التحكم بالمحولات الكهربائية ذات الأربع أذرع ثلاثية الأطوار

ضرورة التحكم بالمحولات الكهربائية ذات الأربع أذرع ثلاثية الأطوار

باعتبارها واحدة من أكثر الهياكل الواعدة من حيث الطلب على تطبيقات الطاقة المتوسطة إلى العالية؛ فقد حظيت المحولات المعيارية متعددة المستويات (MMCs) باهتمام كبير بسبب مزاياها المنخفضة المتأصلة مثل قابلية التوسع والموثوقية العالية وخسائر التحويل والإخراج الممتاز أشكال موجة الجهد والتيار الكهربائي في هذا الهيكل.

كما يوجد تطبيق مهم في تشغيل وضع المعدل، حيث تعمل المحولات كنهاية أمامية نشطة (AFE) لتوليد جهد ارتباط (DC) متحكم به من أجل التشغيل المرن لنظام المحركات عالية الجهد متوسط ​​الجهد والجهد العالي نظام نقل التيار المباشر (HVdc)، وهكذا تم تقديم طوبولوجيا (MMC) التي تم تطويرها مؤخراً، والتي تسمى المحولات المعيارية متعددة المستويات ذات الواجهة الأمامية النشطة بأربعة أذرع (AFE-MMCs).

وبالمقارنة مع طوبولوجيا (MMC) التقليدية، لا تحصل طوبولوجيا (AFE-MMC) الجديدة ثلاثية الأطوار رباعية الأذرع المزايا الرئيسية لـ (MMCs) التقليدية مثل البنية المعيارية وقابلية التوسع والموثوقية، ولكنها تدرك أيضاً تحسين قدرة تحمل الخطأ لـ (MMCs) وزيادة منخفضة في تكلفة النظام.

كما أنها مستوحاة من هذه المزايا البارزة وآفاق التطبيق المحتملة، بحيث لا تزال المنظمات البحثية المختلفة تكرس جهودها للتحقيق في مناهج التحكم المتقدمة في محاولة للحصول على أداء التحكم المطلوب لـ (MMCs).

ومن بين طرق التحكم المختلفة هذه؛ فإنه يمكن تحديد مخطط التحكم التنبئي لنموذج مجموعة التحكم المحدودة (FCS-MPC)، والذي يعتمد على النموذج الرياضي المنفصل ومجموعات التبديل المحدودة، وذلك كواحد من أكثر البدائل المفضلة، بحيث تتمثل الخصائص الرئيسية للنهج في أنه يمكن حل مشكلة التحسين بسهولة عن طريق تقييم مجموعات التبديل المحدودة للمتغيرات الخاضعة للرقابة في صيغة دالة التكلفة المحددة مسبقاً.

وكل ذلك بواسطة المستخدم ضمن فترة زمنية محددة، دون تدخل تعديل عرض النبضة ( PWM) كتلة، وبهذا المعنى؛ فإن صيغة دالة التكلفة المحددة مسبقاً من قبل المستخدم تتضمن بمرونة أهداف التحكم المختلفة، والتي تتوافق عادةً مع القوة النشطة والقدرة التفاعلية لـ (AFE-MMCs) على التوالي، وبالإضافة إلى ذلك، تتمثل ميزة هذا النهج في أن إزالة عملية التعديل الوسيطة تجلب استجابة عابرة سريعة وتنفيذاً بسيطاً وبديهياً.

ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه الميزة؛ فإنه يقدم بعض العيوب المتأصلة، مثل التعقيد الحسابي وأداء الحالة المستقرة، ونتيجة لذلك؛ فإنه من الضروري تطوير نظام تحكم بديل للالتفاف على أوجه القصور المذكورة أعلاه، وذلك مع البقاء مجدياً من الناحية الحسابية لثلاث مراحل (AFE-MMCs) ثلاثية الأذرع.

طريقة FCS-MPC لثلاث أطوار رباعية الذراع AFE-MMCs

الشكل التالي (1) يصور تكوين الدائرة لثلاث أطوار رباعية الذراع (AFE-MMCs)، وفي هذا الهيكل؛ فإنه يمكن التعبير عن جهد الخرج للطور- [x (x = {a، b، c})]، وفيما يتعلق بالنقطة الوسطى لوصلة (DC O)  كـ:

حيث تشير (vO′O) إلى الجهد الكهربائي بين نقطة الوسط لوصلة (DC O ′) والنقطة (O) على مصدر جهد جانب الشبكة الكهربائية.

وفي المرجع الثابت (αβ)، ودون أي خسارة في العمومية؛ فإنه يمكن التعبير عن المعادلة الديناميكية الحالية للجانب الشبكي لثلاث أطوار رباعية الذراع (AFE-MMCs) كـ:

حيث أن [(vg = vglx − vgux2) ، (Rz = Rg + 0.5Rarm) ، (Lz = Lg + 0.5Larm)] على سبيل المثال، يشير إلى جهد جانب الشبكة، كما يشير (vglx ، vgux) إلى الفولتية العلوية والسفلية للذراع على التوالي، كما يشير (ig) إلى تيار جانب الشبكة ويشير (Rg) إلى مقاومة الشبكة ويشير (Lg) إلى محاثة مرشح الشبكة.

