المحولات الكهربائية الهجينة ذات الجهد المتوسط

الضرورة من المحولات الكهربائية الهجينة ذات الجهد المتوسط

تعد محولات مصدر الجهد متعدد المستويات بمثابة طوبولوجيا مثالية لتطبيقات الطاقة العالية ذات الجهد العالي حيث يمكنها بسهولة تردد تحويل مكافئ عالي واستخدام الأجهزة ذات الجهد المنخفض فقط  وخفض التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، وما إلى ذلك، لذلك لقد تم استخدامها على نطاق واسع في أنظمة نقل التيار المستمر ذات الجهد العالي (HVDC) وأنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS) ومحركات الجهد المتوسط ​​(MVD) وأنظمة توليد الطاقة المتجددة وما إلى ذلك.

وعلى الرغم من أنهم كانوا يدرسون لسنوات عديدة؛ فإن الباحثين لا تزال تحاول تطوير طوبولوجيا متعددة المستويات جديدة وموثوقة لزيادة مستويات جهد الخرج وتحسين كثافة الطاقة الكهربائية وكفاءتها، بحيث يمكن للمحولات المعيارية المتتالية مثل المحولات الكهربائية المعيارية متعددة المستويات (MMC) والجسور (H) المتتالية (CHB)، وأن ترفع رقم مستوى الخرج والجهد ولكن لكل منها عيوبه.

وبالنسبة للعاكس متعدد المستويات المثبت، وهو طوبولوجيا بديلة متعددة المستويات؛ فإنه من الصعب زيادة مستوى جهد الخرج بسبب دائرة التثبيت المعقدة، ومع ذلك لا تزال مزايا ناقل التيار المستمر الواحد وعدد أقل من الأجهزة جذابة، وحتى الآن اجتذبت المحولات ذات المستويات الخمسة مزيداً من الاهتمام وتم وضعها في تطبيقات الصناعة، حيث يمكنها تمديد جهد الخرج حتى (6.6) كيلو فولت، وهو جهد مناسب لمعظم تطبيقات الجهد المتوسط.

ومن بين الهياكل المطورة حديثاً في هذه الجبهة؛ فقد تمت مناقشة جسر (NPC-H) في أقرب وقت، ولكن الهيكل يتطلب ستة مصادر مستقلة للتيار المستمر (وبالتالي محول معقد متعدد اللفات)، كما تم اشتقاق المحول متعدد الخلايا المكدس (SMC)، وفي عام 2002م تم تطبيقه على منتجات محركات الجهد الكهربائي المتوسط ​​بواسطة (GE)، الا أن المشكلة الرئيسية للمحول هي الاتصال المتسلسل لأجهزة تبديل الجهد العالي.

وفي عام 2003م، تم الترويج لطوبولوجيا تسمى المحول النشط ذي الخمس مستويات (5L-ANPC) بواسطة (ABB)، كما يحتاج أيضاً إلى أجهزة متصلة بالسلسلة، ولكن عدد المكثفات الطائرة يقل إلى واحد، بحيث يتم زيادة جهد الخرج. لكن طاقة الخرج محدودة، وذلك لأن المفاتيح الموجودة على جانبي مكثف الطيران تتطلب تردد تحويل أعلى (fsw) لموازنة جهد مكثف الطيران.

في عام 2014م تم تقديم طوبولوجيا جديدة تسمى المحول المتداخل ذي النقطة المحايدة (NNPC)، وذلك لتطبيقات الجهد المتوسط، بحيث يمكن رؤية الهيكل على أنه مزيج من NPC (على جانب التيار المتردد) و (FC) (على جانب التيار المستمر)، لذلك يتم تجنب الاتصال المتسلسل للأجهزة، كما أنه يتم وضع نقطة تحامل الصمام الثنائي في منتصف المكثفات الطائرة، وذلك على عكس (NPCs)، كما أنه يحتوي تيار الخرج من نقطة التثبيت على مكون أساسي.

الطوبولوجيا الهجينة ذات الخمسة مستويات

كما هو موضح في الشكل التالي، وبالمقارنة مع الهياكل المذكورة أعلاه؛ فإن عدد أجهزة التبديل هو نفسه تقريباً، كما أن معدلات الجهد للأجهزة هي نفسها (E) والطوبولوجيا خالية من الأجهزة المتصلة بالتسلسل والتموجات منخفضة التردد الكهربائي لجهد مكثف الطيران، حيث أن هذا يجعل المحول عبارة عن طوبولوجيا واعدة من خمسة مستويات للتطبيقات الصناعية.

لذلك يمكن اعتبار (5L-HC) مزيجاً من (3L-ANPC) و (FC) باستثناء أن مكثف الجهد العالي الأقرب إلى مصدر التيار المستمر (بين A ، B) في (FC) من خمسة مستويات يتم استبداله بمفتاحين نشطين (Sx1 ‘و Sx5)، وبهذه الطريقة يمكن تحسين كثافة الطاقة، بحيث يمكن أيضاً اعتبار الهيكل امتداداً لـ (4L-HC)، ووفقاً لخصائص نبض الجهد؛ فإنه يمكن تقسيم جميع المكثفات في كل مرحلة من (5L-HC) إلى 3 فئات، وهي:

• المكثفات الطائرة (Cfx1 و Cfx2).

• مكثف التيار المستمر (Cd2).

• مكثفات التيار المستمر العلوية والسفلية (Cd1 و Cd3).

وبناءً على فكرة الجمع بين (FC) ، (NPC)؛ فإنه تم اشتقاق العديد من المحولات الهجينة الجديدة المثبتة، ولكل منها خصائصه الفريدة ولكن بسبب التشابه في الطوبولوجيا، بحيث يواجه الجميع نفس المشكلات المتمثلة في تقليل المكثفات إلى الحد الأدنى وموازنة الفولتية الخاصة بهم حتى في ظل ظروف التشغيل غير المتوازنة، والتي لا تزال تمثل مشكلات صعبة حتى الآن.

ومن أجل تقليل سعات المكثفات الطائرة، تم اقتراح طريقة تعديل طور الناقل لتقليل وقت شحن المكثفات الطائرة، ومن أجل تقليل عدد المكثفات الطائرة اقترحت هناك طوبولوجيا معدلة يحتاج فيها جهازان إلى تحمل مضاعفة ضغط الجهد مقارنة بالأجهزة الأخرى، علاوة على ذلك يحتاج الهيكل المعدل إلى أجهزة إضافية للتعامل مع الاختلال الشديد في جهد المكثفات الجانبية للتيار المستمر.