محول الارتباط عالي التردد لتطبيقات الشبكة الكهربائية DC-AC

تستمر الحاجة إلى دمج أجهزة تخزين الطاقة مع مصادر الطاقة المتجددة وتحسين تقنيات التعديل والتحكم في المحولات المستخدمة في الازدياد، كما أن هذا الاتجاه نشط بشكل أكبر من خلال استخدام طوبولوجيا المحولات الجديدة، مثل محولات الارتباط عالية التردد الكهربائي (HF).

تحليل محول الارتباط عالي التردد لتطبيقات الشبكة الكهربائية DC-AC

في العقدين الماضيين كانت ظاهرة الاحتباس الحراري أكبر تهديد يواجه كوكب الأرض، وبناءً على ذلك كان هناك إجماع دولي على التدابير المضادة للاحتباس الحراري والتعويض عن نقص توليد الطاقة الكهربائية عن طريق زيادة تغلغل مصادر الطاقة المتجددة (RES)، وعلاوة على ذلك ونظراً لاعتماد الطاقة المولدة من (RES) على تغيرات الطقس، كما يجب دمج أنظمة تخزين الطاقة مثل البطاريات في هذه الأنظمة لتكوين الشبكات الصغيرة (MGs).

كما يدير نظام تخزين البطارية (BSS) عدم تطابق الطاقة بين قدرة الحمل الكهربائي والشبكة المطلوبة عند اختلاف الحمل، كما أنه يحسن جودة الطاقة وموثوقية الشبكة الرئيسية، وبالتالي يجب استخدام محولات ثنائية الاتجاه للتيار المتردد للتوصيل بين (BSS) والشبكة لإدارة تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه أثناء عملية الشحن والتفريغ.

أيضاً تتضمن محولات التيار المستمر ثنائي الاتجاه في التطبيقات المرتبطة بالشبكة عزلاً كلفانياً بين جانبي التيار المتردد والتيار المستمر ويوصى به في الأنظمة القياسية المتصلة بالشبكة، على سبيل المثال، الرموز الألمانية (VDE 0126-1-1) لتجنب تيار التسرب ولقضايا السلامة العامة.

الهيكل الخاص بالمحول وتضمين تيارات الشبكة الكهربائية الجيبية

على الرغم من أن محول “التيار المتردد الى التيار المتردد” والمرتبط بالشبكة الكهربائية أحادي المرحلة مع (LFT) له هيكل بسيط ويضمن تيارات الشبكة الجيبية مع عامل طاقة واحد (UPF)؛ فإن المحولات القائمة على (HFT)، كما توفر مساحة أصغر وأسلاك نحاسية أقل، وبالتالي تقليل النظام الكلي الخسائر وتعزيز الكفاءة بتكلفة أقل، وهذا من بين ميزات أخرى أهمها بأنه يزيد الاهتمام بالمحول المستند إلى (HFT)، والذي يمكن استخدامه في طوبولوجياك وتطبيقات مختلفة.

كذلك تم تقديم مراجعة شاملة لطوبولوجيا المحولات القائمة على (HFT) ووحدة التحكم المقابلة والتطبيق المرتبط ومشاكل التنفيذ، كما تمت مناقشة المحولات القائمة على (HFT) ثلاثية المنافذ لدمج ثلاث دوائر معزول، بحيث تعتبر المحولات الوسيطة للتيار المتناوب المستمر المرتكز على التردد الكهربائي العالي جداً، كما أن له معماريتان أساسيتان، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (1).

طوبولوجيا محول التيار المتردد المعزول بالشبكة الكهربائية

يوضح الشكل التالي (2) طوبولوجيا دارة الطاقة للمحول المقترح المتصل بالشبكة (DC-ac-ac)، كما ويتكون المحول من مرحلتين متصلتين من خلال (HFT)، وفي المرحلة الأولى عبارة عن (MC 3 × 1) مباشرة، في حين أن المرحلة الثانية عبارة عن (HBC) تقليدي، كذلك يحتوي (HBC) على أربعة مفاتيح (Sjp) إلى (Skn)، في حين أن (MC 3 × 1) المباشر يحتوي على ستة مفاتيح من أربعة أرباع (Sug) إلى (Swh).

كذلك يتم استخدام (MC) لإجراء العمليات التالية:

• تحويل جهد الشبكة القياسي ثلاثي الطور إلى شكل موجة جهد أحادي الطور عالي التردد.

• ضمان شكل موجة تيار الشبكة الجيبية باستخدام (UPF).

في حين أن (HBC) يحول جهد التيار المستمر للبطارية إلى شكل موجي عالي التردد أحادي الطور، والذي يجب أن يتزامن مع خرج (MC) أحادي الطور، لذلك؛ فإن (HFT) أحادي الطور مع نسبة دوران واحدة تربط (HBC) و (MC) لاستيعاب العزلة الكلفانية لكلا الجانبين.