تحسين جودة الطاقة في ظل ظروف الشبكة غير المتوازنة والمشوهة

في هذا القسم، تم اقتراح منهجية (FFS-MPC) جديدة بتقنية تعويض الطاقة في ظل ظروف الشبكة غير المتوازنة والمشوهة للحصول على تيار الشبكة الجيبية وعامل قدرة الوحدة دون زيادة تعقيد وحدة التحكم، وبدلاً من ذلك، يحتاج تصميم وحدة التحكم التنبؤية إلى ضمان تحديات إضافية مثل تعزيز مرونة التحكم في ثلاث مراحل (AFE-MMCs) ثلاثية الأذرع وتقليل خطأ تتبع الحالة المستقرة في قوى جانب الشبكة، لذلك سيتم تفصيل شرح واضح لهذا الإجراء على النحو التالي.

نمذجة (AFE-MMCs) ثلاثية الأطوار رباعية الأذرع في ظل ظروف الشبكة غير المتوازنة

في الإطار المرجعي الثابت (αβ)؛ فإنه يمكن التعبير عن الجهد والتيار غير المتوازنين على جانب الشبكة كمجموع مكونات التسلسل الموجب والسالب لكل منهما:

نمذجة (AFE-MMCs) في ظل ظروف الشبكة المشوهة

من ناحية أخرى، يبقى من المهم التأكيد على أن تيار جانب الشبكة الجيبية هو أهم هدف للتحكم في نظام (AFE-MMCs)عندما يتم تشويه جهد الشبكة بشكل متناغم وفقاً لرمز الشبكة، وذلك تحقيقا لهذه الغاية، كما أنه من الأهمية بمكان كبديل لاستغلال استراتيجية التحكم الجديدة، وهو أمر بالغ الأهمية لضمان أداء التحكم في الحالة المستقرة للنظام بأكمله في ظل ظروف الشبكة المشوهة.

ليبقى التركيز هنا بأن المكونات التوافقية من الرتبة الخامسة والدرجة السابعة فقط موجودة في شبكة الطاقة لأنها المكونات التوافقية الرئيسية في جهد الشبكة، ومن ثم ونظراً للأسباب المذكورة أعلاه، يتم أخذ هذين المكونين التوافقيين فقط في الاعتبار في هذه الدراسات.

وبعد ذلك، يمكن التعبير عن الفولتية على جانب الشبكة من حيث مكوناتها التوافقية في الإطار المرجعي الثابت (αβ):

حيث تكرس (e + gαβ و e − gαβ و e5 gαβ و e7 + gαβ) المكونات الأساسية الموجبة والسالبة والمكونات التوافقية السالبة من الرتبة الخامسة والإيجابية من الدرجة السابعة في الإطار المرجعي الثابت (αβ) على التوالي.

تصميم دالة التكلفة

استناداً إلى التحليل والتصميم المفصلين أعلاه؛ فإنه تم اقتراح وظيفة تكلفة جديدة معاد تكوينها مع الأخذ في الاعتبار التحكم النشط في تتبع الطاقة والتحكم في تتبع الطاقة التفاعلية والتحكم في موازنة جهد مكثف (DC-link) وإلغاء خطأ تتبع الحالة المستقرة في إطار غير متوازن ومشوه شروط الشبكة، بحيث ينتج:

حيث: 

وتحقيقا لهذه الغاية؛ فإنه تم تقديم استراتيجية (MPC) سريعة لـ (AFE-MMCs) منظم ثلاثي الأطوار رباعي الأذرع في الحل المقترح لتبسيط عملية التحسين عبر الإنترنت دون المساومة على بساطة هيكل التحكم، وعلى وجه التحديد هناك مقارنةً بنهج (FCS-MPC) التقليدي، بحيث تستفيد خوارزمية (FFS-MPC) المقترحة من طبيعة مجموعة التحكم المحدودة لـ (AFE-MMCs) من خلال تقييم مرتين أو ثلاث مرات فقط للتحسين عبر الإنترنت وفقاً لآخر جهد مثالي (سابق) المستوى خلال كل فترة أخذ العينات.

وأخيراً؛ فإنه وباستخدام المنهجية المقترحة، يمكن تقليل التعقيد الحسابي للتحسين عبر الإنترنت ومجموعة الحلول المقبولة إلى حد كبير، وهو حل جذاب لأربعة مراحل (AFE-MMCs) مع عدد كبير من (SMs)، بحيث يظهر الشكل التخطيطي للحل المقترح بأكمله لـ (AFE-MMCs) ثلاثية الأطوار رباعية الأذرع في الشكل التالي (2).

باختصار، يمكن القول أن المزايا الرئيسية للحل المقترح في هذه الورقة أكثر اكتمالاً فيما يتعلق بالأعمال الحالية، وذلك نظراً لأنه يشتمل على تعويض الطاقة الكهربائية و (MPC) السريع في نفس الوقت في ظل ظروف شبكة غير متوازنة ومشوهة.