استقرار العاكسات الكهربائية في الأنظمة ثلاثية الطور

تحتوي أنظمة التوزيع الكهربائي الحديثة عادةً على العديد من المحولات الكهربائية المتوازية، والتي يتم التحكم فيها عن طريق التغذية المرتدة، بحيث تشكل معاً نظاماً معقداً لتوزيع الطاقة، ووفقاً لذلك؛ ينشأ عدد من المشكلات المتعلقة بالاستقرار بسبب التفاعلات بين الأنظمة الكهربائية الفرعية العاكسة المتعددة.

أهمية استقرار العاكسات الكهربائية في الأنظمة ثلاثية الطور

أصبح عدداً متزايداً من تطبيقات أنظمة الطاقة الموزعة على التيار المتردد ممكناً، وذلك بسبب التقدم في تقنيات أشباه الموصلات وطوبولوجيا العاكس، بحيث يمكن العثور على هذه التطبيقات في العديد من المجالات الجديدة والناشئة، بما في ذلك توليد الطاقة المتجددة والسيارات الهجينة والكهربائية والشبكات الذكية  والطائرات الكهربائية وحتى السفن الكهربائية.

غالباً ما تعتمد أنظمة الطاقة الموزعة على التيار المتردد على تشغيل المحولات المتوازية، وفي بعض التطبيقات مثل محطات توليد الطاقة الكهروضوئية أو محطات طاقة الرياح على نطاق واسع، كذلك قد يشتمل النظام على مئات أو حتى الآلاف من المحولات التي تعمل بالتوازي لزيادة القدرة الإجمالية لتوليد الطاقة، بحيث يوضح الشكل التالي (1) تكويناً نموذجياً لعواكس متعددة الموازي متصلة بشبكة طاقة من خلال نقطة اقتران مشترك (PCC).

وعادة يتم تصميم العواكس بشكل فردي بناءً على متطلبات الاستقرار للعملية المستقلة للعاكس، ومع ذلك؛ فإن استخدام محولات متعددة في نفس الوقت ينتج عنه تفاعل ديناميكي يتسبب في تدهور أداء النظام أو حتى عدم استقراره، وذلك كما ورد من أنظمة التوزيع التي تشمل محطات الطاقة الكهروضوئية وأنظمة طاقة الرياح والبيانات المراكز.

القضايا التقنية التي تواجه استقرار العاكسات الكهربائية ثلاثية الطور

تمت دراسة قضايا الاستقرار المتضمنة في المحولات متعددة الموازي المتصلة بالشبكة على نطاق واسع في السنوات الأخيرة، كما تم تقديم طريقة تقييم ثبات الإشارة الصغيرة، حيث يتم تقييم الثبات بناءً على الجهد الكهربائي الخارجي وتدلي التردد الكهربائي مع إهمال ديناميكيات وحدة التحكم الداخلية، بحيث قدم هذا العمل طريقة تم فيها نمذجة المحولات المتوازية المتعددة كنظام متعدد المتغيرات، حيث وصف العاكس المكافئ إجمالي المحولات المتعددة.

وعلى فرضية أن جميع المراجع الحالية لكل عاكس هي نفسها، ومع ذلك وبالنظر إلى أن مرجع كل عاكس يتم التحكم فيه بشكل مستقل، كما هو الحال في مصنع (PV)، حيث تختلف المراجع الحالية جنباً إلى جنب مع خوارزمية تتبع نقطة الطاقة القصوى، بحيث يفتقر النموذج المقدم إلى بعض الأهمية المادية الأساسية ولا يمكنه وصف خصائص مصنع الكهروضوئية، كما طبق نهجاً مشابهاً وقدم نماذج بناءً على التيار التفاعلي والتيار المشترك لوصف التفاعل بين محولات متعددة متوازية.

كما يوفر تحليل الإشارات الصغيرة المعتمد على الممانعة طريقة أخرى لتقييم استقرار النظام، وفي هذه الطريقة يتم قياس ممانعات الأنظمة الفرعية للمصدر والحمل، كما ويتم تطبيق معيار ثبات (Nyquist) لتقييم استقرار النظام، بينما تتميز هذه الطريقة بالبساطة؛ إلا أنها لا توفر أي معلومات عن أعمدة الاستقرار الداخلي للنظام، بحيث تم النظر في الاستقرار الداخلي للنظام، والذي قدم تفسيراً لتحليل الثبات باستخدام ممانعات المصدر والحمل.

طرق قياس الاستجابة الكهربائية الترددية في مجال dq

يقوم التحويل التربيعي المباشر (dq) بتدوير الإطار المرجعي للأنظمة ثلاثية الطور من أجل تبسيط تحليل الدوائر ثلاثية الطور، وفي حالة الدوائر ثلاثية الطور المتوازنة؛ فإنه يقلل التحول من ثلاث كميات تيار متردد إلى كميتين للتيار المستمر، مما يجعل من الممكن استخدام وحدات تحكم ذات هياكل أبسط وأوامر ديناميكية أقل كما يسمح تمثيل الرتل (dq) بتحليل إشارة صغيرة مباشرة حيث يمكن تحديد الخصائص غير الخطية حول نقطة تشغيل الحالة المستقرة.

