تكنولوجيا APF المبتكرة: كيف يعمل APF الهجين المتحول المستند إلى خوارزمية LQR - PSO على حل مشاكل التوافقيات في شبكة الطاقة؟

في تشغيل أنظمة الطاقة، أدى الارتفاع المفاجئ في الأحمال غير الخطية إلى تفاقم مشاكل التوافقيات في الجهد والتيار، مما أثر سلبًا على عمر المعدات، وخفض جودة إمداد شبكة الكهرباء. تعاني المرشحات السلبية التقليدية من عيوب مثل التعويض الثابت وسهولة الرنين. ومع ذلك، أصبحت مرشحات الطاقة النشطة (APF) المعدات الأساسية للتحكم في التوافقيات بفضل قدرتها على حقن التيار بمرونة. ستركز هذه المقالة على مرشحات الطاقة النشطة الهجينة القائمة على خوارزمية LQR-PSO (المنظم التربيعي الخطي - تحسين سرب الجسيمات)، وستُحلل بعمق مبادئها التقنية ومزاياها وآثار تطبيقاتها العملية، وستُقدم توجهًا جديدًا للتحكم في التوافقيات في شبكات الطاقة المؤسسية.

1. مشاكل التوافقيات في شبكة الطاقة: لماذا أصبح APF هو جوهر الحل؟

يمكن لطرق التحكم التوافقي التقليدية ، مثل مرشحات LC وبنوك المكثفات ، كبح التوافقيات إلى حد ما، إلا أنها تعاني من عيوب واضحة: سعة تعويض ثابتة، وعدم القدرة على التكيف مع تغيرات الحمل؛ حجم كبير وتكلفة تركيب عالية؛ سهولة الرنين مع معاوقة شبكة الطاقة، مما يزيد من المخاطر الخفية لمصدر الطاقة. غيّر مرشح الطاقة النشط (APF) هذا الوضع تمامًا. فهو قادر على تعويض التوافقيات بدقة من خلال الكشف الفوري عن مكونات التوافقيات في شبكة الطاقة، وحقن تيار تعويض نشط بنفس المقدار والاتجاه المعاكس لتيار التوافقيات. علاوة على ذلك، يتميز بقدرة تعديل ديناميكية، ويمكنه الاستجابة بمرونة لمختلف سيناريوهات الحمل.

من بين طوبولوجيات APF المتنوعة، يجمع APF الهجين التحويلي بين مزايا الترشيح النشط والترشيح السلبي: يكون APF مسؤولاً عن قمع التوافقيات عالية الدرجة بدقة، ويتولى بنك المكثف وظائف تعويض القدرة التفاعلية وتوجيه التموج التوافقي، مما يقلل بشكل كبير من متطلبات سعة APF ويحسن كفاءة التحكم الشاملة.

2. التقدم التكنولوجي: كيف تعمل خوارزمية LQR - PSO على تحسين أداء مرشح التدفق الهوائي الهجين؟

تكمن الميزة التنافسية الأساسية لمرشح APF الهجين التحويلي في دقة خوارزمية التحكم. ومع ذلك، تواجه طرق التحكم التقليدية (مثل التحكم التفاضلي التكاملي التفاضلي (PID) والتحكم في المنطقة الميتة) مشاكل مثل بطء سرعة الاستجابة وتدهور الأداء تحت الأحمال غير الخطية. حققت خوارزمية التحكم LQR-PSO المقترحة في هذه المقالة نقلة نوعية في تأثير التحكم التوافقي من خلال تحسين معاملات التحكم في مرشح APF، ويمكن تقسيم منطقها التقني إلى حلقتين أساسيتين:

1. وحدة تحكم LQR: بناء إطار عمل تحكم مثالي لـ APF

يُعدّ المُنظِّم التربيعي الخطي (LQR) بمثابة "العقل" لوحدة تحكم مُرشِّح النبضات المُتفرِّقة (APF). فهو يحسب الكسب الأمثل للتغذية الراجعة عن طريق تقليل مؤشر الأداء التربيعي (بما في ذلك التكامل المُرجَّح لمتغيرات الحالة ومُدخلات التحكم)، مما يضمن أن يتتبّع تيار التعويض الصادر عن مُرشِّح النبضات المُتفرِّقة (APF) الإشارة التوافقية بدقة. في مُرشِّح النبضات المُتفرِّقة الهجين، تكون أهداف التحكم في مُرشِّح النبضات المُتفرِّقة (LQR) واضحة:

• الضبط في الوقت الحقيقي لحالة تبديل العاكس لـ APF لتوليد تيار التعويض المطلوب.
• قمع تموجات التردد العالي الناتجة عن التبديل السريع لـ APF لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي مع شبكة الطاقة .
• إن الحفاظ على الجهد الثابت للمكثف الداخلي لـ APF ضروري لضمان أداء التعويض المستمر والموثوق به.

