في سيناريوهات الإنتاج الصناعي واستهلاك الطاقة التجاري، أدى الاستخدام الواسع للأحمال غير الخطية (مثل محولات التردد، وأجهزة UPS، وإمدادات طاقة الحاسوب) إلى تفاقم مشاكل التيارات التوافقية (HC) والقدرة التفاعلية (RP). لا تقتصر هذه المشاكل على تسببها في أعطال مثل ارتفاع درجة حرارة المحولات، وزيادة خسائر الخطوط، واهتزاز المحرك، بل تُعيق أيضًا استقرار إمدادات الطاقة في أنظمة الطاقة. وباعتباره جهازًا أساسيًا لحل مشاكل جودة الطاقة هذه، يُحدد أداء مرشح الطاقة النشط (APF) بشكل مباشر فعالية التحكم التوافقي وتعويض القدرة التفاعلية. ستتناول هذه المقالة كيفية تحسين تصميم مرشح الطاقة النشط (APF) باستخدام تقنية مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA)، وتجاوز قيود الأداء للحلول التقليدية، وتزويد المؤسسات بحلول أكثر كفاءة لتحسين جودة الطاقة.
1. معضلة جودة الطاقة: لماذا تحتاج حلول APF التقليدية إلى الترقية بشكل عاجل؟
أثناء تشغيل نظام الطاقة، تعني "جودة الطاقة الجيدة" استقرار التفاعل بين مصدر الطاقة والمعدات الكهربائية. عندما تتوافق معلمات الجهد والتيار مع المعايير، يمكن للمعدات العمل بشكل طبيعي؛ إلا أن وجود التوافقيات والقدرة التفاعلية يُخل بهذا التوازن ويُسبب سلسلة من مشاكل السلسلة. تُسبب التيارات التوافقية تشوهات في الجهد، وتزيد من إجهاد الجهد على طبقة العزل في المعدات، وتُقصر عمر المعدات الأساسية مثل المحركات والمحولات. تُقلل القدرة التفاعلية من معامل قدرة شبكة الطاقة، وتؤدي إلى زيادة خسائر الخطوط، بل وتُسبب تقلبات في جهد الشبكة. على الرغم من أن المرشحات السلبية التقليدية (PF) قادرة في البداية على تثبيط التوافقيات، إلا أنها تعاني من عيوب مثل الحجم الكبير، وثبات التعويض، وارتفاع خطر الرنين، مما يجعلها غير قادرة على التكيف مع سيناريوهات الأحمال المعقدة والمتغيرة.
لمعالجة هذه المشكلات، ظهر مرشح الطاقة النشط (APF). مقارنةً بالمرشحات السلبية، يُولّد مرشح الطاقة النشط تيارات تعويضية عن طريق الكشف الفوري عن المكونات التوافقية والتفاعلية في تيارات الحمل. يتميز هذا المرشح بمزايا مثل صغر حجمه، ومرونة تعويضه، وانعدام مخاطر الرنين، مما يجعله الخيار الأمثل لمراقبة جودة التيار الكهربائي.
ومع ذلك، تعتمد حلول APF التقليدية في الغالب على DSP (معالج الإشارة الرقمية) أو المتحكمات الدقيقة لتنفيذ خوارزميات التحكم، وهناك ثلاثة اختناقات رئيسية. أولاً، معدل أخذ العينات محدود. تؤدي خاصية التشغيل التسلسلي لـ DSP إلى فترات أخذ عينات طويلة، مما يجعل من الصعب تتبع التيارات التوافقية المتغيرة بسرعة في الوقت الفعلي. ثانيًا، يكون تأخير الحساب مرتفعًا. تتطلب الخوارزميات الأساسية مثل إطار المرجع المتزامن (SRF) عمليات رياضية معقدة، مما يؤدي إلى ارتفاع انشغال وحدة المعالجة المركزية لـ DSP وعرضة لتأخيرات التعويض. ثالثًا، الدقة غير كافية. تجعل الأخطاء التشغيلية على مستوى البرنامج وقيود موارد الأجهزة من الصعب على دقة تعويض APF تلبية السيناريوهات الصناعية عالية الطلب (مثل التصنيع الدقيق ومراكز البيانات). تؤثر هذه الاختناقات بشكل مباشر على أداء APF، وهناك حاجة ماسة إلى بنية أجهزة أكثر كفاءة للتقدم - تقنية FPGA هي المفتاح لحل هذه المشكلة.