كما يوضح الشكل التالي (2) إعداد قياس نموذجي، حيث يتعين تحديد النظام قيد الاختبار في المجال (dq)، بحيث تتضمن أمثلة هذا التعريف مقاومة الخرج لعاكس ثلاثي الطور وكسب حلقة العاكس ومقاومة الشبكة في الإعداد، بحيث يكون النظام مضطرباً بواسطة حقن مكون [d ،q xd (n) ،xq (n)]، والتي تنتج استجابات الإخراج المقابلة [yd (n) ، yq (n)].

كما إشارات الإدخال والإخراج المقاسة [x ^ d (n) ، x ^ q (n)] و [y ^ d (n) ، y ^ q (n)] بأنها تالفة، وذلك بسبب ضوضاء الإدخال وضوضاء الإخراج على التوالي، كما من المفترض أن تشبه إشارات الضوضاء البيضاء ولا ترتبط بمتغيرات النظام الأخرى بحيث يُفترض أن تكون جميع الإشارات متواليات ذات متوسط صفري. يتم تخزين الإشارات المقاسة مؤقتاً ومجزأة، كما ويتم تحويل الإشارات إلى مجال التردد عن طريق تطبيق تحويل فورييه المنفصل (DFT) والمعطى على النحو التالي:

حيث أن[X ^ (jω)] هي الإشارة المحولة إلى مجال التردد الكهربائي من إشارات المدخلات والمخرجات المحولة من فورييه، كما يمكن الحصول على استجابة التردد (الممانعة أو كسب الحلقة) لكل زوج من المدخلات أو المخرجات عن طريق التطبيق.

حيث أن [X ^ (jω)] هي إشارة الدخل المحولة من قبل فورييه و [Y ^ (jω)] هي إشارة الخرج المحولة إلى فورييه في قياسات المعاوقة، على سبيل المثال المدخلات عبارة عن إشارة حالية (تحتوي على التيار الاسمي واضطراب التيار المحقون) والمخرج هو إشارة الجهد الناتجة، وذلك في البيئات الصاخبة، وغالباً ما يتم تطبيق إجراء المتوسط اللوغاريتمي لحساب استجابة التردد بين المتغيرات المرغوبة.

الإجراءات الفنية لمراقبة أداء العاكسات الكهربائية ثلاثية الطور

• التسلسل الثنائي لأقصى طول: يلعب تصميم الاضطراب دوراً مهماً للغاية في الحصول على استجابة التردد المطلوبة (أو أي نموذج آخر لنظام حدودي أو غير معلمي) من خلال التجربة الموضحة في الشكل السابق، كما ويؤدي التصميم الأمثل إلى تجارب إعلامية إلى أقصى حد تستخلص أكبر قدر من المعلومات وتقلل التكاليف التشغيلية المرتبطة بإجراءات تحديد الهوية.

وبالنسبة لتعريف النظام الخطي للأنظمة الحساسة؛ فإنها تقدم الإشارة الثنائية، مثل التتابع الثنائي ذي الطول الأقصى (MLBS)، وفي أغلب الأحيان أفضل خيار ممكن من حيث تعظيم قدرة الإشارة ضمن قيود اتساع المجال الزمني، حيث إن (MLBS) عبارة عن إشارة دورية عريضة النطاق لها توزيع طيفي يمكن التحكم فيه إلى حد كبير، وبالتالي يمكن حساب متوسط القياسات على فترات متعددة لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

• الاضطرابات المتعامدة: بالنظر إلى نظام المدخلات المتعددة والمخرجات المتعددة (MIMO) في الشكل السابق؛ غالباً ما تقترن المدخلات والمخرجات. بالنسبة لمثل هذا النظام، بحيث تتمثل الطريقة التقليدية في تطبيق نظرية التراكب على قياسات الاستجابة للتردد الكهربائي، حيث يتم حقن إشارة الإثارة بشكل منفصل لكل مدخل نظام واحداً تلو الآخر، كما ويتم قياس جميع استجابات المخرجات لكل إثارة دخل.

وأخيراً تلعب المحولات الموازية دوراً مهماً في تشغيل النظام الأكثر اتصالاً بالشبكة، بحيث ينشأ عدد من مشكلات الاستقرار من التفاعلات بين أنظمة فرعية متعددة للعاكس وشبكة الطاقة، لذلك قدمت الدراسات الحديثة تقنيات، مثل التحليل القائم على المعاوقة، ولتقييم الاستقرار والخصائص الديناميكية للأنظمة متعددة العواكس؛ فإنه غالباً ما تكون قياسات استجابة التردد مطلوبة لاستخراج المعلومات من هذه الأنظمة، حيث قد تكون الديناميكيات الداخلية لبعض الأنظمة الفرعية غير معروفة.