مرشح الطاقة الكهربائية أحادي الطور وتقليل الجهد

تحليل مرشح الطاقة الكهربائية النشط أحادي الطور وتقليل الجهد التوافقي

حظي إنتاج الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح باهتمام متزايد في سياق التوليد الموزع، كما يمكن توصيل أنظمة تحويل الطاقة هذه بشبكة التيار المتردد من خلال محولات طاقة تيار متردد باستخدام ناقل تيار متردد، ومع ذلك؛ فإن التوصيل البيني من خلال ناقل التيار المستمر ممكن أيضاً.

لذلك عندما لا يكون التوصيل البيني مطلوباً، أي يحدث التشغيل في الوضع المستقل؛ فإنه غالباً ما تقدم مثل هذه الأنظمة سعة دائرة قصر منخفضة، كما وتكون عرضة للتشوهات التوافقية للجهد الكهربائي، وبشكل أساسي أثناء توفير الأحمال غير الخطية.

كما ومن المفترض بعد ذلك أن تحدث التأثيرات غير المرغوب فيها في المعدات المصممة للعمل في ظل الفولتية الجيبية، على سبيل المثال ارتفاع درجة الحرارة في المحولات والمحركات الكهربائية، مما يؤدي إلى تقليل العمر الإنتاجي، في مثل هذه الحالات، يلزم إجراء ترشيح مناسب لاستعادة الشكل الجيبي لجهد الإمداد.

كذلك مرشحات الطاقة النشطة عبارة عن أجهزة قائمة على المحولات الإلكترونية تعمل من أجل تحسين جودة طاقة شبكة التيار المتردد، حيث تكون قادرة على تعويض التيارات أو الفولتية التوافقية، كما تقوم مرشحات القدرة النشطة التحويلية بحقن تيارات تعويضية كافية بنفس السعة المرتبطة بالمحتوى التوافقي لتيار الحمل، ولكن مع الطور المعاكس.

لذلك، سيتدفق المكون الأساسي فقط لتيار الحمل عبر شبكة الطاقة الكهربائية، ومع ذلك إذا كان مصدر الطاقة يقدم شكل موجة جهد مشوه مستقل عن دوران تيارات الحمل الكهربائي؛ فلن تتمكن مرشحات الطاقة النشطة المحولة من ضبط جهد الشبكة الكهربائية.

كما تعد مرشحات الطاقة النشطة المتسلسلة (SAPFs) كافية لتصحيح تشوهات الجهد التوافقي، وغالباً ما يتم توصيل هذه المعدات بين مصادر الطاقة والأحمال، وذلك لتكون قادرة على العمل كعوازل توافقية أو مصادر جهد تصحيحية تعيد الشكل الجيبي لجهود الحمل الكهربائي.

لذلك عند تعيينها للعمل كعوازل توافقية، يتم التحكم في (SAPF) لتوفير مقاومة عالية عند الترددات التوافقية؛ فإنه سيتم بعد ذلك توليد جهد غير جيبي، وبالتالي إجبار التيار المسحوب من المصدر على تقديم شكل جيبي، لذلك تميل الأحمال المتصلة في سلسلة مع (SAPF) إلى أن يتم توفيرها بواسطة الفولتية غير الجيبية.

كما يمكن الحصول على نهج هجين، خاصةً إذا كان (SAPF) يعمل كعزل توافقي ويعمل مع بنك مرشح سلبي، كما إن المرشح النشط الهجين قادر على توفير شكل جيبي لجهود الحمل وفي نفس الوقت يجبر التيار الجيبي على التدفق عبر مصدر الطاقة، ومع ذلك؛ فإن هذا الجانب يعتمد بشكل صارم على ضبط المرشح الخامل بدقة متناهية.

سلسلة نظام تصفية الطاقة الكهربائية النشط

يتم توصيل (SAPF) بين مصدر الطاقة المشوه والحمل، وذلك كما هو موضح في الشكل (1-a)، كما يتم تشويه جهد خرج إمداد الطاقة مقابل (t) ويتم إنشاء جهد خرج [SAPF vo (t)]، وذلك لتعويض مكونات الجهد التوافقي الحالية، وبالتالي توفير جهد جيبي [vL (t)] للأحمال المتصلة بالمرشح، كما يتم تمثيل مراحل القدرة والتحكم في (SAPF) في الشكل (1-b).

لذلك تتكون الدائرة من (VSI) كامل الجسر ومرشح (LC) منخفض التمرير، كما  يستخدم المحول (DC-ac) أربعة مفاتيح نشطة (Q1 … Q4)، والتي تكون الثنائيات المضادة المتوازية الخاصة بها هي (D1… D4)، كما يتم توصيل مرشح (LC) بإخراج (VSI) بين المحطات (VA و VB)، وذلك مع الأخذ في الاعتبار أن [vab (t)] يحتوي على محتوى متناسق عالي التردد الكهربائي.

