Current THD Optimization of a Five-Level Active Neutral-Point-Clamped Converter Under Capacitor Voltage Imbalance

في عالم الطاقة الحديثة، تُعد الأجهزة التي تحول الكهرباء من شكل إلى آخر هي الأبطال المجهولون لكل شيء، بدءاً من مزارع الرياح وصولاً إلى السفن الكهربائية. ومن بين هذه الأجهزة، يبرز نوع محدد من الآلات يُعرف باسم "المحول ذو النقطة المحايدة النشطة خماسي المستويات" (five-level active neutral-point-clamped converter) لقدرته على التعامل مع الطاقة العالية بسلاسة ملحوحة. فكر في الأمر كأنه مراقب مرور متطور للكهرباء، يقوم بتجزئة جهد كهربائي كبير وخشن إلى خمس خطوات متميزة لإنشاء تدفق يشبه الموجة النظيفة يمكن للمحركات والشبكات استخدامه بكفاءة. ومع ذلك، يعتمد هذا النظام على وحدات تخزين طاقة داخلية تسمى المكثفات للحفاظ على توازن تلك الخطوات. وعندما تفقد هذه المكثفات توازنها — أي عندما يحمل أحدها شحنة أكثر من الآخر — يتعثر النظام بأكمله؛ حيث يصبح جهد المخرج مشوهاً، ويصبح التيار المتدفق إلى الحمل متعرجاً، مما يخلق نوعاً من الضجيج الكهربائي يُعرف بالتشوه التوافقي الذي يهدر الطاقة ويجهد المعدات.

لسنوات طويلة، ركز المهندسون على الحفاظ على توازن هذه المكثفات، معتبرين مستويات الجهد هي المشكلة الأساسية التي يجب حلها. لكن دراسة جديدة أجراها تشان ليو وزملاؤه في مؤسسة بحثية في الصين تشير إلى أن مجرد موازنة المكثفات ليس كافياً عندما يتذبذب الجهد بشكل كبير. فقد اكتشف الباحثون أن فعل انحراف جهود المكثفات بعيداً عن قيمها المثالية يغير شكل موجة المخرج بطريقة تفشل طرق التحكم القياسية في تصحيحها. يؤدي هذا التشوه إلى زيادة ملموسة في إجمالي التشوه التوافقي، وهو مقياس يحدد مدى "فوضوية" التيار الكهربائي. وقد سعى الفريق لفهم كيفية تسبب تقلبات الجهد هذه في إفساد شكل الموجة بدقة، وإيجاد طريقة لإصلاح شكل الموجة دون التضحية بالمهمة الدقيقة المتمثلة في الحفاظ على توازن المكثفات.

بدأ الباحثون برسم مسارات العمل الداخلية للمحول. ووجدوا أن الآلة تعمل عبر التبديل بين ثماني حالات مختلفة، مثل التروس في ناقل الحركة، لتوليد مستوياتها الخمسة من الجهد. في العالم المثالي، ستنتج هذه المفاتيح مخرجاً خالياً من العيوب. ولكن في الواقع، عندما تتقلب المكثفات، يتغير الجهد الناتج عن معظم حالات التبديل هذه قليلاً؛ فبعض الحالات تنتج جهداً عالياً جداً، بينما تنتج حالات أخرى جهداً منخفضاً جداً، اعتماداً على الشحنة المخزنة في المكثفات في تلك اللحظة تحديداً. هناك حالتان محددتان فقط تظلان غير متأثرتين بهذه التقلبات. أدرك الفريق أن النهج القياسي، الذي يعامل جهد المخرج كقيمة ثابتة بغض النظر عن حالة المكثفات، كان هو السبب الجذري لتفاقم التشوه. فمن خلال تجاهل الجهد اللحظي للمكثفات، كان نظام التحكم يعمل أساساً وكأنه يحاول رسم خط مستقيم على ورقة تتعرض للالتواء باستمرار.

