ضبط أعطال المحولات المثبتة بنقطة محايدة ثلاثية الأطوار

في العقود الأخيرة، أصبحت الطاقة المتجددة جزءاً مهماً من مجال “توليد الطاقة” ككل، وفي أي نظام للطاقة المتجددة؛ فإنها تشكل محولات الطاقة الكهربائية الجزء المهيمن، ونظراً لدورها المهم؛ فإن هذه المحولات معرضة لخطر حدوث أعطال فردية أو متعددة في الدائرة المفتوحة والقصيرة.

ضرورة ضبط أعطال المحولات الكهربائية المثبتة بنقطة محايدة

من بين جميع أنواع الطاقة، تتمتع الطاقة المتجددة بأوسع نطاق تطبيق في توليد الكهرباء، بحيث يوفر طاقة موثوقة مع وجود غازات دفيئة ضارة (GHG) أقل أو حتى معدومة بتكلفة مناسبة، مما يؤدي هذا إلى مزيد من الاستفادة من هذه الأنظمة، لذلك تطلبت التطورات الأخيرة في أنظمة الطاقة تحسينات في جودة أنظمة تحويل الطاقة، والتي تعتبر من أهم أجزاء نظام التوليد.

كذلك يمكن لمثل هذه الأنظمة التي تحتوي على مجموعة واسعة من محولات الطاقة أن تتحمل نطاقات الطاقة المتوسطة والعالية، ومن بين الهياكل المختلفة؛ حظيت المحولات ذات النقاط المحايدة ثلاثية المستويات (NPC) باهتمام متزايد في العقود الأخيرة، ومع ذلك؛ فإن المحولات غير القابلة للعب (NPC) لها العيب الرئيسي في أن توزيع الخسائر غير متساوٍ.

كما تمت إضافة محولين إضافيين لتشكيل محولات (NPC/ANPC) النشطة لحل توزيع الخسارة غير المتكافئ، بحيث تمت مقارنة محولات (ANPC) و (NPC) للتحقق من موثوقية محولات (ANPC) على محولات (NPC)، والتي أثبتت نتائجها الحاسمة الموثوقية العالية لمحولات (ANPC) على محولات (NPC) التقليدية، كما تم تحسين محولات (ANPC) بشكل أكبر باستخدام مزيج هجين من اثنين من (Si-IGBTs) و (SiC-MOSFET).

تكوين النمذجة الخاصة بالمحولات الكهربائية الهجينة ANPC

يظهر الشكل الأساسي لمحول (ANPC) الهجين في الشكل التالي (1)، بحيث يصبح التكوين الأساسي من أربعة مفاتيح نوع (Si-IGBT) (Sx1 / Dx1) إلى (Sx4 / Dx4) واثنين من مفاتيح نوع (SiC-MOSFET) (Qx1 / DQx1) و (Qx2 / DQx2) ومفاتيح التبديل الثنائيات المرتبطة في ساق كل مرحلة، وذلك بإجمالي (12) مفتاح (Si-IGBT) و (6) مفاتيح (SiC-MOSFET)، حيث تمثل (x) مراحل (A ،B ،C).

كما تم تلخيص تسلسل التحويل التقليدي لمحول (ANPC) الهجين في الجدول التالي (1)، وكما ورد سابقاً؛ فإن الغرض الرئيسي من استخدام محولات (ANPC) التقليدية هو موازنة توزيع الخسارة بين جميع المحولات، وهو العيب الرئيسي لمحولات (NPC)، مثل جميع المحولات لديك نفس النوع من (Si-IGBT)، ومع ذلك في محول (ANPC) الهجين؛ فإن موازنة الخسائر غير ضرورية بين جميع المفاتيح لأن (SiC-MOSFETs) لديها القدرة على العمل عند درجة حرارة تقاطع أعلى من مفاتيح (Si-IGBT) العادية.

