التحكم في ردود الفعل المتصلة بالشبكة

يساعد مرشح LCL في تحويل طاقة التغذية المرتدة للمصعد إلى تيار متردد ليتم إرسالها بأمان إلى الشبكة.

بقلم وانغ يانكينغ وجيانغ كينغ وكاو جي ووان جيانرو

الطاقة المتولدة في حالة التجدد لأنظمة التحكم في تردد المصعد رائعة للغاية. تنتقل هذه الطاقة إلى المكثف على جانب التيار المستمر للعاكس ويمكن أن تولد زيادة في الجهد إذا لم يتم التعامل معها. إنه تهديد خطير للنظام. إذا تم استخدام الطاقة المتجددة بشكل عقلاني لتجنب جهد مكثف جانب التيار المستمر للعاكس ، يتم ضمان سلامة النظام. يمكن تحويل طاقة التغذية المرتدة للمصعد إلى تيار متردد بواسطة عاكس ثلاثي الطور مع مرشح LCL ثلاثي الترتيب (يتكون من الحث والسعة والتحريض) وإعادتها إلى الشبكة.

بالمقارنة مع العاكس التقليدي من النوع L ، لا يتطلب العاكس من النوع LCL سوى محاثة صغيرة ويمكن أن يأخذ في الاعتبار كلاً من كسب التردد المنخفض والتوهين عالي التردد. ومع ذلك ، فهو نظام من الدرجة الثالثة بدون التخميد ، وذروته ذات السعة العالية تكون عند التردد الرنيني لنقاط التحول الخاصة به. يتم وصف النماذج الرياضية لعاكس ثلاثي الأطوار متصل بالشبكة مع مرشح LCL في نظام الإحداثيات الدوارة على مرحلتين. تستخدم استراتيجية التحكم الطاقة كحلقة خارجية ؛ تتضمن الحلقة الداخلية تيار الحث من جانب العاكس وردود الفعل الحالية للمكثف ، وهي استراتيجية التحكم في التخميد النشط. يمكنه تحسين استقرار النظام ، وتصفية التوافقيات الأعلى بشكل فعال ، وتقليل التكاليف وتقليل حجم النظام. يمكنه أيضًا تحسين عامل الطاقة وتقليل تلوث الشبكة الناتج عن محركات التردد المتغير. على منصة MATLAB / Simulink ، تمت محاكاة أنظمة 7.5 و 10 كيلوواط للتحقق من موثوقية هذه الطريقة.

نظام متصل بالشبكة

يظهر الشكل التخطيطي لنظام التغذية المرتدة للمصعد والطاقة المتصل بالشبكة في الشكل 1. ويتكون من عاكس جسر ثلاثي الأطوار كامل التحكم ومرشح LCL ومكثف ناقل تيار مستمر وصمامات ثنائية. عندما يتحرك المصعد لأعلى مع حمولة خفيفة ، أو روابط هابطة ذات حمولة ثقيلة أو تتباطأ بمكابحها ، يتم تصحيح الطاقة المتجددة إلى التيار المستمر من خلال الصمامات الثنائية ذات العجلة الحرة. يزيد جهد مكثف ناقل التيار المستمر. التيار المحول يلبي متطلبات المعيار الصيني (GB) لتوافقيات الشبكة (الجدول 1).

النماذج الرياضية

يوضح الشكل 2 الدائرة المتصلة بشبكة التغذية المرتدة للطاقة مع مرشح LCL. ويُعرَّف الجهد ثلاثي الطور للشبكة على النحو التالي:

U_m هي سعة جهد الطور ، ويتم تجاهل المقاومة الطفيلية للسعة والتحريض. وفقًا لقوانين Kirchhoff ، يتم إنشاء النماذج الرياضية (المعادلة 2) للعاكس المتصل بالشبكة ثلاثي الطور في نظام إحداثيات ثابت ثلاثي الطور.