وفي هذه الحالة، تم تصميم مرشح الترددات المنخفضة لقطع تردد القطع أقل من تردد التبديل (fs) من أجل تخفيف المكونات التوافقية المرتبطة بـ [vab (t)]، كما أن المحث (La) والمكثف (Ca) لهما مقاومة متسلسلة مكافئة (ESR) مقدمة من (RLa) و (RCa) على التوالي.

بالإضافة الى أنه يستخدم رابط (DC) الخاص بـ (VSI) بنك (مكثف) يمثله (Cd)، والذي يكون (ESR) الخاص به هو (RCd)، وذلك نظراً لأن (SAPF) لم يتم تصميمه للتعامل مع تقلبات الجهد الكهربائي أو تضخمه، لذلك فقد تم اختيار (Cd) ليكون صغيراً أثناء العمل فقط للحفاظ على جهد [dc-link vcc (t)] ثابتاً والتوليد الدقيق لجهد الخرج [vo (t)].

وبالتالي تتوافق الإشارات [(t)] و [vcct (t)] و [vst (t)] مع عينات من جهد خرج [SAPF vo (t)] و (dc-link) [voltage vcc (t)] و [power supply vs (t)] على التوالي، كما يتم قياس هذه الكميات بواسطة محولات الجهد الخطية، والتي يتم تمثيلها بكسب الخرج الثابت (KT)، بحيث يتم استخدام مرشح تمرير النطاق لاستخراج المكون الأساسي لـ [vs (t)] المحدد بواسطة [v1t (t)].

وبطرح [v1t (t)] من [vst (t)]؛ فإنه يعطي الجهد التوافقي [vht (t)]، كما الإشارة المرجعية لجهد الخرج النهائي [v ∗ oref (t)]، وهي نتيجة جمع [vht (t)] و [vprod (t)]، ومن ناحية أخرى؛ فإنه يتم الحصول على إشارة [vprod (t)] من الضرب بين إشارة خرج وحدة تحكم [dc-link vcccont (t)] و [v1t (t)]، كما يحتوي أيضاً على مكون أساسي منخفض السعة للحفاظ على [vcc (t)] بقيمة ثابتة للتيار المستمر تحددها الإشارة المرجعية [v ccref (t)].

كما يتم تمثيل جهد إمداد الطاقة مقابل (t) بالترابط المتسلسل للمصادر المقابلة للمكون الأساسي [v1 (t)] والمحتوى التوافقي [v (t)] وانخفاض الجهد الكهربائي [vZs (t)]، ومن الجدير بالذكر أيضاً أن [vh (t)] يمثل المحتوى التوافقي المتأصل المستقل عن دوران تيار الحمل.

ومن ناحية أخرى، يتم إنشاء الجهد [vZ (t)] عندما تتدفق التيارات المشوهة عبر الممانعة (ZS)، مما يساهم في مزيد من التشويه لـ [vs (t)]؛ فإنه سيتم إنتاج شكل موجة الجهد الناتج [vo (t)]، وذلك لإلغاء المكونات التوافقية المرتبطة بـ [vh (t)] و [vZs (t)]، لذلك؛ فإن جهد الحمل الناتج [vL (t)] سوف يتكون فقط من المكون الأساسي [v1 (t)].

كما يتكون نظام التحكم من حلقتين متتاليتين، بحيث تتحكم الحلقة الداخلية في [vo (t)]، والمرتبط بوحدة التحكم [C1 (s)]، وهي مسؤولة عن توليد إشارة التحكم [vocont (t)]، وذلك من خطأ [voerr (t)]، والذي يُعطى بالفرق بين جهد الخرج المقاس [vot (t)] والإشارة المرجعية [voref (t)]، وذلك باستخدام تقنية تعديل عرض النبضة (PWM)، يتم الحصول على إشارة التحكم (t) لتوليد إشارات البوابة (g1 … g4).

كما الحلقة الخارجية تنظم الجهد [DC-link vcc (t)]، كما يتم استخدام نتيجة الطرح بين [vcct (t)] والمرجع [v ccref (t)]، والمقاس بواسطة [C2 (s)] لإنشاء إشارة الإخراج [vcccont (t)]، والتي يتم ضربها بالمكون الأساسي [v1t (t)] مما أدى أيضاً إلى [vprod (t)].

وذلك جانب آخر مهم يجب مراعاته في تصميم حلقة التحكم المتتالية يكمن في حقيقة أن الحلقة الداخلية يجب أن تكون أسرع من الحلقة الخارجية، وبمعنى آخر كما يجب أن تضمن وحدة التحكم [C1 (s)] استجابة ديناميكية أسرع من تلك التي توفرها [C2 (s)].