2. FPGA وتمكين APF: المزايا الأساسية والهندسة التقنية
تُلبي خصائص التشغيل المتوازي وموارد الأجهزة القابلة للتخصيص في FPGA متطلبات الوقت الفعلي والدقة العالية لمرشح الطاقة النشط (APF). وبالمقارنة مع حلول DSP، يتميز مرشح الطاقة النشط (APF) القائم على FPGA بثلاث مزايا أساسية. أولًا، التشغيل المتوازي دون تعويض التأخير. يُمكن لـ FPGA تنفيذ مهام متعددة في وقت واحد، مثل الكشف عن التوافقيات ومزامنة الطور وتوليد تعديل عرض النبضة (PWM)، متجنبًا تأخير التشغيل التسلسلي لـ DSP، كما تزيد سرعة استجابة التعويض بأكثر من 50%. ثانيًا، تخصيص الأجهزة مع استخدام عالٍ للموارد. من خلال وحدات الأجهزة المخصصة (مثل المُجمعات والمضاعفات)، يُمكن لـ FPGA تحسين الخوارزميات الأساسية لـ APF (مثل SRF)، وتقليل العمليات المكررة، وزيادة دقة الحساب إلى 0.1%. ثالثًا، مرونة التكيف للتوافق مع سيناريوهات متعددة. تدعم الخاصية القابلة لإعادة التكوين لـ FPGA التعديل السريع لمعلمات تعويض APF للتكيف مع خصائص الحمل للصناعات المختلفة (مثل الصناعة الكيميائية، والطاقة الجديدة، والرعاية الطبية).
2.1 البنية الأساسية للأجهزة في APF المستندة إلى FPGA
لتحقيق تشغيل عالي الأداء لـ APF، تحتاج بنية FPGA إلى دمج وحدتين رئيسيتين: حلقة ثلاثية الطور مقفلة الطور (3φ PLL) ووحدة تحكم تيار موجه.
(1) وحدة PLL ثلاثية الطور: تحقيق مزامنة دقيقة بين APF وشبكة الطاقة
يعتمد تأثير تعويض APF على تزامن الطور مع جهد شبكة الطاقة. لا يمكن توليد تيار تعويض معاكس للتيار التوافقي إلا من خلال الحصول الدقيق على معلومات الطور لجهد شبكة الطاقة. تُعرَّض وحدة PLL التقليدية (مثل طريقة كشف تقاطع الصفر) لفقدان القفل في ظل التداخل التوافقي والضوضاء. ومع ذلك، تضمن وحدة PLL ثلاثية الطور المُستخدمة في FPGA دقة التزامن من خلال تصميمات خاصة. يحول كشف الطور، القائم على تحويل بارك، جهد الشبكة ثلاثي الطور (Va، Vb، Vc) إلى مكونات تيار مستمر في نظام إحداثيات dq، ويصحح أخطاء الطور في الوقت الفعلي من خلال وحدة تحكم PI لضمان أن يكون خطأ تزامن الطور أقل من 0.5%. تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) الداخلية لـ FPGA لتخزين جدول موجة جيبية ربع دورة (بناءً على تماثل دالة الجيب) لتقليل استهلاك موارد التخزين. في الوقت نفسه، تُستخدم آلة الحالة المحدودة (FSM) للتحكم في توليد العناوين، وتُخرج إشارات الجيب/جيب التمام المتزامنة مع شبكة الطاقة بسرعة. صُممت وصلة تعديل PI كوحدة أجهزة لتجنب تأخير تشغيل البرنامج، كما يُقلل زمن قفل الطور إلى 10 مللي ثانية، مما يُتيح التكيف مع تقلبات تردد شبكة الطاقة (مثل 49.5 هرتز إلى 50.5 هرتز).
