بررسی کنترل محدودکننده جریان مبدل‌های شکل‌دهنده شبکه در شرایط اختلالات متقارن
وارون‌دهنده‌های شکل‌دهنده شبکه (GFM) به عنوان راه‌حلی قابل اجرا برای افزایش نفوذ انرژی‌های تجدیدپذیر در سیستم‌های برق با ظرفیت بالا شناخته شده‌اند. با این حال، آنها از نظر توانایی جریان بیش از حد فیزیکی با ژنراتورهای همزمان متفاوت هستند. برای محافظت از دستگاه‌های نیمه‌رسانا و حمایت از شبکه برق در شرایط اختلالات متقارن شدید، سیستم‌های کنترل GFM باید بتوانند نیازمندی‌های زیر را برآورده کنند: محدودیت اندازه جریان، مشارکت در جریان خطا و توانایی بازیابی پس از خطا. روش‌های مختلف کنترل محدودیت جریان در منابع علمی گزارش شده‌اند که شامل محدودکننده‌های جریان، امپدانس مجازی و محدودکننده‌های ولتاژ می‌شود. این مقاله مروری بر این روش‌ها ارائه می‌دهد. چالش‌های نوظهوری که باید برطرف شوند، از جمله جریان بیش از حد موقت، زاویه بردار جریان خروجی نامشخص، اشباع جریان غیرخواسته و ولتاژ بیش از حد موقت، مشخص شده‌اند.
1. مقدمه
رفتار منبع ولتاژ GFM وارون‌دهنده‌ها باعث می‌شود که جریان‌های خروجی آنها به شدت به شرایط سیستم خارجی وابسته باشد. در صورت بروز اختلالات بزرگ مانند کاهش ولتاژ یا پرش فاز در نقطه مشترک اتصال (PCC)، ژنراتورهای همزمان معمولاً می‌توانند 5-7 برابر جریان بیش از حد [8] تأمین کنند، در حالی که وارون‌دهنده‌های مبتنی بر نیمه‌رسانا فقط می‌توانند معمولاً 1.2-2 برابر جریان بیش از حد را تحمل کنند، که این امر از حفظ پروفیل ولتاژ در شرایط عادی جلوگیری می‌کند. محدودکننده‌های جریان معمولاً باعث می‌شوند که وارون‌دهنده در شرایط جریان بیش از حد مانند یک منبع جریان عمل کند، که می‌تواند تنظیم زاویه بردار جریان خروجی برای برآورده کردن نیاز مشارکت در جریان خطا را تسهیل کند. در مقایسه، روش‌های امپدانس مجازی و محدودکننده‌های ولتاژ می‌توانند رفتار منبع ولتاژ وارون‌دهنده GFM را تا حدی در شرایط اختلالات شدید حفظ کنند، که ممکن است بازیابی خودکار خطا را امکان‌پذیر کند. این مقاله این روش‌ها را بررسی می‌کند و چالش‌های نوظهوری که باید برطرف شوند را شناسایی می‌کند، از جمله جریان بیش از حد موقت، زاویه بردار جریان خروجی نامشخص، اشباع جریان غیرخواسته و ولتاژ بیش از حد موقت.
2. اصول روش‌های کنترل محدودیت جریان
شکل زیر مدل مداری ساده‌شده‌ای از یک وارون‌دهنده GFM متصل به شبکه را نشان می‌دهد. وارون‌دهنده GFM شامل یک منبع ولتاژ داخلی ve و امپدانس خروجی معادل است. امپدانس فیلتر در Ze شامل خواهد شد، اگر کنترل حلقه داخلی استفاده نشود. وقتی کنترل حلقه داخلی استفاده می‌شود، امپدانس فیلتر در Ze شامل نخواهد شد.
3. محدودکننده جریان
براساس نحوه محاسبه مرجع جریان اشباع‌شده i¯ref، سه محدودکننده جریان معمولاً برای وارون‌دهنده‌های GFM استفاده می‌شوند، از جمله محدودکننده لحظه‌ای، محدودکننده اندازه و محدودکننده براساس اولویت. نمایش یک محدودکننده لحظه‌ای در شکل (a) نشان داده شده است، که از یک تابع اشباع عنصری برای دستیابی به مرجع جریان اشباع‌شده i¯ref استفاده می‌کند. نمایش یک محدودکننده اندازه در شکل (b) ارائه شده است که فقط اندازه مرجع جریان اصلی iref را کاهش می‌دهد. زاویه i¯ref همانند iref حفظ می‌شود. شکل (c) اصول محدودکننده براساس اولویت را نشان می‌دهد که نه تنها اندازه iref را کاهش می‌دهد بلکه زاویه آن را به یک مقدار خاص ϕI اولویت می‌دهد. توجه داشته باشید که ϕI یک زاویه تعریف‌شده توسط کاربر است که نشان‌دهنده تفاوت زاویه بین i¯ref و محور d موجه به θ است.
4. امپدانس مجازی
روش امپدانس مجازی که مستقیماً مرجع مدولاسیون ولتاژ را تغییر می‌دهد و روش آدیتانس مجازی با حلقه کنترل جریان پیگیری سریع می‌توانند عملکرد محدودیت جریان خوبی در مواقع بروز اختلالات شدید داشته باشند. در مقایسه، روش امپدانس مجازی با کنترل حلقه داخلی محدودیت جریان را بر اساس فرضیه‌ای که مرجع ولتاژ vref توسط حلقه کنترل ولتاژ به سرعت پیگیری می‌شود، اعمال می‌کند. چون پهنای باند حلقه کنترل ولتاژ نسبتاً پایین است، ممکن است جریان بیش از حد موقت مشاهده شود. برای مقابله با این مسئله، روش‌های محدودیت جریان ترکیبی که امپدانس مجازی را با محدودکننده جریان براساس اولویت و محدودکننده اندازه جریان ترکیب می‌کنند، ارائه شده‌اند.
5. محدودکننده ولتاژ
محدودکننده‌های ولتاژ هدف دارند که تفاوت ولتاژ ∥vPWM−vt∥ را کوچک‌تر از ∥Zf∥IM کاهش دهند، که مرجع ولتاژ تولید شده توسط کنترل حلقه خارجی را برای محدودیت اندازه جریان تغییر می‌دهد. این روش یک راه‌حل پیشنهادی است زیرا نیاز به امپدانس مجازی تطبیقی که می‌تواند سیستم را در شرایط خاص ناپایدار کند، ندارد. برای محدودکننده‌های ولتاژ، حلقه کنترل داخلی معمولاً شفاف است، یعنی vPWM=vref. در نتیجه، یک نمودار مداری معادل از این روش محدودیت جریان بیان می‌شود.