يعتمد أداء مُحسِّن التردد (LQR) على قيم مصفوفة ترجيح الحالة Q ومصفوفة ترجيح التحكم R. تُحدد مصفوفة Q التركيز على متغيرات حالة مُحسِّن التردد (APF) (مثل تيار المرشح وجهد المكثف)، بينما تُوازن مصفوفة R استهلاك الطاقة لمدخل التحكم. عند استخدام "طريقة التجربة والخطأ" التقليدية لضبط Q وR، فإنها لا تُستهلك وقتًا وجهدًا فحسب، بل تُصعِّب أيضًا إيجاد المعلمات المُثلى، مما يُحدّ بشكل مباشر من تأثير كبت التوافقيات لمُحسِّن التردد (APF).

2. خوارزمية PSO: تحقيق "تحسين دقيق" لمعلمات التحكم في APF

أدى إدخال خوارزمية تحسين سرب الجسيمات (PSO) إلى حل مشكلة ضبط معاملات LQR بشكل كامل. تُحاكي خوارزمية PSO سلوك البحث عن الطعام للمجموعات البيولوجية. ومن خلال البحث التكراري عن "جسيمات" متعددة (المقابلة لمجموعات المعاملات المرشحة Q وR) في مساحة الحل، تُحدد الخوارزمية بسرعة قيم المعاملات التي تُحسّن أداء APF. تتجلى مزاياها في:

• كفاءة عالية: مقارنةً بالخوارزميات الوراثية وخوارزميات مستعمرات النحل الاصطناعي، لا يتطلب نظام PSO عمليات ترميز معقدة وعمليات طفرة متبادلة. فهو يبحث عن الحل الأمثل فقط من خلال تحديث سرعة وموقع الجسيمات، مما يُقلل بشكل كبير من وقت ضبط المعلمات .
• متانة عالية: لا تعتمد على إعدادات المعلمات الأولية. حتى لو كان توزيع الجسيمات الأولي عشوائيًا، فإنه يتقارب إلى الحل الأمثل العالمي، متجنبًا تقلبات أداء APF الناتجة عن انحراف المعلمات .
• قدرة جيدة على التكيف: يمكنها استهداف الخصائص الطوبولوجية لـ APF الهجين بشكل مباشر وأخذ الخطأ المطلق التكاملي (IAE) لتيار الفلتر وجهد المكثف كدالة لياقة، مما يضمن أن يكون هدف التحسين متسقًا للغاية مع احتياجات التحكم التوافقي لـ APF.

في المحاكاة الفعلية، قمنا بضبط 20 جسيم بحث و10 تكرارات لـ APF الهجين التحويلي، وحصلنا أخيرًا على المعلمات المثلى: مصفوفة Q هي مصفوفة قطرية diag([5.7267, 7.5435, 21.6203, 0.0001])، ومصفوفة R هي 0.0625. يمكن لوحدة تحكم LQR القائمة على هذه المعلمات أن تجعل تيار تعويض خرج APF أكثر سلاسة، وأن تُحسّن بشكل كبير دقة كبت التوافقيات.

3. التحقق من المحاكاة: ما هو التأثير العملي لـ APF الهجين LQR - PSO Shunt؟

للتحقق من الجدوى الفنية، استخدمنا MATLAB/Simulink لبناء نموذج محاكاة لمُرشِّح الطاقة الهجين التحويلي، مُحاكيين بذلك سيناريو شبكة كهربائية بأحمال غير خطية (مقومات ثنائية سداسية النبضات) وأحمال خطية (فروع RL ثلاثية الطور)، وقارنا فروق الأداء لمُرشِّح الطاقة الهجين مع وبدون تحكم LQR-PSO. وكانت النتائج مُذهلة.

1. قمع التوافقيات: يجعل APF إشارات الجهد والتيار أكثر سلاسة

بدون تحكم LQR-PSO، على الرغم من قدرة مُرشِّح APF على حقن تيار التعويض، إلا أنه بسبب تردد التبديل العالي، تظهر تموجات عالية التردد واضحة في إشارات جهد وتيار شبكة الطاقة. يتجاوز معدل تشوه التيار في جهة المصدر 15%، ويصل نطاق تذبذب الجهد في جهة الحمل إلى 20%، وهو ما لا يفي بمتطلبات المعيار الوطني GB/T 14549-1993 لتوافقيات شبكة الطاقة.

ومع ذلك، فقد حسّن مُرشِّح الطاقة الهجين التحويلي المُزوَّد بخوارزمية LQR-PSO هذا الوضع تمامًا من خلال التحكم الدقيق في المعلمات. يظل الجهد على جهة المصدر مستقرًا عند 176.7 فولت (القيمة المُصنَّفة)، وينخفض ​​معدل تشوه التيار إلى أقل من 3%. ويُحافظ على الجهد على جهة الحمل عند 150 فولت (مُطابقًا لجهد جهة المصدر)، وينخفض ​​نطاق تذبذب التيار إلى أقل من 5%. كما تحسَّن سلاسة الإشارة بأكثر من 80%، وهو ما يُلبي تمامًا معايير إمدادات الطاقة لشبكة الطاقة الصناعية.

