تطوير محولات توزيع الطاقة الإلكترونية خلال التحكم التكيفي

في السنوات الأخيرة، أصبحت “محولات توزيع الطاقة الإلكترونية” (PEDTs) بديلاً جذاباً للمحولات التقليدية، كما ويرجع ذلك إلى صغر حجمها وأدائها الديناميكي المحسن وجودة طاقة أفضل، ومع ذلك؛ فإن تشغيلها باستخدام وحدة تحكم تقليدية مثل التكامل النسبي (PI) لا يعطي أداءً مرضياً.

الغاية من تطوير محولات توزيع الطاقة الإلكترونية خلال التحكم التكيفي

محول توزيع الطاقة الإلكترونية (PEDT) هو جهاز تحويل جديد يعتمد على إلكترونيات القدرة في كلا الجانبين الأولي والثانوي، بحيث يشار إلى (PEDT) أيضاً بمحول الحالة الصلبة، كذلك تُستخدم (PEDTs) في العديد من التطبيقات لتوصيل الطاقة الكهربائية للمستهلكين، ومن الأمثلة على هذه التطبيقات في توربينات الرياح ومحطات توليد الطاقة من المد والجزر ومحطات الطاقة الشمسية وأجهزة الشحن السريع (DC) لتخزين الطاقة وتعويض (Var) وكذلك التخلص التوافقي وأنظمة توزيع الشبكة الذكية.

كما يرجع الاستخدام المتزايد لـ (PEDTs) إلى مزاياها مقارنة بالمحولات الكهربائية التقليدية، أيضاً وتتمثل هذه المزايا في قدرتها الأفضل على تخزين الطاقة وصغر حجمها ووزنها المنخفض وتعويض الترهل أو اضطراب الجهد الكهربائي والقضاء على المركبات التوافقية وتصحيح معامل القدرة وعزل الخطأ.

في الآونة الأخيرة، ركز العديد من الباحثين على طوبولوجيا التصميم والتحكم في (PEDTs)، وبشكل عام هناك طريقتان لتصميم (PEDTs، بحيث لا يحتوي الأسلوب الأول على رابط (DC)، بينما يحتوي الأسلوب الثاني على رابط (DC)، أما في النهج الأول يتم تقليل حجم المحول وعامل الإجهاد بشكل ملحوظ، ومع ذلك؛ فإن هذا النوع له عيب يتمثل في صعوبة تنفيذ التحكم في التغذية الراجعة وتحسين معامل القدرة.

ومن ناحية أخرى؛ فإن الطريقة الثانية لديها تحكم أفضل ومعامل قدرة أعلى وعامل إجهاد أقل، وذلك لأن هذا النوع يتكون من ثلاثة أجزاء: مرحلة الإدخال ومرحلة العزل ومرحلة الإخراج.، كذلك مرحلة الإدخال عبارة عن محول (AC / DC) ثلاثي الأطوار يستخدم لتحويل جهد التيار المتردد إلى جهد تيار مستمر.

في حين أن مرحلة العزل عبارة عن محول (DC / DC) متصل بمحول عالي التردد الكهربائي (HF) لتوفير عزل وتحويل كلفاني، بحيث تعمل مرحلة الإخراج لنوع (DC-link) بمثابة تيار مستمر الى تيار متردد ثلاثي الأطوار، والذي يوفر جهد التيار المتردد المطلوب بتردد مقداره (50) هرتز.

مبدأ التشغيل الخاص بمحولات توزيع الطاقة الإلكترونية

يتم عرض الهيكل المقترح لـ (PEDT) في الشكل التالي (1)، وهو يتكون من ثلاث مراحل: مرحلة الإدخال ومرحلة العزل ومرحلة الإخراج. مرحلة الإدخال عبارة عن محول (PWM) ثلاثي المراحل ثلاثي المستويات، بحيث يعمل كمقوم لتحويل جهد شبكة التيار المتردد والتيار إلى تيار مستمر، كما يتم استخدام المعدل ثلاثي المستويات في مرحلة الإدخال لتحسين عامل القدرة للنظام وتقليل (THD) على جانب الشبكة الكهربائية وتنظيم الجهد العالي لوصلة (DC).

كذلك تتكون مرحلة العزل من محولات ذات ثلاثة مستويات نصف جسر مزدوج متصلة بمحول (HF) بينهما، بحيث يولد محول نصف الجسر الأول جهد الموجة المربعة (HF) من جهد التيار المستمر ثم يتخلى المحول (HF) عن جهد الموجة المربعة (HF)، كما ويعيد مقومات محول نصف الجسر الثاني جهد (HF) إلى جهد التيار المستمر.

أما المرحلة الأخيرة هي مرحلة الخرج وتتكون من عاكس تيار مستمر الى تيار متردد من مستويين ثلاثي الطور، والذي يعيد توليد أشكال موجة التيار المتردد المرغوبة في الهيكل المقترح، بحيث يتم استخدام المحول ثلاثي المستويات في مرحلة الإدخال ومرحلة العزل لتحقيق مستوى جهد عالٍ وكذلك لتحسين جودة الطاقة لـ (PEDT)، ومن ناحية أخرى تحتوي كل مرحلة من مراحل اختبار (PEDT) على وحدة تحكم مستقلة.

