التصعيد منخفض الجهد الكهربائي لمحولات الشبكة ثلاثية الأطوار

في هذا البحث تم اقتراح تقنية جديدة منخفضة الجهد للتصعيد (LVRT) للمحولات ثلاثية الطور المتصلة بالشبكة الكهربائية، بحيث تتكون التقنية المقترحة من جزأين أساسيين، وهما حلقة مغلقة غير خطية تعتمد على مرشحات ذات معامل معقد (NLCCF-PLL) ونظام التحكم الخاص بـ (LVRT).

تحليل عملية التصعيد منخفض الجهد الكهربائي لمحولات الشبكة

تم تركيب العديد من أنظمة توليد الطاقة المتجددة (REGSs) لمعالجة نقص الطاقة والتحديات البيئية، ونظراً للانتشار الملحوظ لـ (REGSs)؛ واجه استقرار وسلامة شبكة الطاقة عقبات خطيرة بسبب عدم اليقين وتقطع الطاقات المتجددة، لا سيما في حالة أعطال الشبكة الكهربائية، ولدعم استقرار الشبكة أثناء أعطال الشبكة؛ يعد الاتصال المستمر والاستجابة السريعة للمحولات المتصلة بالشبكة ضرورية.

وحتى الآن، حددت العديد من البلدان لوائح التصعيد ذات الجهد المنخفض (LVRT) لتنظيم عمليات العاكسات المتصلة بالشبكة أثناء تراجع جهد الشبكة، وبموجب هذه اللوائح يجب أن تكون المحولات المتصلة بالشبكة قادرة على المشاركة في دعم الشبكة الديناميكي أثناء أعطال الشبكة عن طريق حقن التيارات التفاعلية باستمرار في الشبكة الكهربائية.

تقنيات الكشف عن المحولات المتصلة بجهد الشبكة الكهربائية

يعد الإطار المرجعي المتزامن (PLL (SRF-PLL)) أكثر تقنيات الكشف عن جهد الشبكة شيوعاً للمحولات المتصلة بالشبكة لتوفير طاقة خرج غير منقطعة نظراً لبساطتها وفعاليتها وقوتها، ومع ذلك؛ فإن (SRF-PLL) حساس للغاية للجهد المشوه وغير المتوازن، وعلاوة على ذلك في شبكة الطاقة؛ فإنه يتم تحقيق ترهل الجهد أثناء أعطال الشبكة عن طريق تحولات الطور وتغيرات التردد الكهربائي واختلالات الجهد والتشوهات.

لذلك؛ فإن عرض النطاق الترددي لـ (SRF-PLLs) الشائعة في المحولات الصناعية يقتصر على (15Hz-75Hz) للتخفيف من تأثيرات جهد الشبكة غير المتوازن والمشوه، مما يؤدي إلى عملية كشف ديناميكية أطول، بحيث تسبب عملية الكشف الديناميكي المطول لجهد الشبكة تقلبات عبور كبيرة في تيار الخرج للعاكس المتصل بالشبكة، كما وقد تدمر حتى استقرار نظام شبكة الطاقة.

الوصف الدقيق لوحدة التحكم الخاصة بشبكة المحولات NLCCF-PLL

باعتبارها الوحدة المتزامنة التي تؤثر بشكل كبير على أداء (LVRT) للعاكسات المتصلة بالشبكة، كما تتم مناقشة (NLCCF-PLL) المقترح في هذا القسم.

• نظرة عامة على (DCCF-PLL) التقليدي: من بين تقنيات (PLL) الحالية، بحيث تتميز مرشحات المعامل المركب (CCFs) باستجابة تردد غير متناظرة حول التردد الصفري، مما يعني أنه يمكن استخراج مكونات تسلسل موجبة أو سلبية في نفس التردد الكهربائي، وذلك من خلال وضع اثنين من ممر النطاق الترددي المتوازي قبل إدخال (SRF-PLL)، كما يتم إنشاء (PLL) ثنائي المعامل المعتمد على المرشح (DCCF-PLL).

وكما هو موضح في الشكل التالي (1)؛ فقد تشير (V+,ω^g,θ^g) على التوالي إلى السعة والتردد وزاوية الطور لمكون التسلسل الإيجابي الأساسي لجهد الشبكة المقدر بواسطة (DCCF-PLL)، كما أن (ω ^ ref)، كما يمثل التردد الاسمي (CCF ، PI) هما ممر النطاق (CCF) وجهاز التحكم النسبي المتكامل (PI) على التوالي، كذلك يمكن كتابة وظائف النقل الخاصة بلوك (CCF) ووحدة التحكم [(PI)، GCCF (s) ،GPI (s)] على النحو التالي:

حيث أن:

(ω ^ b): هو عرض النطاق الترددي لـ (CCF).

(Kp ، Ki): على التوالي إلى الكسب النسبي والكسب المتكامل لوحدة التحكم (PI).

وكما هو مبين في الشكل (1)؛ تعمل كتلة (CCF) كمرشح معالجة مسبقة عن طريق استخراج مكون التسلسل الإيجابي الأساسي لجهد الشبكة، في حين أن كتل التحكم الأخرى لـ (DCCF-PLL)، وهي مماثلة لتلك الخاصة بـ (SRF-PLLs) التقليدية، بهذه الطريقة يتم حظر المركبات التوافقية وغير المتوازنة لجهد الشبكة ببساطة وفعالية دون إضعاف السلوكيات الديناميكية (PLL) بشكل كبير.

