التحكم في المحول الكهربائي ثلاثي الأطوار المتصل بالشبكة

ضرورة التحكم في المحول الكهربائي ثلاثي الأطوار المتصل بالشبكة

تجعل محولات إلكترونيات القدرة (PECs) شبكة التوزيع الكهربائية أكثر مرونة من خلال دمج أنواع مختلفة من المصادر والأحمال ووحدات التحكم الرقمية، كما يمكن مراقبة الطاقة الكهربائية وإدارتها بشكل أكثر دقة في كل خطوة معالجة، من التوليد مروراً بالتوزيع والتحويل والتخزين إلى الاستهلاك، كما يتطلب تكييف (PECs) مع الحالة الحالية لنظام التوزيع العديد من التحديات من أجل الحفاظ على جودة وكفاءة عالية للطاقة بالإضافة إلى الموثوقية العالية والتكلفة المنخفضة مقارنة بالتكنولوجيا المستخدمة حالياً.

كما يجب أن تفي (PECs) المتصلة بالشبكة بكود الشبكة (IEEE 519-2014) أو (IEC 61000-3-6)،و ما هو التحدي الذي يواجه نظام التحكم، بحيث يجب أن يكونوا قادرين على الحفاظ على القيمة المرجعية للتيار الكهربائي في النطاق الكامل لتغيرات ظروف الشبكة الكهربائية عند نقطة اقتران مشترك (PCC)، بحيث تتمثل التهديدات الرئيسية في اختلاف قيم المقاومة والجهد الشبكي.

لذلك إذا كانت طريقة التحكم لا تقاوم هذه المشكلات؛ فستعمل (PEC) بشكل غير صحيح أو تقاطع العملية أو تحدث اضطرابات تيار إضافية، مما قد يؤدي إلى تلف الأجهزة اللاحقة في الشبكة الكهربائية، كذلك العنصر الحاسم للتحكم في الشبكة المتصلة بشبكة (PEC) هو وحدة التحكم الحالية، وفي التطبيق العملي، تعتبر أدوات التحكم في التيار الخطي مثل التكامل النسبي (PI) والرنين النسبي (PR) حلولًا شائعة، وذلك نظراً للديناميكيات الجيدة جدًا والدقة والتعقيد الحسابي المنخفض والضبط البسيط.

أيضاً يقتصر نطاق التحكم لهذه الأنواع من وحدات التحكم بشكل صارم على التردد الكهربائي الأساسي، لذلك إذا كان جهد الشبكة غير مشوه؛ فلا توجد مشكلة في الحصول على شكل موجة تيار جيبي نقي، ومع ذلك إذا كان الجهد الكهربائي في (PCC) يحتوي على أي توافقي عالي الدرجة؛ فإنه يتسبب في تدفق تيار الشبكة المشوه.

واستناداً إلى المعايير (IEEE 519-2014) و (IEC 61000-3-6)، لا يمكن أن يتجاوز إجمالي تشوه التوافقيات (THD) للتيار حد (5٪) لذلك يجب أن يحتوي نظام التحكم في (PEC) على هياكل إضافية مستخدمة لتقليل أو إزالة تأثير جهد الشبكة المشوه، ومع ذلك لا ينبغي أن يكون توسيع نظام التحكم معقداً بسبب الموارد الحسابية والوقتية المحدودة لوحدة التحكم الرقمية، ومن ثم يجب أن تكون طريقة التحكم القوية بسيطة للتنفيذ العملي أو الصناعي.

كما تستند معظم الطرق الشائعة والموضحة في الدراسات المستخدمة للتخفيف من تشوهات تيار الشبكة الناتجة عن توافقيات جهد الشبكة إلى مضاعفة وحدات التحكم الخطية المحددة في إطار مرجعي ثابت أو متزامن عن طريق استخراج المركبات التوافقية المختارة عالية الترتيب للتيار وضبط كل وحدة تحكم مخصصة للحفاظ على إشارات الخطأ عند مستوى الصفر.

تحليل تأثير توافقيات الجهد الكهربائي على المحول المتصل بالشبكة

بشكل عام، يمكن معاملة (PEC) المتصلة بالشبكة مع مرشح خرج (LCL) شائع الاستخدام كمصدر تيار متحكم به (الشكل التالي 1)، ولكن يمكن أن يتطور المخطط فيما يتعلق بنطاق التردد (الشكل 1-B)، بحيث يمكن التمييز بين أربع مناطق في مجال التردد، والتي تصف مساهمة جهد الخرج (PEC) والجهد الشبكي في التوافقيات التي تم الحصول عليها للجهد والتيار الكهربائي (الشكل التالي 2).

كما تحدد كل منطقة نطاق تشغيل هياكل التحكم المخصصة، بحيث تحتوي المنطقة الأولى على توافقي أساسي فقط، والذي يجب أن توفره الشبكة وكذلك (PEC) لضمان التبادل السليم للطاقة بينهما. يركز التحكم في هذه المنطقة على تنفيذ وضبط وحدات التحكم الحالية الخطية المطبقة في الإطار المرجعي الثابت (PR) أو الإطار المرجعي الدوراني المتزامن (PI).