(2) وحدة التحكم في التيار الموجه: تحقيق تتبع تيار عالي الدقة لـ APF
تتمثل المهمة الأساسية لـ APF في توليد تيار تعويض (Ic) معاكس للتيار التوافقي. يحتاج مُتحكم التيار المُوجَّه إلى تتبع تيار المرجع (Ir) آنيًا وتوجيه العاكس عبر إشارات PWM. يُحسِّن مُتحكم التيار المُوجَّه المُطبَّق بواسطة FPGA دقة التتبع من خلال تقنيات مُحدَّدة. يتم ضبط طبقتين من حلقات التباطؤ (Mi هي عتبة التباطؤ الداخلية، Mo هي عتبة التباطؤ الخارجية). عندما يتجاوز تيار الخطأ (ΔI) Mo، يتم تبديل مُتَّجه الجهد بسرعة لإجبار ΔI على العودة. عندما يكون ΔI بين Mi وMo، يُتوقَّع أن يُحسِّن مُتَّجه الجهد المرجعي (Vref) خرج PWM، ويُخفِّض تردد التبديل، ويُخفِّض استهلاك الطاقة لـ APF. بناءً على القطاع الذي يقع فيه تيار الخطأ (ما مجموعه 6 قطاعات، تغطي متجه تيار بزاوية 360 درجة)، يُختار متجه الجهد الأمثل من خلال مُفكك تشفير أجهزة FPGA لضمان أن يكون التشوه التوافقي الكلي (THD) لتيار التعويض أقل من 3% (أقل بكثير من نسبة 5% المطلوبة في المعيار الوطني GB/T 14549-1993). تُستبدل عمليات الضرب بعمليات التحويل (على سبيل المثال، يُضبط معامل التكامل Ki على قوة 2) لتقليل استهلاك موارد مُضاعف FPGA، ويبلغ معدل استخدام الشريحة 3% فقط، مما يُتيح مساحة لتوسيع الدالة لاحقًا.
3. التحقق من أداء APF المستند إلى FPGA: تطبيقات البيانات والسيناريو
لتحقق من تحسين أداء APF بواسطة حل FPGA، استخدمنا أدوات تطوير Xilinx 14.7 ومحاكي ModelSim 6.3f، وقمنا ببناء منصة اختبار تعتمد على لوحة تطوير Spartan 3 FPGA، وقارنا المؤشرات الرئيسية لـ APF التقليدي القائم على DSP وAPF القائم على FPGA، وتحققنا من التأثير في السيناريوهات الصناعية الفعلية.
فيما يتعلق بمؤشرات الأداء الأساسية، يبلغ خطأ تزامن الطور في مُرشِّح APF التقليدي القائم على معالج الإشارة الرقمية (DSP) ±2 درجة، بينما يُخفِّض مُرشِّح APF القائم على FPGA هذا الخطأ إلى ±0.5%، بتحسن قدره 75%. يبلغ زمن استجابة التعويض في الحل التقليدي 20 مللي ثانية، بينما يُخفِّضه مُرشِّح APF القائم على FPGA إلى 8 مللي ثانية، بتحسن قدره 60%. أما دقة تتبع التيار، فتبلغ ±1% في الحل التقليدي، بينما يُحسِّن مُرشِّح APF القائم على FPGA هذه الدقة إلى ±0.1%، بتحسن ملحوظ. في مُرشِّح APF القائم على FPGA، يبلغ معدل استخدام شريحة وحدة PLL 3% فقط، بينما يبلغ معدل استخدام شريحة وحدة تحكم التيار الموجه 4%، مما يُقلِّل استهلاك موارد الأجهزة. بالنسبة لـ THD لتيار الحمل المُعَوَّض، يبلغ الحل التقليدي 4.2%، بينما يُخفِّضها مُرشِّح APF المُعتمد على FPGA إلى 2.8%، وهو أقل من مُتطلبات المعيار الوطني، بتحسن قدره 33%. يتضح من هذه البيانات أن مُرشِّح APF المُعتمد على FPGA يتفوق بشكل ملحوظ على الحل التقليدي في دقة المزامنة وسرعة الاستجابة وتأثير التعويض. وخاصةً في التحكم في THD، يُلبي هذا المُرشِّح تمامًا متطلبات السيناريوهات ذات جودة الطاقة العالية، مثل التصنيع الدقيق ومراكز البيانات.
في التطبيقات العملية، يعتمد إنتاج بطاريات المركبات العاملة بالطاقة الجديدة على أكوام شحن عالية التردد ومعدات لحام، وتكون التيارات التوافقية في الغالب من الرتبتين الخامسة والسابعة. بعد تطبيق مُرشِّح الطاقة المتقدم (APF) القائم على FPGA، تم تحقيق تحسينات كبيرة. انخفض عدد حالات توقف روبوتات اللحام بسبب تشوه الجهد من 5 مرات شهريًا إلى صفر، مما قلل بشكل كبير من معدل أعطال المعدات. انخفضت خسائر خطوط الكهرباء بنسبة 8%، مما وفر حوالي 20,000 يوان من تكاليف الكهرباء شهريًا، وخفّض تكلفة استهلاك الطاقة للمؤسسة. ارتفع معامل القدرة لشبكة الكهرباء من 0.82 إلى 0.98، مما أدى إلى تجنب غرامات معامل القدرة من شركة الكهرباء، وخفض النفقات غير الضرورية للمؤسسة.