S_k هي وظيفة تبديل لذراع الجسر. يمثل "1" الأنبوب أعلاه مفتوح وأنبوب أدناه متوقف ، بينما يمثل "0" الأنبوب أعلاه مغلق والأنبوب أدناه مفتوح. i1k هو تيار المحث من جانب العاكس ؛ i2k هو تيار مغو جانب الشبكة ؛ uik هو جهد خرج العاكس ؛ uck هو جهد مكثف مرشح LCL ؛ udc هو جهد ناقل التيار المستمر ؛ IDc هو تيار الإخراج لحافلة DC ؛ O هي نقطة منتصف الشبكة ؛ و N هي نقطة المنتصف لمكثف التيار المتردد. بالنسبة لنظام ثلاثي الأطوار متماثل ثلاثي الأسلاك ، يمكن وصف جهد خرج العاكس على أنه .

على الرغم من أن المعنى المادي للنموذج الرياضي في نظام إحداثيات ثابت ثلاثي الطور واضح ، إلا أنه من الصعب تحقيق أي تعديل ثابت للخطأ. لتسهيل التحليل ، يتم تحويل المتغيرات في إحداثيات المحور أ / ب / ج من خلال تحويل الطاقة المتساوي إلى نفس الشبكة الأساسية مثل نظام إحداثيات المحور المباشر والتربيع التربيعي المتزامن ، مثل المعادلة 3:

تم تصميم طريقة تصميم معلمات LCL وفقًا لـ Shi Liguang "البحث عن وحدة تحكم الرنين النسبي لمحول متصل بالشبكة مع مرشح LCL" ، [1] ولضمان المعلمات المثلى ، تم التحقق منها على تردد الرنين. قيم الطاقة النشطة من جانب التيار المستمر للعاكس هي ، على التوالي ، P = 7.5 كيلو واط و P = 10 كيلو واط. تم تصميم المعلمات وفقًا لـ L.₁/L₂ = 4 (الجدول 2). الشروط المعروفة هي جذر الشبكة متوسط ​​التربيع: U_n = 220 فولت ؛ جهد ناقل التيار المستمر: U_dc = 650 فولت ؛ وتردد التبديل: f_sw = 5 كيلو هرتز.

السيطرة

تحليل استراتيجية التحكم

تم اقتراح نظرية القوة اللحظية بواسطة H. Akagi و A. Kanazawa في عام 1983. [2] إنه مبني على أساس تحويل التنسيق. يتم حساب القدرة النشطة والمتفاعلة اللحظية وفقًا للقيمة اللحظية لتحويل الإحداثيات على مرحلتين. للتغلب على النظرية التقليدية للقوة النشطة والمتفاعلة ، يعتمد الحساب على متوسط ​​تعريف الدورة. يتم تقليل التأخيرات الحسابية الناتجة عن فترة التراكم ، والتي ستساعد في التحكم في الإستراتيجية لاتخاذ القرارات باستخدام القوة اللحظية. لتسهيل التحكم في فصل PQ ، يجب اختيار اتجاه المتجه الناتج لجهد الشبكة باعتباره اتجاه المحور d.

استنادًا إلى المعادلة 3 ، يمكن الحصول على النموذج الرياضي للعاكس المتصل بالشبكة لمخطط كتلة المجال المستمر في نظام الإحداثيات الثابت ثنائي الطور (الشكل 3). يقدم تحويل الإحداثيات أدوات توصيل قوية بين مكونات المحور d / q في النظام. بدون الفصل ، سيصبح تصميم وحدة التحكم معقدًا ، مما يدل على أن تأثير التحكم الحالي ليس مرضيًا للغاية.

يظهر في الشكل 4 التحكم في فصل المحور d / q للعاكس المتصل بالشبكة LCL في نظام الإحداثيات الدوارة على مرحلتين.

تصميم جهاز التحكم

مرشح LCL له تأثير ترشيح جيد على التوافقيات الأعلى ، لكن ميزاته عالية الترتيب تجعل تيار الشبكة له صدى غير مخمد ، مما يضع متطلبات أعلى على تصميم الحلقة المغلقة. يجب قمع ذروة الرنين للتغلب على الخصائص غير المخمد. تتمثل استراتيجية التخميد النشط في أخذ التغذية المرتدة لتيار مكثف المرشح والجهد لقمع تردد الرنين التوافقي. [3 & 4]

يوضح الشكل 7.5. خصائص التردد من جهد جانب العاكس إلى تيار محث جانب العاكس لنظام 5 كيلو واط. هناك قمتان طنين ، والثاني ناتج عن رنين متسلسل من L1 و L2 و C. [5] توجد نفس المشكلة في أنظمة 10 كيلو واط.

