محول التيار المستمر عالي التردد المعتمد على مكثف مبدّل لتطبيق الجهد المتوسط

مدخل الى المحولات عالية التردد المعتمدة على مبدل مكثف الجهد المتوسط

بالمقارنة مع نقل الطاقة بالتيار المستمر؛ فإن توزيع الطاقة بالتيار المستمر يجذب اهتمام الباحثين تدريجياً في السنوات الأخيرة، ولا تزال العديد من المفاهيم في “المرحلة الاستكشافية”، وفي توزيع الطاقة بالتيار المستمر، تركز الأبحاث الحديثة بشكل أساسي على “شبكة ميكرو غريد” ذات الجهد المنخفض (LV) وشبكة التوزيع ذات الجهد العالي / الجهد المتوسط ​​(HV / MV) عادة ما تركز على شبكة التيار المتردد.

أما بالنسبة لشرط أن تكون شبكة التوزيع (HV / MV) هي شبكة نقل التيار المستمر؛ فنادراً ما تم لمسها، وفي الوقت الحالي، يتم تطوير ناقل الحركة المرن HVDC( (VSC-HVDC)) بسرعة، مما يجعل شبكة توزيع التيار المستمر عالي الجهد / (MV) حقيقة واقعة، وفي هذا السياق؛ فإنه سيتم توزيع التيار المستمر أيضاً على تعزيز تطوير شبكة التيار المستمر وتحقيق الكثير من المزايا التقنية.

وفي التوزيع المستمر للجهد المتوسط ​​(MVDC)، ومن أجل تحقيق تحويل الجهد والعزل الكهربائي بين ناقل توزيع (MVDC) وناقل (LVDC) الصغير؛ فإن “محول التيار المستمر” يكون ضرورياً، لكن في الواقع وفي توزيع التيار المستمر، من الصعب تحقيق تحويل الطاقة من خلال محول مغناطيسي بسيط كما هو مستخدم على نطاق واسع في توزيع التيار المتردد.

كما يحتاج بشكل خاص إلى تقنية إلكترونيات القدرة، وفي “تطبيقات الجهد المنخفض”؛ فإنها تستخدم محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر (AC- AC) على نطاق واسع، وعلاوة على ذلك، بحيث تناقش العديد من الدراسات المحولات ثنائية الاتجاه المعزولة بين التيار المستمر والتيار المستمر (IBDCs)، والتي تعتبر مهمة جداً لتحقيق العزل الكهربائي.

كما يمكن استخدام هذه المحولات للوصول إلى أحمال التيار المستمر وأنظمة تخزين الطاقة والأجيال الموزعة للتيار المستمر في “شبكة ميكرو غريد”، ومع ذلك؛ فإنها تفشل في العمل “كواجهات دائمة” بين ناقل توزيع (MVDC) وشبكة (LVDC) الصغيرة.

دور التيار المتردد عالي التردد في توزيع القدرة

في توزيع طاقة التيار المتردد، يعتبر محول الحالة الصلبة (SST) حلاً جيداً لتوصيل الجهد المتوسط ​​وشبكة التيار المتردد ذات الجهد المنخفض من خلال تكنولوجيا الطاقة الإلكتروني، حيث تم اقتراح أيضاً حلاً لتشغيل نظامين معزولين بوصلة محول متوسط ​​التردد.

ومع ذلك ونظراً لأن مفهوم توزيع طاقة التيار المستمر قد تم التركيز عليه فقط لفترة قصيرة من الوقت، لذلك؛ فإن البحث العالمي بشأن (SSTs) يركز بشكل أساسي على التيار المتردد (SST) ومفهوم محول التيار المستمر (DCT) نادراً ما يكون معنياً.

كما أنه عادةً ما تكون الكائنات المستهدفة عبارة عن دوائر (باك / دفعة) أو محولات معزولة من التيار المستمر إلى التيار المستمر (جسر الإدخال عبارة عن “عاكس” يتم التحكم فيه بشكل نشط وجسر الإخراج عبارة عن مقوم غير متحكم فيه)، كما ويتم التحكم في جهد الخرج لهذه المحولات من خلال نسبة التشغيل للمفاتيح.

مقترح (DCT) بناءً على مكثف مبدّل لتطبيق الجهد المتوسط

يوضح الشكل التالي (1) طوبولوجيا (SCDCT) المقترح، كما ويتألف (SCDCT) بشكل أساسي من واجهة مكثف بتبديل متسلسل (SSCI) وواجهة وصلة “عالية التردد” (HFLI)، بحيث يختلف (SSCI) الموجود في الورقة عن محول المكثف بتبديل السلسلة في الدراسات السابقة، وهي تتألف من وحدات فرعية مكثف بتبديل نصف جسر (N -SC).