كما يتم توصيل (MC) بالشبكة من خلال مرشح تيار متردد لإزالة التوافقيات الحالية للشبكة وضمان أشكال موجات التيار الجيبية، وعملياً يتم تحقيق التيارات شبه الجيبية بمستوى (THD) مقبول مع تأثير ضئيل على عامل القدرة، والذي يمكن تعويضه باستخدام خوارزمية التحكم للحصول على (UPF) دقيق على جانب الشبكة، كما تم تقديم إجراء التصميم التفصيلي لمرشح التيار المتردد، كما أنه من المهم ملاحظة أنه تم استخدام (SiC-MOSFETs) كمفاتيح طاقة لـ (HBC) و (MC) لتوفير تبديل عالي التردد عند فقدان طاقة منخفض.

أنماط التبديل الخاصة بمصفوفة التبديل الكهربائية (roposed)

يوضح الشكل التالي (3) النموذج التحليلي (MC)، وفي هذا النموذج يتم تمثيل الفولتية للشبكة ثلاثية الطور بواسطة (eα و eβ و eγ)، وذلك وفقاً لمستوياتها، وهي الحد الأقصى والمتوسط والحد الأدنى على التوالي، لذلك تكون (eα> eβ> eγ)، حيث يمكن تطبيق نفس التعريف على تيارات الشبكة (iα> iβ> iγ).

كذلك تم تصميم نمط التبديل المقترح بناءً على تبديل طرف الإدخال الموجب مع طرفي الشبكة القصوى والوسطى (α)، بينما يتم تبديل طرف الإدخال السالب فقط مع طرفي الشبكة الأوسط والدنيا (β)، بحيث يوضح الشكل التالي (4) الاتجاه الحالي والمفاتيح النشطة أثناء الدورات النصف الموجبة والسالبة لجهد دخل (MC v1، بحيث يمكن ملاحظة أنه في نصف الدورة الموجبة الموضحة في الشكل (4-a).

كذلك يتم تبديل الطرف الموجب (g) فقط مع طرفي الشبكة (α) و لتحقيق متوسط الجهد الموجب خلال فترة التحكم في (Ts)، بينما الطرف السالب يتم تبديل (h) فقط مع طرفي الشبكة ولتحقيق متوسط الجهد السالب خلال (Ts) أخرى، وفي نصف الدورة السالبة الموضحة في الشكل (4-b)، بحيث يتم تبديل الطرف السالب (g) فقط مع طرفي الشبكة (α ،β)، بينما يتم تبديل الطرف الموجب (h) فقط مع طرفي الشبكة (α ،β).

أيضاً يوضح الشكل التالي (5) إستراتيجية التبديل المقترحة وأشكال الموجة الحالية المحقونة بالشبكة والجهد الداخل للتردد العالي لـ (MC)، بحيث يتم تحديد نمط التبديل المقترح خلال فترة (0 <</ 3)، وذلك عندما يكون جهد الدخل (esu> esv> 0> esw)، لذلك يتم تمثيل الفولتية ثلاثية الطور (esu ،esv ،esw) بواسطة (eα ،eβ ،eγ) على التوالي، كما يتيح نمط التبديل للتيار التدفق في كلا الاتجاهين، وخلال فترة (2Ts)، بحيث يكون الجهد أحادي الطور عالي التردد وأشكال الموجة الحالية (V1 ،I1) من (MC) في الطور.

وبالنهاية قدمت هذه الدراسة تقنية جديدة ومباشرة لتحويل (PWM) لمحول التيار المستمر ثلاثي الطور المتصل بالشبكة إلى جانب النمذجة الرياضية، كما تم تصميم محول التيار المتردد لتوصيل بطارية التيار المستمر بشبكة المرافق من خلال (HBC) ومحول مصفوفة مرتبط بمحول أحادي الطور عالي التردد (HFT)، بحيث يوفر (HFT) عزلاً كلفانياً بين البطارية وجوانب الشبكة الكهربائية.

كذلك تم اقتراح تقنية تعديل وتحكم بسيطة للمحول الذي تم تحليله في هذه الدراسة. بناءً على التقنية المقترحة؛ فإنه يمكن تحقيق الحد الأقصى لنسبة نقل الجهد للمحول، كما يتم توفير تحكم كامل بالتيار المستمر للبطارية، أيضاً تم تطوير منصة اختبار تجريبية لتبرير التقنية المقترحة وذلك الحصول على أشكال موجة تيار الشبكة المحقونة بالقرب من الجيبية مع مكونات توافقية منخفضة الترتيب مقبولة.

كذلك تكون أقل من الحدود المسموح بها لمعيار (IEC) بشكل تجريبي باستخدام عامل قدرة الوحدة، كما وتجدر الإشارة إلى أن النظام الذي تم تحليله بتقنية التعديل والتحكم المقترحة له بصمة صغيرة وتكلفة منخفضة وكفاءة عالية (حوالي 93٪ كما في دراسة الحالة)، بحيث تجعل هذه الميزات هذا النظام ذا قيمة خاصة في دمج (BES) مع (RES) في شبكة الطاقة المستقبلية.