• التكوين الأساسي لـ (NLCCF-PLL): على الرغم من أن (DCCF-PLL) يتميز ببساطته وفعاليته؛ إلا أن المفاضلة بين الاستجابة الديناميكية وأداء التصفية الناتج عن وحدة التحكم الخطية تقيد بشكل صارم أداء (PLL)، ولزيادة تحسين الاستجابة الديناميكية وقدرة التصفية؛ فإنه يتم تقديم وحدات تحكم غير خطية بناءً على بنية (DCCF-PLL)، بحيث تم توضيح التكوين الأساسي لـ (NLCCF-PLL) المقترح في الشكل التالي (2).

• تحليل الاستقرار لـ (NLCCF-PLL): بناءً على التحليل السابق؛ فإنه يمكن تحقيق استجابة ديناميكية سريعة وأداء ترشيح جيد باستخدام مخطط التحكم غير الخطي المقترح، ومع ذلك يُصبح استقرار (PLLs) الموجودة مع وحدات التحكم غير الخطية أمر غير موثوق، ولضمان جدوى (NLCCF-PLL) المقترحة؛ فإنه يجب التحقق من استقرارها.

مخطط التحكم الكهربائي بالخاص بمقترح LVRT

بالإضافة إلى (NLCCF-PLL) المقترح؛ يعد نظام التحكم المتقدم (LVRT) مهماً أيضاً لأداء (LVRT) للمحولات المتصلة بالشبكة، كما يعتمد التحقيق في مخطط التحكم (LVRT) المقترح على عاكس مصدر جهد ثلاثي الأطوار متصل بشبكة الطاقة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي، كمل يتم إدخال مرشح (LCL) بين الشبكة والعاكس لتخفيف الجهد العالي. التوافقيات المحقونة في الشبكة، وفي الوقت نفسه يُفترض أن يكون جهد ارتباط التيار المستمر ثابتاً تحت تشغيل (LVRT).

كذلك يتكون مخطط التحكم (LVRT) المقترح من كتلة حساب التيار المرجعي والتحكم في الحلقة الداخلية كما هو موضح في الشكل التالي، ووفقاً لجهد الشبكة المقدّر بواسطة (NLCCF-PLL)؛ فإنه يتم إنشاء التيار المرجعي لوحدة التحكم في الحلقة الداخلية بواسطة المرجع كتلة الحساب الحالية، وفي الوقت نفسه يتم إجراء وحدة التحكم في الحلقة الداخلية المقترحة أيضاً تحت إحداثيات ثابتة (αβ).

• حسابات التيار الكهربائي المرجعية: هنا يجب أن تكون المحولات الكهربائية المتصلة بالشبكة قادرة على حقن التيارات النشطة والمتفاعلة في الشبكة أثناء أعطال الشبكة المتكررة، وذلك من أجل تسهيل استعادة جهد الشبكة.

• التحكم بالحلقة الداخلية: عند حدوث عطل في الشبكة، تتغير معاوقة الشبكة المكافئة والجهد الكهربائي للشبكة بشكل كبير، مما يهدد بشكل خطير استقرار وحدة التحكم في الحلقة الداخلية المصممة مسبقاً، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يمكن أن تتسبب العملية الديناميكية لوحدة التحكم في الحلقة الداخلية أثناء حدوث أعطال في الشبكة في تقلبات عبور في التيارات الناتجة.

وأخيراً في هذه الدراسة؛ فإنه يتم تقديم (PLL) غير الخطي ثلاثي الطور (NLCCF-PLL) مع استجابة ديناميكية سريعة وقدرة معززة على رفض الاضطراب ومتانة جيدة، بحيث يُقترح أيضاً مخطط تحكم (LVRT)، والذي يعتمد على (NLCCF-PLL)، وحسب الاستنتاجات التالية؛ فغنه يمكن استخلاصها:

• من خلال الضبط التكيفي لكسب الحلقة المفتوحة لـ (DCCF-PLL) التقليدي وفقاً لحجم الاضطراب، كما تم تحسين الأداء الديناميكي وقدرة ترشيح الحالة المستقرة لـ (NLCCF-PLL) المقترحة بشكل كبير.

• تم اعتماد (NLCCF-PLL) المقترح ليكون مستقراً، وذلك من خلال الطريقة الثانية من (Lyapunov)، والتي تضمن مجموعة واسعة من اختلافات المعلمات والمتانة الجيدة.

• يمكن لنظام التحكم (LVRT) المقترح كبح جماح التموجات الكلية في الطاقة النشطة والقوة التفاعلية بشكل فعال عن طريق حسابات المصفوفة.

• تعمل وحدة التحكم في الحلقة الداخلية المقترحة على تحسين الأداء الديناميكي لتقنية (LVRT) المقترحة وتضمن المتانة الجيدة لنظام العاكس.

أيضاً تشير النتائج التجريبية إلى الأداء الجيد لـ (NLCCF-PLL) المقترح مع مخطط التحكم (LVRT) المقترح، مما يؤكد التوافر والقيمة العملية لتقنية (LVRT) المقترحة.