ولحل هذه المشكلة، طور الفريق استراتيجية جديدة تعتمد على مبدأ أساسي يسمى "توازن فولت-ثانية" (volt-second balance). تخيل أنك تحاول ملء دلو بالماء باستخدام خرطوم يتغير ضغطه؛ لكي تحصل على نفس كمية الماء تماماً كما لو كنت تستخدم خرطوماً ثابتاً، سيتعين عليك تعديل المدة التي تبقي فيها الخرطوم مفتوحاً. وبالمثل، أدرك الباحثون أنه إذا انخفض مستوى الجهد بسبب عدم توازن المكثفات، فيجب على النظام إبقاء ذلك الجهد المنخفض نشطاً لفترة أطول لتقديم نفس إجمالي الطاقة. لقد ابتكروا طريقة لحساب هدف جديد ومعدل لإشارات التحكم في الوقت الفعلي. فبدلاً من استهداف الجهد المثالي، يستهدف النظام الآن جهداً معدلاً يعوض الحالة الحالية للمكففات. ويتم حساب هذا التعديل من خلال النظر في الجهد اللحظي للمكثفات والمكثف الطائر (flying capacitor)، الذي يعمل كمخزن مؤقت داخل الدائرة.

يكمن جوهر ابتكارهم في كيفية استخدامهم لحالات التبديل الفائضة في الآلة. يحتوي المحول على أزواج من المفاتيح التي يمكنها إنتاج نفس جهد المخرج ولكنها تؤثر على المكثفات بطرق متعاكسة؛ حيث يقوم أحد الأزواج بشحن مكثف بينما يقوم الآخر بتفريغه. يستخدم الباحثون هذه الأزواج لإدارة توازن المكثفات، مما يضمن بقاء الجهود ضمن نطاق آمن. وبمجرد إدارة التوازن، يقومون بتطبيق حساباتهم الجديدة على توقيت المفاتيح. ومن خلال تغيير مدة نشاط مفاتيح معينة بدقة، يقومون بإعادة تشكيل موجة المخرج لمواجهة التشوه الناتج عن عدم توازن الجهد. وهذا يسمح للنظام بالحفاظ على تدفق تيار نظيف حتى عندما تكافح المكثفات الداخلية للحفاظ على شحنة ثابتة.

اختبر الفريق هذا النهج من خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة وتجارب فيزيائية باستخدام نموذج أولي للمحول. في أحد سيناريوهات الاختبار، استخدموا مكثفات صغيرة لمحاكاة حالة يكون فيها تخزين الطاقة محدوداً، مما يسبب تقلبات كبيرة في الجهد. وتحت هذه الظروف الصعبة، أدت طريقة التحكم القياسية إلى مستوى تشوه في التيار بلغ 4.77 بالمئة. وعندما طبق الباحثون استراتيجية التحسين الجديدة الخاصة بهم، انخفض التشوه إلى 2.97 بالمئة، أي بانخفاض قدره نحو 38 بالمئة تقريباً. وفي سيناريو ثانٍ، حيث تم تشغيل النظام بسرعة أقل لمحاكاة محركات صناعية عالية القدرة، أنتجت الطريقة القياسية تشوهاً بنسبة 6.44 بالمئة، بينما خفضت الطريقة الجديدة هذا الرقم إلى 4.34 بالمئة. وقد ظلت هذه النتائج صحيحة حتى عندما اختبر الباحثون النظام مع ظروف حمل وإعدادات تعديل مختلفة، مما أثبت أن الطريقة تعمل عبر مجموعة واسعة من بيئات التشغيل.

تقدم هذه النتائج خطوة كبيرة للأمام لأنظمة الطاقة عالية الأداء، لا سيما في التطبيقات التي تكون فيها المكثفات الكبيرة والثقيلة غير مرغوب فيها أو حيث يجب أن يعمل النظام تحت ظروف قاسية. ومن خلال الإقرار بأن تقلبات جهد المكثفات ليست مجرد مشكلة توازن بل هي سبب مباشر لتشوه شكل الموجة، قدم الباحثون طريقة لتنقية مخرج الكهرباء دون إضافة أجهزة إضافية. ويُظهر عملهم أنه من خلال ضبط توقيت المفاتيم لتتناسب مع الحالة الصحية اللحظية للمكثفات، يمكن للمهندسين الحفاظ على تقديم طاقة عالية الجودة حتى عندما تكون المكونات الداخلية تحت الضغط. ويضمن هذا النهج استمرار المحول خماسي المستويات في توفير طاقة نظيفة وفعالة، مما يجعله حلاً أكثر قوة لمستقبل الطاقة المتجددة والدفع الكهربائي.