استراتيجيات النمذجة والتحكم الخاصة بمحولات توزيع الطاقة الإلكترونية

يعتبر عنصر التحكم هو قلب اختبار (PEDT) ولكل مرحلة تحكم مستقل، بحيث توفر الأقسام الفرعية التالية النمذجة والتحكم في كل مرحلة بالتفصيل.

النمذجة والتحكم في مرحلة الإدخال: مرحلة الإدخال عبارة عن مقوم تعديل عرض النبض ثلاثي المستويات (PWM) حسب الشكل التالي (1)، كما أن النموذج الرياضي في إطار (abc) لمعدل (PWM) ثلاثي المستويات هو:

مرحلة العزلة ونمذجة مرحلة الإخراج والتحكم: تتكون مرحلة عزل (PEDT) من محول ثلاثي المستويات عالي الجهد نصف جسر ومحول نصف جسر منخفض الجهد مع محول عالي التردد بينهما،  وذلك كما هو موضح في الشكل السابق (1)، بحيث تتدفق الطاقة من المحول الأساسي باستخدام زاوية طور رائدة في المحول الثانوي بزوايا طور متخلفة.، كما أنه يتم التحكم في القدرة المنقولة عن طريق انزياح الطور بين جهدين للموجة المربعة ويعطى حجم الفولتية لوصلة التيار المستمر من خلال العلاقة التالية:

التحكم المنطقي الضبابي من خلال تكييفه بـ (Pi Control)

تم تصميم (API-FLC) بناءً على وحدة التحكم (PI) وجزء الضبط التلقائي (FLC، بحيث يقوم (FLC) تلقائياً بضبط معلمات اكتساب وحدة التحكم (PI) عبر الإنترنت لتوسيع نطاق تشغيل وحدة التحكم للتعامل مع التشغيل الخطي وغير الخطي، حيث يعرض الشكل التالي (4) هيكل (API-FLC) المقترح، والذي يتكون من مدخلين وإشارات خرج.

حيث أن المدخل الأول إلى (FLC) هو الخطأ (e)، وهو الفرق بين القيم المرجعية والقيم المقاسة والمدخل الثاني هو إشارة خرج وحدة التحكم [PI (u)]، بحيث يقوم مخرجان (FLC) تلقائياً بضبط إشارة شروط (KP) و (KI) لوحدة التحكم (PI)، وعندما يعمل النظام في ظل حالة الاستقرار؛ فإنه يتم التحكم في النظام من خلال مكاسب وحدة تحكم (PI) الأولية حتى يلاحظ تغيير بسيط في الخطأ بواسطة (FLC).

أما عندما يحدث اضطراب كبير بسبب تحميل التغيير الحالي أو أخطاء الدائرة القصيرة؛ يقوم (FLC) تلقائياً بتحديث مكاسب (PI) بناءً على إشارة الخطأ (e) والتغيير في إشارة التحكم في خرج [PI (u)]، وذلك من خلال اكتشاف الانحراف المحتمل عن مدخلات (FLC)، كما أنه من الممكن ضبط معلمات وحدة التحكم (PI) تلقائياً لتغييرات نقطة الضبط وتحميل الاضطراريات.

أيضاً تم تطوير القواعد الضبابية لوحدة التحكم بناءً على تأثير زيادة أو تقليل معلمات وحدة التحكم (PI) على وقت الاستقرار ووقت الارتفاع والتجاوز، بحيث يتم إعطاء وظائف العضوية الغامضة لكل مدخلات ومخرجات على النحو التالي.

تم استخدام خمس وظائف عضوية للحفاظ على الخطأ (e) ضمن نطاق محدد، كما تم تعريف المتغير (e) على أنه سالب كبير (NB) وسالب صغير (NS) وصفر (Z) وإيجابي كبير (PB) وإيجابي صغير (PS)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (5-a).

وأخيراً تم تصميم طوبولوجيا جديدة لمحول توزيع إلكتروني للطاقة بناءً على محول ثلاثي المستويات، بحيث تم اقتراح وحدة تحكم (PI) قابلة للتكيف عن طريق ضبط معلمات الكسب لوحدة التحكم (PI) عبر الإنترنت باستخدام التحكم المنطقي الضبابي عند حدوث اضطراب لتوسيع نطاق تشغيل التحكم.

كما أنه تم فحص أداء وحدة تحكم (PI) المتوافقة مع التحكم المنطقي الضبابي (API-FLC) في ظل ظروف تشغيل ديناميكية مختلفة، بما في ذلك انخفاض الجهد الكهربائي والتغيرات السريعة في الحمل وأعطال الدائرة القصيرة، وذلك باستخدام وحدة التحكم المطورة.