كما تقع المنطقة الثانية، وهي النطاق الرئيسي للاهتمام في هذا البحث فوق التردد الأساسي ويتم تحديدها من خلال مدرجات الجهد العالي الأكثر شيوعاً الثاني والخامس والسابع والحادي عشر والثالث عشر، والتي تقل تردداتها عن (1) كيلو هرتز، حيث أن هذه التوافقيات ناتجة بشكل أساسي عن جهد الشبكة المشوه بواسطة الترهل أو الأحمال غير المتماثلة غير الخطية.

ومع ذلك، من الممكن أن يولد المحول أيضاً توافقيات في المنطقة (II)، وخاصةً عندما لا يتم التحكم فيها بشكل صحيح (الخوارزمية غير قادرة على العمل مع جهد الشبكة المشوه على الإطلاق أو أن كتل التعويض لا تعمل بشكل فعال) وكذلك في حالة من التشوهات الكبيرة الناتجة عن المحولات الكهربائية اللاخطية (مثل الأوقات الميتة، انخفاض الجهد على الترانزستورات وما إلى ذلك).

في المنطقة (II) بشكل شائع، يكون لمرشح (LCL) خاصية استقرائية مع خاصية التردد الخطي لأن المكثف في المرشح مصمم لتعويض مكون تردد التبديل، لذلك يمكن وصف وظيفة نقل المرشح مع إدخال جهد الشبكة (vg) وإخراج تيار المرشح (ig) على النحو التالي:

حيث أن:

(L1): محاثة المرشح من جانب المحول.

(L2): محاثة المرشح من جانب الشبكة الكهربائية.

(R1 ، R2): مقاومة المحاثات.

(Lg): محاثة الشبكة الكهربائية.

(Rg): مقاومة الشبكة الكهربائية.

كما يوضح الشكل التالي (3) خصائص التردد لمرشحات (LCL و L)، وذلك مع نفس المحاثات، كما ويمكن ملاحظة أن هذه الخصائص متداخلة مع أدنى (1 kHz)، وذلك اعتماداً على السعة في مرشح (LCL)، بحيث يمكن توسيع هذه المنطقة.

كذلك ترتبط المنطقة (III) المميزة في الشكل السابق (2) بتأثير مكثف مرشح (LCL) والرنين المحتمل، بحيث ينتج الرنين بشكل أساسي عن (PEC)، لذلك هناك العديد من تقنيات التخميد النشطة الموضحة في الدراسات، وأخيراً تكون المنطقة (IV) خارج قدرة التحكم (PEC) وهي تتضمن مكون تردد التبديل، كما يتم توفير تعويض التوافقيات في هذه المنطقة فقط من خلال مرشحات الإخراج (LCL).

ونظراً لأن الحل المقترح في هذه الدراسة، بحيث يركز على التخفيف من التوافقيات عالية الترتيب للتيار الناتج عن تشوهات الجهد؛ فقد تم أخذ المنطقة (II) فقط في الاعتبار، ونتيجة لذلك تم تبسيط مرشح (LCL) إلى مرشح الدرجة الأولى، وبالنظر إلى هذا التبسيط؛ فإنه يمكن تطبيق التخفيف من تشوهات تيار الشبكة عن طريق موازنة توافقيات جهد الشبكة بجهد خرج (PEC) وفقاً للمعادلة:

لذلك، إذا كانت التوافقيات عالية الترتيب لجهد الشبكة (vg) تساوي التوافقيات عالية الترتيب الخاصة بـ (PEC vPEC)؛ فإن (ig) الحالي الناتج عن تشوهات الجهد يساوي صفراً.

وبالنسبة الى طريقة تخفيف التوافقيات الحالية؛ فقد تم تطبيق طريقة تخفيف التوافقيات الحالية المقترحة على خوارزمية التحكم في الجهد الموجه (VOC) في الإطار المرجعي الثابت (αβ)، وذلك كدراسة حالة (الشكل التالي 4)، ولكن يمكن أيضاً تطبيقها بشكل فعال على العديد من طرق التحكم الأخرى للمحولات المتصلة بالشبكة الكهربائية.

كما يسمح (VOC) المقدم في الشكل السابق، وذلك بالاحتفاظ بجهد (DC) المرجعي (VDC_ref)، وذلك بواسطة حلقة التحكم الخارجية، والتي تحدد السعة المرجعية للتيار الأساسي، وبعد ذلك يتم التخلص من الأخطاء الحالية المكونة من (iα_ref و i β_ref) والقيم المقاسة (iα و i β) بواسطة حلقات التحكم الداخلية، والتي تحدد جهد خرج المحول (vα_ref، v β_ref).