (ΦA ،B ،C) إلى التدفق المغناطيسي الرئيسي لـ (ST) على التوالي، كذلك تشير كل من (Φy1 ،Φy2) إلى التدفق المغناطيسي للنطاق بين المرحلة (A) والمرحلة (B) والمرحلة (C) على التوالي،

أيضاً (Φg1 ،g2) تشير إلى التدفق المغناطيسي للأطراف الطرفية ونير النهاية على التوالي.، أما (Φ1) تعني تدفق التسرب بين الملفات الأولى (a1 ،b1 ،c1) والأطراف (A ،B ،C)، أما (Φ2) تعني تدفق التسرب بين الملفات الأولى (a1 ،b1 ،c1) والملفات الثانية (a2 ،b2 ،c2)، كذلك (Φ3) يشير إلى تدفق التسرب بين اللفات الثانية (a2 ،b2 ،c2) والملفات الثالثة (a3 ،b3 ،c3)، وأخيراً (Φ4) يشير إلى تدفق التسرب بين اللفات الثالثة (a3 ،b3 ،c3) والملفات الرابعة (a4 ،b4 ،c4).

على أساس توزيع التدفق المغناطيسي؛ فإنه تم الكشف عن دائرة مغناطيسية مكافئة لـ (TPFLST) في الشكل التالي (2)، بحيث تشير (FHA ،FHB ،FHC) إلى القوة الدافعة المغناطيسية للملفات الأولية في المرحلة (A ،B ،C) بشكل منفصل، كما يشير (FLa1) إلى (FLa3) إلى القوة المحركة المغناطيسية للملفات الثانوية في المرحلة (A ،B ،C) بشكل منفصل.

كما أن المستطيلات الصلبة تعني الإحجام عن مسارات التدفق عبر الحديد و (Rm) للأطراف، (Ry) للنير، (Rg) للأطراف الطرفية ونيرها، كذلك المستطيلات المفتوحة تعني الإحجام عن مسارات التدفق في الهواء، حيث أن (R1) للمسارات بين الأطراف (A ،B ،C) والملفات الأولى (a1 ،b1 ،c1)، أيضاً (R2) للمسارات بين الملفات الأولى (a1 ،b1 ،c1) والملفات الثانية (a2 ،b2 ،c2)، كذلك (R3) للمسارات بين الملفات الثانية (a2 ،b2 ،c2) والملفات الثالثة (a3 ،b3 ،c3)، بالإضافة الى (R4) للمسارات بين الأطراف والمسافة بين اللفات الثالثة (a3 ،b3 ،c3) والملفات الرابعة (a4  b4 ،c4) الى نهاية الرتيب.

نموذج الدائرة الكهربائي المكافئة القائم على الازدواجية لـ (TPFLST)

إن الترددات مع مسارات التدفق عبر قلب الحديد يمكن تحويلها إلى مجموعة من المحاثات غير الخطية من خلال مبدأ الثنائية، وعلى العكس من ذلك؛ فإن الإحجام عن مسارات التدفق في الهواء يمكن أن يتحول إلى مجموعة من المحاثات الخطية، بحيث يبين النموذج الدائرة المكافئة لـ (TPFLST) والذي قد يعكس العلاقة بين الدائرة الكهربائية والدائرة المغناطيسية.

وبشكل منفصل؛ فإن هذا البحث يشير الى نموذج حالة شبه ثابتة لـ (TPFLST) باستخدام مبدأ الازدواجية، والذي يأخذ في الاعتبار تأثير التيار الدوامي وتأثير الاقتران الذي يشمل الدائرة المغناطيسية، كما تم إجراء دراسة حالة على (138) كيلو فولت و (160) ميجا فولت أمبير (TPFLST) ونظامها الكهربائي، كما أن هناك توافق جيد حول جهد التعويض التسلسلي والتيار الجانبي الثانوي بين نتائج النموذج المقترح وتلك التي تم الحصول عليها ضمن الدراسات.

وأخيراً يتم تحليل التيارات غير المتوازنة لـ (STs) ذات الهياكل الأساسية المختلفة في ظل ظروف تحميل غير متوازنة، وعلاوة على ذلك؛ فإن هناك بعض النتائج على النحو التالي:

• في جانب قابلية تطبيق النموذج، قد تحصل بكفاءة على نموذج الدائرة المكافئ لـ (TPFLST) بمساعدة مبدأ الازدواجية، والتي يمكن أن تضمن صحة هيكلها الطوبولوجي ولها قابلية تطبيق قوية على (STs) مع هياكل حديدية مختلفة.

• في جانب الاقتران الكهرومغناطيسي؛ يأخذ النموذج المقترح في الاعتبار الاقتران المغناطيسي من الطور إلى الطور وتأثير التيار الدوامي وتدفق التسرب بين اللفات، مما يعكس بدقة الخصائص الكهرومغناطيسية الداخلية لـ (ST).

• في جانب الهيكل الحديدي؛ فإن (STs) ذات الهياكل الحديدية المختلفة لها تأثير معين على الدرجات غير المتوازنة للتيارات الناتجة، بحيث تعتبر الدرجات غير المتوازنة لتيارات الإخراج لـ (TPFLST) أفضل من تلك الخاصة بـ (TPTLST) في ظل ظروف الحمل غير المتوازنة، بينما لا تتجاوز الاختلافات في الدرجات غير المتوازنة لتيارات الخرج (4٪).