أما بالمقارنة مع تأثيرات الخطأ المفتوح؛ يكون للدائرة القصيرة تأثير أسوأ على النظام، كما ويرجع ذلك إلى التفريغ المباشر لأحد المكثفات ذات الارتباط المستمر من خلال أجهزة الطاقة، مما سيعرضها لتيار تفريغ عالي، إلى جانب ذلك سينخفض الجهد الطرفي إلى الصفر بسبب الخطأ.

لذلك يجب أن تكون بعض الأجهزة قادرة على التعامل مع جهد التيار المستمر الكامل الذي قد يدمرها بسبب الجهد العالي ويسبب شكل موجة خرج غير متوازن، علاوة على ذلك وعند حدوث عطل واحد؛ هناك احتمال كبير لحدوث المزيد من الأعطال في أجهزة التحويل الأخرى، لذلك ينبغي النظر في تحليل الأعطال المتعددة لتعزيز موثوقية واستقرار نظام الطاقة في حالات الأعطال الشديدة.

أيضاً تم اعتبار المرحلة (A) لتقديم جميع التفسيرات اللازمة بالإضافة إلى التركيز على (Sa1 / Da1) و (Sa2 / Da2) و (Qa1 / DQa1)، وذلك لوصف حالات الخطأ والطريقة المقترحة، حيث تم العثور على سلوك متماثل للمراحل الأخرى والتبديل الأجهزة، وفي الوقت نفسه تجدر الإشارة إلى أن طوبولوجيا محولات (ANPC) و (NPC) و (T-Type) التقليدية ثلاثية المستويات تختلف عن طوبولوجيا (ANPC) الهجينة، ولتوضيح الاختلافات؛ فإنه يجب توضيح سلوك التبديل.

الطوبولوجيا المقترحة لمعالجة أخطاء المحولات الكهربائية الهجينة

حيث تكون طرق تحمل الخطأ المقترحة لمحولات (ANPC) و (NPC) و (T) التقليدية غير قابلة للتطبيق على محولات (ANPC) الهجينة، وفي الطوبولوجيا التقليدية؛ تستخدم أربعة أجهزة تحويل مفاتيح (Si-IGBT) مع الثنائيات المرتبطة في كل جهاز تحويل، بحيث يضاف اثنان من الثنائيات النشطة الإضافية ومحولان نشطان إلى محولات (NPC ،ANPC) على التوالي، لموازنة توزيع الخسارة غير المتكافئ لمحول (NPC) كما هو موضح في الشكل التالي (2).

أما في المحولات من النوع (T)؛ يعمل جهازي تبديل كنصف الجسر واثنين آخرين كنقطة محايدة (IGBTs)، وبالمثل تستخدم محولات (NPC ،ANPC) مفتاحين متصلين في سلسلة لمنع الجهد الكامل للتيار المستمر مقارنة بمفتاح واحد في محولات من النوع (T).

ولهذه الهياكل هناك حلقتان لمسارات التبديل. يتضمن المسار الأول الحلقة الداخلية، والتي تبدأ عندما يتدفق التيار عبر الصمام الثنائي المشبك (Da6) مع المفتاح الخارجي (Sa4)، بينما تبدأ الحلقة الثانية عندما يبدأ المفتاح الداخلي (Sa2) مع الصمام الثنائي الداخلي (Da3) أو الصمام الثنائي الخارجي (Da4) بناءً على مخطط التعديل.

وأخيراً ونظراً للهيكل المتماثل لأعلى وأسفل هذه الحلقات؛ فإنه يمكن أن ينعكس في حلقات التبديل المتبقية، بحيث اتبعت محولات (ANPC) نفس مخطط التبديل ولكن مع تبديل تكميلي إضافي لـ (Sa4 / Sa5) و (Sa1 / Sa6)، وبالمثل في محولات (T-Type)؛ فإن هناك حلقتان رئيسيتان نشطتان، الأولى تشتمل على التيار الذي يمر عبر المفتاح العلوي (Sa1) والمفتاح الداخلي (Sa2)، وتتألف الحلقة الأخرى من التيار المار عبر المفتاح السفلي (Sa4) و المفتاح الداخلي (Sa3) اعتماداً على مخطط التعديل.