العاكس ثلاثي الأطوار المتصل بالشبكة الكهربائية مع مرشح LCL

بالمقارنة مع المرشحات التقليدية من النوع (L) الأحادي؛ فإنه يمكن لمرشحات (LCL) للعاكسات المتصلة بالشبكة الكهربائية ثلاثية الطور أن تثبط جهد التبديل وتموج التيار بشكل أفضل، وبالتالي تقليل التلوث التوافقي لشبكة الطاقة، ومع ذلك؛ فإن الزيادة في ترتيب النظام تجعل من الصعب أيضاً التحكم في النظام.

تحليل نظام العاكس ثلاثي الأطوار

في السنوات الأخيرة، عزز استهلاك الطاقة الكهربائية والقضايا البيئية التطور السريع لتقنيات توليد الطاقة المتجددة، ومع زيادة نسبة توليد الطاقة المتجددة؛ تضع شركات الشبكة الكهربائية معايير أعلى لجودة طاقتها، لذلك من الأهمية بمكان تحسين الجودة الحالية المتصلة بالشبكة لمصادر الطاقة المتجددة.

بالنسبة لمحولات (PWM)؛ ينتشر تردد التبديل عادة من (2) كيلو هرتز إلى (15) كيلو هرتز، وذلك بسبب التوافقيات عالية التردد (التشوه)، وبالقرب من تردد التبديل وترددات التحويل المتعددة؛ ستحدث حتماً في تيار جانب الشبكة، مما يؤدي إلى تداخل خطير في جودة طاقة الشبكة وإلحاق الضرر بها، وبمجرد حقن هذه التوافقيات في الشبكة؛ فإنها ستزيد من الخسارة الإضافية للنظام، كما وتؤدي إلى خلل في جهاز الحماية في نظام الطاقة عن طريق التسبب في تداخل كهرومغناطيسي وتؤثر على موثوقية مصدر الطاقة.

وبشكل عام، وفي تطبيق مرشح الحث الفردي؛ فإنه يلزم محاثة ترشيح كبيرة على جانب التيار المتردد لقمع التوافقيات عالية التردد الكهربائي الناتجة عن عاكس (PWM) بشكل فعال كذلك فلاتر الحث الفردي ذات الحجم والوزن الكبيرين، بحيث لا تكلف الكثير فحسب؛ بل تزيد أيضاً من الخسارة بشكل كبير، ونظراً للمشكلات يتم عادةً استبدال مرشحات الحث الفردي بمرشحات (LCL) في محولات عالية الطاقة.

مساهمة مرشحات (LCL) في ضبط التوافقيات عالية التردد

بالنسبة لمرشحات (LCL)؛ فإنها توفر زيادة فرع المكثف مساراً للتوافقيات عالية التردد في تيار جانب الشبكة لعاكس (PWM)، بحيث يمكن أن يخفف التوافقيات عالية التردد بشكل أفضل، ومع ذلك؛ فإن زيادة ترتيب النظام يجلب أيضاً صعوبات للتحكم في النظام، كما تعتمد مخططات التحكم القائمة على نظام الإحداثيات الثابت، وبشكل عام على وحدات التحكم بالرنين النسبي (PR) تتبع الإشارة الجيبية مباشرة.

ومع ذلك؛ فإن وحدات التحكم في العلاقات العامة، وهي المصممة بشكل معقد، كما تميل إلى أن تتأثر بتقلب تردد شبكة الطاقة، بالإضافة إلى ذلك في نظام الإحداثيات؛ فإن معظم مخططات التحكم الحالية التي تتجاهل الاقتران المعقد بين محوري (d) و (q) تقوم مباشرة بالتحكم في (PI)، ونتيجة لذلك لا يمكن للنظام أن يحقق التأثير المطلوب بصعوبة.

نموذج رياضي للعاكس المتصل بالشبكة مع مرشح LCL

يتم عرض طوبولوجيا العاكس المتصل بالشبكة مع مرشح (LCL) في الشكل التالي (1).

قد يؤدي استخدام مرشح (LCL) إلى مشاكل في الرنين، ومن أجل ضمان استقرار النظام؛ فإنه عادة ما يتم استخدام التخميد الإضافي، وفي ضوء استراتيجيات التخميد الحالية يستخدم هذا العمل التحكم في التغذية الراجعة الحالية لمكثف المرشح.

وكما هو مبين في الشكل التالي (1)؛ فإنه من المفترض أن:

• جهد الشبكة الكهربائية ثلاثي الطور هو التوازن.

• لا يوجد تشبع مغناطيسي في محث المرشح.

• لا توجد خسارة في أجهزة التبديل.