مع التخميد النشط ، في تردد الطنين المتسلسل ، يمكن لوحدة التحكم أن تمنع الصدمة بشكل أفضل (الشكل 6). وبالنظر إلى التناظر الداخلي الحالي المحوري d / q المنفصل ، تتناول هذه المقالة فقط تصميم معلمات وحدة التحكم النسبية المتكاملة (PI) للحلقة الحالية للمعرف.

وظيفة نقل الحلقة المفتوحة في الشكل 7 هي:

غير مسموح بوجود تجاوز كبير في عملية التنظيم الحالية. هذا لتحقيق أداء سريع لتتبع التيار للمتطلبات الديناميكية للحلقة الحالية. تم تصميم معلمات PI للحلقة الحالية وفقًا للنظام النموذجي من النوع II ، ويتم تعريف عرض نطاق التردد المتوسط ​​المناسب على أنه hi = τs / ([1.5T] s). hi = 5 غالبًا ما تؤخذ في الهندسة. تكون علاقة المعلمة وفقًا للنظام النموذجي من النوع II ، حيث لدينا:

وهكذا يكون الحل هو:

تحليل نتائج المحاكاة

تم بناء نموذج النظام في MATLAB / Simulink وفقًا لمعايير التصميم في الجدول 2 وطريقة تصميم وحدة التحكم المذكورة أعلاه (الشكل 8).

 الشكلان 9 و 10 هما تيارات ، على التوالي ، العاكس 7.5 كيلوواط وتحليل التشوه التوافقي الكلي (THD) لجانب الشبكة. تمت تصفيتها بواسطة LCL ، وتنخفض توافقات تردد التبديل إلى أقل من 0.5٪ ، وينخفض ​​التوافقيات الكلية إلى 3.11٪ (من 7.01٪). التوافقيات تفي بمتطلبات الجدول 1. معدل تشويه تيار الشبكة منخفض. يوضح الشكل 11 أن معامل القدرة قريب من 1 ؛ وبالتالي ، يتم تحقيق تتبع طاقة الوحدة ، الذي يلبي الحالة المتصلة بالشبكة.

الشكلان 12 و 13 هما ، على التوالي ، العاكس بقدرة 10 كيلوواط وتحليل THD لجانب الشبكة. تمت تصفيتها بواسطة LCL ، من الواضح أن التوافقيات العالية مكبوتة ؛ ينخفض ​​إجمالي التوافقيات إلى 2.68٪ ، وهو ما يلبي متطلبات التوافقيات الحالية للشبكة.

استنتاجات

من خلال تجارب المحاكاة على أنظمة 7.5 و 10 كيلوواط ، أظهرت النتائج أن مرشح LCL يمكنه قمع التوافقيات بشكل فعال. يكون التأثير المثبط على تردد التبديل أكثر وضوحًا ، ويتم تقليل التوافقيات الحالية بشكل كبير. باستخدام التحكم في الحلقة الخارجية للطاقة ، يكون عامل الطاقة قريبًا من 1. يعزز تيار مكثف المرشح والتحكم في التغذية المرتدة للجهد بشكل كبير من استقرار النظام. أثبتت نتائج المحاكاة جدوى هذه الطريقة في تطبيقات المصاعد.

مراجع حسابات
[1] شي ليغوانغ. "البحث عن جهاز التحكم في الرنين النسبي للمحول المتصل بالشبكة مع مرشح LCL" ، جامعة تيانجين ، 2013.
[2] أكاجي ، هـ. ، واي. وكانازاوا ، أ. نبيه. "النظرية المعممة للطاقة التفاعلية اللحظية في الدوائر ثلاثية الطور" IPEC 1983 ، 1375-1386.
[3] Xu Jinming و Xie Shaojun و Xiao Huafeng. "البحث عن آليات التحكم في التخميد النشط لمرشح LCL ،" وقائع CSEE ، 2012.09: 27-33 +6.
[4] Zhang Xing and Zhang Chongwei ، "PWM Rectifier and Control" ، بكين: مطبعة الصناعة الميكانيكية ، 2012.02.
[5] Qiu Zhiling ، "دراسة التقنيات الرئيسية لمحول متصل بالشبكة ثلاثي الطور بثلاثة خطوط على أساس مرشح LCL" ، جامعة تشجيانغ ، 2009.