4. التوقعات المستقبلية: اتجاه تطوير APF القائم على FPGA
مع تطور الصناعة 4.0 والطاقة الجديدة، ستصبح خصائص أحمال أنظمة الطاقة أكثر تعقيدًا، مثل الوصول إلى الخلايا الكهروضوئية الموزعة وأنظمة تخزين الطاقة، مما يفرض متطلبات أعلى لأداء مُرشِّح الطاقة المتقدم (APF). سيتم تطوير مُرشِّح الطاقة المتقدم (APF) القائم على FPGA في اتجاهات متعددة. من حيث التعاون متعدد الوحدات، يمكن تحقيق التشغيل المتوازي لعدة مُرشِّحات طاقة متقدم (APF) من خلال واجهات FPGA عالية السرعة (مثل PCIe)، والتي يمكنها التكيف مع الأحمال الصناعية البالغة ميغاواط وتلبية احتياجات مراقبة جودة الطاقة للمصانع الكبيرة والمجمعات الصناعية. في اتجاه تكامل الذكاء الاصطناعي، سيتم دمج خوارزميات ذكاء اصطناعي خفيفة الوزن (مثل الشبكات العصبية) لتمكين مُرشِّح الطاقة المتقدم (APF) من تحقيق تعويض تكيفي دون تعديل يدوي للمعلمات، مما يقلل تكاليف التشغيل والصيانة ويحسن مستوى ذكاء المعدات. في مجال الحوسبة الطرفية، وبالاقتران مع خصائص الطاقة المنخفضة لـ FPGA، سيتم تطوير معدات مُرشِّح الطاقة المتقدم (APF) على جانب الحافة للتكيف مع سيناريوهات مثل الشبكات الصغيرة ومحطات الطاقة غير المتصلة بالشبكة، مما يوسع نطاق تطبيق مُرشِّح الطاقة المتقدم (APF).
5. الخاتمة
باعتباره جهازًا أساسيًا لمراقبة جودة الطاقة، يُحدد أداء مُعالجة الطاقة (APF) بشكل مباشر استقرار الإنتاج وتكلفة استهلاك الطاقة للمؤسسات. لم تعد عوائق حلول معالجة الإشارات الرقمية (DSP) التقليدية قادرة على تلبية الاحتياجات الصناعية الحالية، بينما تُوفر تقنية FPGA حلاً مثاليًا لتحسين أداء مُعالجة الطاقة (APF) من خلال ثلاث مزايا: التشغيل المتوازي، وتخصيص الأجهزة، والتكيف المرن.
من التحقق الفني إلى التطبيق العملي، أثبت مُعالج الطاقة المُعتمد على FPGA قيمةً كبيرة: فهو لا يقتصر على خفض التشويه التوافقي الكلي (THD) لتيار الحمل إلى أقل من 3%، بل يُقلل أيضًا من معدلات أعطال المعدات واستهلاك الطاقة، مما يُحقق فوائد اقتصادية كبيرة للشركات. في المستقبل، ومع التطوير المستمر لتقنية FPGA ودمج الذكاء الاصطناعي والحوسبة الطرفية، سيصبح مُعالج الطاقة المُعتمد على FPGA مُكونًا أساسيًا في الشبكة الذكية، مُوفرًا حلولًا أكثر كفاءةً لمراقبة جودة الطاقة عالميًا، ومُساعدًا مُختلف الصناعات على تحقيق إمدادات طاقة خضراء ومستقرة وفعالة.
في هينجرونج للكهرباء، ندرك أهمية كل تفصيل في التحكم بالطاقة. من تصميم المنتجات المتطور إلى حلول الترشيح المبتكرة، نلتزم بتقديم تقنيات موثوقة وفعالة وجاهزة للمستقبل. باختيارك هينجرونج، ستحصل على أكثر من مجرد منتجات، بل ستحصل على شريك موثوق ملتزم بمساعدة أعمالك على تحقيق عمليات أكثر ذكاءً وأمانًا وصديقة للبيئة.