ووفقاً لـ (KVL) و (KCL)؛ فإنه يمكن الحصول على النموذج الرياضي لمرشح (LCL) في نظام إحداثيات (d-q):

كما يمكن أن نرى من الشكل التالي (2) أن معرف المتغيرات الخاضعة للرقابة و (iq) للحلقة الداخلية الحالية في نظام إحداثيات (d-q) هما متغيرات (DC)، كما ويمكن تتبع القيمة المرجعية ببساطة، ومع ذلك؛ فإن النظام مقترن بشدة بنظام إحداثيات (d-q)، لذلك من الصعب تحقيق نتائج مرضية عن طريق استخدام التحكم (PI) مباشرة.

تحليل اضطراب الحلقة الداخلية للتيار وتصميم وحدة التحكم

تحليل اضطراب الحلقة الحالية واستراتيجية التحكم

وفقاً للتحليل في القسم الأول؛ فإنه يجب فصل نظام إحداثيات (d-q) لتطبيق تحكم (PI) على الحلقة الداخلية الحالية، بحيث بأخذ مكون المحور (d) كمثال، بحيث يمكن الحصول على معادلة الحالة التالية، وذلك من خلال النظر في التغذية الراجعة للتيار الكهربائي السعوي:

حيث أن:

حيث أن:

[f (t)]: هو الاضطراب الكلي للحلقة الداخلية الحالية في حالة الجهد المثالي للشبكة ثلاثية الطور وعدم وجود اضطراب خارجي.

(x1): هو المعرف الحالي لمحور (d).

(Kc): هو معامل التغذية الراجعة لتيار السعة، بحيث يمكن الحصول على المعادلة التالية من خلال الحساب:

حيث أن:

وفقاً لمبدأ (ADRC)، بحيث يقلل (LESO) الاضطرابات الخارجية والداخلية للنظام إلى اضطرابات كاملة ويعطي تعويضاً ديناميكياً مقابلاً، لذلك؛ فإن النظام أكثر قوة وقادر على قمع الاضطرابات، بالإضافة إلى مصطلح ارتباط الجهد في الشبكة الكهربائية، كما يتم أيضاً تضمين مصطلح الارتباط الحالي على جانب التيار المتردد ومصطلح ارتباط الجهد لسعة المرشح في اقتران الحلقة الداخلية الحالية.

تصميم وحدة التحكم

يمكن الحصول على معادلة الحالة الخاصة بـ (ESO) من الدرجة الرابعة وفقاً للمعادلة:

حيث أن:

(z1): هي القيمة المقدرة للمعرف.

(y): هي القيمة الفعلية للهوية، وهو الخطأ بين القيمة المقدرة والقيمة الفعلية.

[(z4 = kf (t) ، β01 − β04)]: معلمات قابلة للتعديل على التوالي.

تحليل أداء فصل النظام ومقاومة الاضطراب

النظر إلى التغذية المرتدة الحالية بالسعة، بحيث يمكن الحصول على شكل مصفوفة للنموذج الرياضي لمحولات (LCL) بواسطة المعادلة على النحو التالي:

تحليل النتائج التجريبية الخاصة بالعاكس ثلاثي الأطوار

يسرد الجدول التالي (1) معلمات (VSR) ثلاثي الطور، وذلك من أجل التحقق بشكل أكبر من فعالية استراتيجية التحكم المقترحة، تم استخدام واختبار منصة تجريبية ذات عاكس متصل بالشبكة من ثلاث مراحل من مستويين مع وبدون استراتيجية التحكم في فصل (LESO)، وفي التجربة تم استخدام (TMS320F28335 DSP) كوحدة تحكم لتنفيذ الخوارزمية، بينما تم استخدام (XC6SLX9-2TQG144I FPGA) لتوليد إشارات القيادة المطلوبة من قبل (IGBT) وضبط الوقت الميت لـ (IGBT).

كما تقسم التجارب الى العديد من النطاقات، وهي:

• النتائج التجريبية في ظل حالة ثابتة.

• النتائج التجريبية تحت معاملات الحث المتنوعة.

• النتائج التجريبية تحت تشويه جهد الشبكة الكهربائية.

• النتائج التجريبية في ظل انخفاض الجهد الكهربائي أحادي الطور.

وفي نهاية هذا البحث، وبناءً على النموذج الرياضي الدقيق المقترح للعاكس المتصل بالشبكة مع مرشح (LCL) في نظام إحداثيات الدوران المتزامن، كما تم فصل الحلقة الداخلية الحالية عن طريق ملاحظة الاضطراب من خلال (LESO) في ضوء مبدأ (ADRC)، وفي الوقت نفسه تم التحقق من طريقة التحكم في الفصل المقترحة من خلال منصة اختبار حقيقية.

كذلك تظهر المحاكاة والنتائج التجريبية أن طريقة التحكم في الفصل المقترحة لها مزايا توفير تكلفة المستشعر وعدم الحساسية لمعايير التحكم والمتانة القوية، وعلاوة على ذلك يمكنها تحسين جودة تيار جانب الشبكة الكهربائية بشكل فعال.