2. تحسين القدرة: تم تقليل تيار حقن APF بنسبة 95%، مما أدى إلى خفض استهلاك الطاقة

لتعويض التوافقيات، يحتاج مُرشِّح التيار المتردد التقليدي إلى حقن تيار تعويضي قدره ±60 أمبير، مما لا يستهلك طاقة كهربائية كبيرة فحسب، بل يُسبب أيضًا ارتفاعًا كبيرًا في درجة حرارة العاكس. ومع ذلك، يُحسِّن مُرشِّح التيار المتردد الهجين المُتفرِّع، المُتحكَّم فيه بواسطة LQR-PSO ، استراتيجية التعويض، مُخفِّضًا تيار الحقن إلى ±3 أمبير، أي بنسبة تصل إلى 95%! هذا يعني انخفاضًا كبيرًا في فقدان الطاقة في مُرشِّح التيار المتردد، وإطالة عمر المعدات، وتقليل استهلاك الطاقة من شبكة الكهرباء، مما يُوفِّر تكاليف الكهرباء للمؤسسات.

3. سرعة الاستجابة: يتكيف APF مع تغييرات الحمل بشكل أكثر مرونة

في المحاكاة، قمنا بمحاكاة سيناريو طفرة حمل ( حمل غير خطي يُشغَّل فجأةً). يستغرق مُرشِّح الجهد الكهربي (APF) بدون مُتحكِّم LQR-PSO 0.05 ثانية لضبط تيار التعويض، وخلال هذه الفترة يرتفع التركيز التوافقي لشبكة الطاقة بشكل حاد. أما مُرشِّح الجهد الكهربي المُزوَّد بـ LQR-PSO، فيتميز بوقت استجابة مُختصر إلى 0.01 ثانية، مما يُتيح تتبع التغيرات التوافقية فورًا، وتجنب انخفاض الجهد وصدمات التيار في شبكة الطاقة، ويعكس مزايا الضبط الديناميكي بشكل كامل.

4. القيمة الصناعية: ما هو التنوير الذي تجلبه تقنية APF إلى التحكم في شبكة الطاقة للمؤسسات؟

لا يعد APF الهجين القائم على خوارزمية LQR-PSO ابتكارًا تكنولوجيًا فحسب، بل يمكنه أيضًا حل نقاط الضعف العملية للمؤسسات كثيفة الطاقة مثل التصنيع والصناعة الكيميائية ومراكز البيانات:

• خفض التكاليف وتحسين الكفاءة: يُسهم خفض تيار حقن APF بنسبة 95% في خفض استهلاك طاقة المعدات وتكاليف التشغيل والصيانة بشكل مباشر. كما يُجنّب أعطال المعدات الناتجة عن التوافقيات، ويُقلّل من خسائر التوقف عن العمل .
• الامتثال للمعايير: يساعد المؤسسات على تلبية المعايير الوطنية لتوافقيات شبكة الطاقة وتجنب الغرامات على جودة إمدادات الطاقة دون المستوى .
• التوسع المرن: تتمتع APF بقدرة تعويض ديناميكية يمكنها التكيف مع احتياجات التوسع في الحمل المستقبلية للمؤسسات دون الحاجة إلى استبدال معدات الترشيح بشكل متكرر.

في المستقبل، مع ربط توليد الطاقة الجديدة (الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح) بالشبكة على نطاق واسع، ستزداد مشكلة التوافقيات في شبكة الكهرباء تعقيدًا. وسيُصبح التحسين المستمر لتقنية APF (مثل دمج خوارزميات الذكاء الاصطناعي لتحسين القدرات التكيفية) مفتاحًا لضمان التشغيل المستقر لشبكة الكهرباء. بالنسبة للشركات، فإن وضع حلول APF القائمة على خوارزميات متقدمة مثل LQR-PSO مسبقًا لا يُسهم في حل مشاكل التوافقيات الحالية فحسب، بل يُرسي أيضًا أسسًا لتطوير شبكة الكهرباء على المدى الطويل.

خاتمة

من الترشيح السلبي التقليدي إلى التكرار التكنولوجي لمرشح الطاقة النشط (APF) ، ثم إلى ضخ حيوية جديدة في مرشح الطاقة الهجين التحويلي (APF) باستخدام خوارزمية LQR-PSO، يتطور التحكم التوافقي في شبكة الطاقة نحو "الدقة، وانخفاض استهلاك الطاقة، والموثوقية العالية". حقق مرشح الطاقة الهجين التحويلي المقترح في هذه المقالة إنجازًا مزدوجًا في تأثير كبت التوافقيات وكفاءة المعدات من خلال تحسين المعاملات والتحكم، مما يوفر حلاً عمليًا لتحسين جودة شبكة الطاقة في المؤسسات.

إذا كانت مؤسستك تواجه مشكلة في توافقيات شبكة الطاقة أو ترغب في معرفة المزيد عن تفاصيل تطبيق تقنية APF، فلا تتردد في التواصل معنا. سيُخصص فريقنا المتخصص حلاً حصريًا للتحكم في التوافقيات لضمان استقرار وكفاءة تشغيل شبكة الطاقة!

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.

www.hengrong-electric.com