Minimal-Cell Half-Bridge Modular Multilevel Converter Using Modified Sinusoidal Pulse-Width Modulation

في العالم الحديث، نادراً ما تتدفق الكهرباء كتيار سلس ومستقر؛ بل غالباً ما يتم توليدها وتخزينها ونقلها عبر شبكات معقدة من المفاتيح التي تعمل وتتوقف آلاف المرات في الثانية الواحدة. هذه الانقطاعات السريعة تخلق موجة متعرجة ومتدرجة، والتي إذا تُركت دون معالجة، يمكن أن تتلف المعدات الحساسة، وتؤدي إلى سخونة المحولات، وتزعزع التوازن الدقيق للشبكة الكهربائية. ولإصلاح ذلك، يستخدم المهندسون أجهزة تسمى العواكس (inverters) لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد. لطالما كان التحدي يكمن في المقايضة: فاستخدام المزيد من المفاتيح ينتج موجة أكثر سلاسة ونقاءً، ولكنه يجعل الآلة أكبر حجماً وأغلى ثمناً وأصعب في التحكم. ولعقود من الزمن، كان الحل لهذه المشكلة يكمن ببساء في إضافة المزيد من المكونات، مع قبول التكلفة الإضافية والضخامة كضريبة للجودة.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة محمد بوضياف (جامعة م'حمود بوقرة) بومرداس، الجزائر، طريقة لكسر هذه المقايضة. فقد استقصى الباحثون نوعاً معيناً من محولات الطاقة يُعرف باسم "المحول متعدد المستويات النمطي" (modular multilevel converter)، وهو في الأساس عبارة عن مجموعة من الوحدات الصغيرة التي تشبه البطاريات تعمل معاً لبناء جهد عالي. في الإعداد القياسي، يتطلب تحقيق موجة سلسة عدداً كبيراً من هذه الوحدات. وقد طرح الباحثون سؤالاً بسيطاً: هل يمكننا تحقيق نفس الطاقة السلسة والنقية باستخدام عدد أقل بكثير من الوحدات إذا غيرنا الطريقة التي نأمر بها تلك الوحدات بالتشغيل والإيقاف؟ ومن خلال تطوير طريقة جديدة لتوقيت هذه المفاتيح، أثبتوا أنه من الممكن تقليل عدد المكونات المادية بشكل كبير دون التضحية بجودة الكهرباء المنتجة.

يتضمن جوهر عملهم تقنية تسمى "تعديل عرض النبضة" (pulse-width modulation)، وهي الطريقة المستخدمة للتحكم في توقيت المفاتيح. تخيل مفتاح إضاءة يتم تشغيله وإطفاؤه بسرعة كبيرة لدرجة أن الضوء يبدو خافتاً بسلاسة بدلاً من الوميض. في محول الطاقة، يخلق هذا التبديل السريع وهماً بموجة جهد سلسة. ومع ذلك، عندما يكون عدد الوحدات المتاحة صغيراً، فإن هذا التبديل يخلق موجة متدرجة خشنة تحتوي على تموجات غير مرغوب فيها، تُعرف باسم "التوافقيات" (harmonics). هذه التوافقيات تشبه الضجيج في الإشارة الموسيقية؛ فهي تشوه النغمة النقية للكهرباء ويمكن أن تسبب مشاكل للشبكة. وقد اكتشف الباحثون أنه من خلال الجمع بين نمط تبديل أساسي منخفض السرعة وإشارة توقيت أكثر تطوراً وعالية السرعة، يمكنهم تنعيم هذه الدرجات دون الحاجة إلى إضافة المزيد من الأجهزة.