ثم يتم رفع أطراف توصيل التيار المستمر N (V11 ، V21 ، … ، VN1)، بحيث يتم توصيل جميع (SCs) في سلسلة في جانب التيار المتردد بواجهة شبكة توزيع (MVDC)، كما يتكون (HFLI) من وحدات (N- DAB) الفرعية، وذلك مع طرف واحد من (DAB) المتصل بمحطة (DC) المنفصلة لـ (SC)، والآخر متصل بالتوازي مع واجهة (LVDC microgrid).

وبالمقارنة مع مخطط (TDCT)، يستخدم (SCDCT) المقترح (SSCI)، وذلك كواجهة لشبكة توزيع (MVDC)، بحيث يمكن لـ (SSCI) ضبط جهد المحطات المنفصلة للتيار المستمر لضمان تطابق الجهد الكهربائي بين جانبي محول (HFL)، ثم يمكن تقليل التيار المتداول ويمكن تحسين أداء التأثير والكفاءة الحاليين.

كما يمكن أن يعمل (SCDCT) بشكل جيد عندما تفشل بعض الوحدات الفرعية، ومن ثم يمكن تحسين الموثوقية، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يمكن أن تبقى الفولتية المنفصلة للتيار المستمر عند فشل شبكة توزيع (MVDC)، ومن ثم يمكن تشغيل (SCDCT) بسرعة عند التخلص من الخطأ.

وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يتم توصيل جميع الوحدات بشكل متوازٍ على الجانب (LV)، وعندما تفشل وحدة فرعية؛ فإنها نحتاج فقط إلى إغلاق نبضات القيادة لجميع المفاتيح، كما يمكن أن يعمل الجانب (LV) من (SCDCT) بشكل طبيعي.

التوصيف الرئيسي لـ (SCDCT) لتوزيع (MVDC)

تبديل التوصيف

في (SSCI)، كما يتم تبديل المفتاحين (Qi1) و (Qi2)، وذلك بالتناوب وتكون حالات التبديل للمفاتيح في نفس الموضع لجميع الوحدات الفرعية (SC) هي نفسها، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، وذلك خلال الحالة المستقرة، بحيث يمكن تقسيم (SSCI) إلى أربعة أوضاع على النحو التالي:

الفاصل الزمني (t0 − t1): عندها يتم إيقاف تشغيل (Qi1) ويتم تشغيل (Qi2)، كما ويكون تيار المحث (iL) سالباً، ثم يتدفق (iL) عبر (Di2) والجهد عبر (L) هو (VHV)، حيث يتناقص (iL) الحالي في الاتجاه السلبي حتى (iL = 0) عند (t1).

الفاصل الزمني (t1 − t2): لا يزال (Qi1) مغلقاً ولا يزال (Qi2) قيد التشغيل، لكن تيار المحرِّض (iL) يتغير من سالب إلى موجب، ثم يتدفق (iL) عبر (Di2) إلى (Qi2)، كذلك لا يزال الجهد عبر (L -VHV)، بحيث يزداد (iL) الحالي في الاتجاه الإيجابي حتى يحقق (iL) أقصى قيمة (Imax) عند (t2).

الفاصل الزمني (t2 − t3): عند (t2)، لا يزال (Qi1) قيد التشغيل ولا يزال (Qi2) مغلقاً، كما ويكون تيار المحث (iL) موجباً، بحيث يتدفق (iL) عبر (Di1)، والجهد عبر (L) هو (VHV − ∑Vi1)، كما يتناقص (iL) الحالي في الاتجاه الإيجابي حتى (iL = 0) عند (t3).

الفاصل الزمني (t3 − t4): لا يزال (Qi1) قيد التشغيل ولا يزال (Qi2) مغلقاً، لكن تيار المحرِّض (iL) يتغير من الموجب إلى السالب، ثم يتدفق (iL) عبر من (Di1) إلى (Qi1) والجهد عبر (L) لا يزال (VHV − ∑Vi1)، بحيث يزداد (iL) الحالي في الاتجاه السلبي حتى يحقق (iL) أدنى قيمة (Imin) عند (t4).

توصيف الجهد والقدرة

وفقاً للتحليل المذكور أعلاه؛ فإنه يمكن اشتقاق متوسط جهد (L) خلال فترة واحدة على النحو التالي:

حيث يتم تعريف Di=(t2−t0)/T، وذلك على أنها نسبة العمل و (T) هي فترة تبديل (SSCI)، وعندما تكون جميع نسب التشغيل متماثلة؛ فإنه يجب أن يكون متوسط الجهد للمحث (L) خلال فترة واحدة صفراً أثناء الحالة المستقرة.

تعميم التوصيف الخاص بالتيار الكهربائي

في (HFLI)، ونظراً لأن الطاقة يتم نقلها بواسطة موجات (HF) المربعة في كل (DAB)؛ فإنه سيزداد التيار المتداول بسرعة عندما لا تتطابق الفولتية الطرفية مع نسبة المنعطفات للمحول، بحيث يمكن وصف الأداء الحالي المتداول لـ (DAB) بواسطة عامل القدرة الأساسي (HFL).