اختبروا ثلاثة أنواع مختلفة من استراتيجية التوقيت الجديدة هذه باستخدام محاكاة الكمبيوتر. استخدمت الطريقة الأولى تكويناً يحتوي على ست وحدات صغيرة لكل طور، بينما دفعت الطريقتان الثانية والثالثة الحدود إلى أبعد من ذلك، باستخدام أربع وحدات فقط. في الإعداد التقليدي الذي يستخدم أربع وحدات فقط، تكون جودة المخرجات عادةً سيئة، حيث تصل نسبة التشوه المعروفة بإجمالي التشوه التوافقي (total harmonic distortion) إلى 33.44 بالمائة. وهذا المستوى من الضجيج مرتفع جداً للاستخدام العملي. ومع ذلك، نجحت طرق الباحثين الجديدة في تقليل هذا التشوه بشكل كبير؛ حيث خفض النهج الذي استخدم ست وحدات التشوه إلى 5.53 بالمائ%، بينما حققت الطريقتان اللتان استخدمتا أربع وحدات فقط نتائج أفضل، حيث وصلتا إلى 5.49 بالمائة و5.51 بالمائة على التوالي. ويمثل هذا انخفاضاً بنسبة تزيد عن 83 بالمائة مقارنة بالإعداد التقليدي ذي الأربع وحدات، مما يثبت أن استراتيجية التحكم الذكية يمكن أن تعوض نقص المكونات المادية.

كما درست الدراسة كيفية سلوك هذه المحولات عند توصيلها بأحمال حقيقية، مثل المحركات أو المعدات الصناعية التي تستخدم ملفات سلكية. وعندما قام الباحثون بمحاكاة نظام ثلاثي الأطوار مع حمل حثي، أنتجت الطريقة المقترحة الثانية تياراً خارجياً نظيفاً بشكل ملحوظ، حيث بلغ مستوى التشوه فيه 2.0012 بالمائة فقط. وهذا الرقم يقع ضمن الحدود الصارمة التي تضعها المعايير الدولية للربط بالشبكة. ومع ذلك، فإن الجهد نفسه، قبل مروره عبر مرشح (فلتر)، لا يزال يظهر تشوهاً بنحو 7 بالمائة. وقد لاحظ الباحثون أن هذا النقص المتبقي يتركز في نوع معين من التموج يسمى "التوافقية الخامسة". وبينما لا يستوفي الجهد وحده معايير الشبكة الأكثر صرامة بدون مرشح، فإن حقيقة أن التيار نظيف للغاية تشير إلى أن مرشحاً سلبياً بسيطاً يمكنه بسهولة تنظيف ما تبقى، مما يجعل النظام بأكره متوافقاً مع لوائح السلامة.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهماً هو أنه يتحدى الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأنه يجب عليك إضافة المزيد من الأجهزة للحصول على جودة طاقة أفضل. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال تنظيم توقيت المفاتيح بعناية، استطاعوا تحقيق مستويات أداء تتطلب عادةً ضعف عدد المكونات. وقد قارنوا نتائجهم بطرق متقدمة أخرى موجودة في الأدبيات الحديثة، والتي غالباً ما تتطلب تصميمات هجينة معقدة أو أنواعاً إضافية من المفاتيح لتحقيق نتائج مماثلة. وفي المقابل، يستخدم حلهم مكونات قياسية متوفرة في الأسواق واستراتيجية تحكم موحدة. وهذا يعني أنه بالنسبة لتطبيقات مثل محركات الدفع صغيرة النطاق، أو أنظمة الطاقة المتجددة، أو شواحن المركبات الكهربائية، أصبح من الممكن الآن بناء محولات طاقة أصغر حجماً، وأرخص ثمناً، وأكثر كفاءة دون المساس بجودة الكهرباء التي توفرها.

لا يزال العمل في مرحلة المحاكاة، مما يعني أن هذه النتائج تم التحقق منها من خلال نماذج حاسوبية مفصلة بدلاً من الاختبارات على أجهزة مادية. ويخطط المؤلفون لبناء نموذج أولي مادي للتأكد من أن النظرية تصمد في العالم الحقيقي، حيث تبرز عوامل مثل الحرارة وعيوب المكونات. كما يعتزمون تصميم مرشح محدد للتعامل مع تشوه الجهد المتبقي، لضمان جاهزية النظام للربط الفوري بالشبكة. وحتى ذلك الحين، توفر عمليات المحاكاة دليلاً قوياً على صحة المفهوم: وهو أن التغيير الذكي في كيفية توجيه تشغيل المفاتيح يمكن أن يفعل الكثير لتحسين أنظمة الطاقة لدينا، أكثر مما يفعله مجرد إضافة المزيد من المعادن والأسلاك.