عاكس غير متماثل جديد بخمسة عشر مستوى لتطبيقات الجهد المتوسط

ملخص

تقدم هذه المقالة عاكس متعدد المستويات غير متماثل جديد ب15 مستوى مع عشرة مفاتيح وثلاثة مصادر تيار مستمر. من خلال تحسين زوايا التبديل، تقوم تقنية الإزالة التوافقية الانتقائية المبنية على الذكاء الاصطناعي بتقليل THD وزيادة الكفاءة (>97٪). تؤكد التجارب والمحاكاة تحسن جودة الطاقة، وتقليل المكونات، وتوافق التطبيقات مع الجهد المتوسط.

الملخص

يتم عرض طوبولوجيا العاكس متعدد المستويات (MLI) غير متماثل بخمسة عشر مستوى بمفتاح منخفض لتطبيقات الجهد المتوسط، إلى جانب تقنية تحكم في الإزالة التوافقية الانتقائية (SHE) بمساعدة الذكاء الاصطناعي (AI). يتم استخدام عشرة مفاتيح أحادية الاتجاه وثلاثة مصادر تيار مستمر غير متساوية في الترتيب المقترح للحد من الجهد الكلي الثابت (TSV) مع إنتاج جهد خرج متدرج. لإيجاد أكثر زوايا التبديل فعالية لمؤشرات التعديل المختلفة، يتم استخدام استراتيجية تحكم هجينة تجمع بين شبكة عصبية اصطناعية (ANN) وطريقة نيوتن-رافسون (NR). يستخدم نموذج أولي تجريبي منخفض الجهد لاختبار أداء الطوبولوجيا المقترحة، والذي يتم تقييمه باستخدام محاكاة MATLAB/Simulink. تظهر النتائج أنه تحت ظروف التشغيل المقيمة، يمكن للعاكس إنتاج موجات خرج متعددة المستويات بمحتوى توافقي منخفض من الدرجة الأدنى وكفاءة تحويل جيدة. على نطاق الحمل المقدر، تتراوح الكفاءة المقاسة بين 98.6٪ و97.1٪، وتحت الظروف الاسمية، يلاحظ أن التشوه التوافقي الكلي (THD) هو 5.47٪. تحقق الطوبولوجيا المقترحة عددا أقل من المفاتيح وأداء تنافسي في TSV والتوافقيات تحت افتراضات تشغيل مماثلة، وفقا لتحليل مقارنة مع بعض طوبولوجيات العاكس متعددة المستويات من الأدبيات. ومع ذلك، وبما أن الظروف التشغيلية وإجراءات الرقابة ليست موحدة بالكامل عبر الأبحاث، فإن هذه المقارنات مفيدة فقط. بينما تهدف البنية المقترحة إلى التوسع القابل للتوسع نحو تطبيقات الجهد المتوسط، يتم إجراء التحقق التجريبي باستخدام نموذج أولي منخفض الجهد لتأكيد سلوك التبديل وقدرات التحكم. تظهر النتائج أن الطوبولوجيا وتقنية التحكم ممكنة، رغم أن التحقق التجريبي يتم عند مستويات جهد أقل. لتحقيق تطبيق أوسع، هناك حاجة إلى مزيد من التحقق في ظروف الجهد الأعلى وأطر قياس موحدة للاختبار.

المقدمة

وباعتبارها مصدرا معترفا به على نطاق واسع للطاقة المتجددة، تجذب الطاقة الشمسية الكثير من الاهتمام في البحث عن حلول طاقة مستدامة. تم استخدام تقنية الطاقة الشمسية على نطاق واسع بسبب التحسينات المستمرة في الكفاءة وتقليل التكاليف. تعد الطاقة الشمسية ضرورية لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وإبطاء تغير المناخ مع توجه الدول نحو أنظمة طاقة أكثر خضرة. تجعل الفوائد البيئية والفعالية من حيث التكلفة للطاقة الكهروضوئية (PV) مميزا من نوعه. الهدف من البحث وتطوير النظام المستمر هو تعظيم استخراج طاقة الخلايا الكهروضوئية مع ضمان تكامل سلس مع الشبكة. أصبحت العاكسات متعددة المستويات (MLIs) تقنية أساسية في السنوات الأخيرة بسبب قدرتها على إدارة مستويات الطاقة الكبيرة، وتوفر فوائد مثل تقليل خسائر التبديل، وجودة طاقة أفضل، وتقليل التشوه التوافقي مع تحسين قدرات التداخل الكهرومغناطيسي 1,2,3,4,5.

تستخدم MLIs مجموعة واسعة من مصادر التيار المستمر ودوائر الكهرباء المكونة من عدة مفاتيح أشباه موصلات لإنشاء موجات جهد متدرجة⁶. مع إضافة المزيد من المستويات، تتحسن جودة الموجة. ومع ذلك، فإن تزايد عدد المكونات يجعل من الصعب تحقيق موثوقية وكفاءة جيدة، مما يزيد التكاليف⁷. لكي تعمل الأنظمة التقنية المتعددة الأبعاد بشكل جيد، خاصة في تطبيقات الطاقة المتجددة، فإن وجود مصدر طاقة مستمر ثابت وموثوق أمر ضروري. من خلال التحكم في مستويات الجهد وتقليل التقلبات، تحسن محولات التيار المستمر والتيار المستمر جودة الجهد وموثوقية النظام بشكل كبير. على سبيل المثال، أظهر التحكم في وضع الانزلاق القوي لمحول تعزيز تربيعي، كما هو مقترح في^{الرقم 8}، تحسينات استجابة ديناميكية واستقرار نظامي. بطريقة مماثلة، يكشف التحليل المقارن لطوبولوجيات محولات التيار المستمر عالي الكسب في⁹ عن طرق متقدمة لتعزيز الجهد، والتي تؤهلها للدمج مع ال MLIs في تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

المكثف الطائر (FC)، الجسر H المتدرج (CHB)، والمثبت بالثنائم أو النقطة المحايدة (NPC) هي ثلاثة طوبولوجيات رئيسية ل MLI¹⁰. تشكل عاكس CHB عدة وحدات جسر H أحادي الطور، والذي يقسم إلى متغيرات متماثلة وغير متماثلة وفقا لمستويات جهد التيار المستمر¹¹. تنتج محولات CHB التقليدية ثلاثة مستويات إخراج: الصفر، والسالب، والموجب. يتم جمع جهد الخرج لكل وحدة لتحديد الجهد الإخراج الكلي ^12,13. بينما تمثل محولات FC وNPC صعوبات في توازن الجهد عند مستويات الجهد الأعلى، فإن محولات CHB مفضلة للتطبيقات في الجهد المتوسط والعالي¹⁴.

تم اقتراح هيكل فريد يحتوي على عدد أقل من المفاتيح في¹⁵، رغم أن له عيبا في الحاجة إلى عدة مصادر طاقة. لمواجهة هذه التحديات، يعد الاستخدام الأمثل لأجهزة أشباه الموصلات أمرا بالغ الأهمية. يتم تقديم طوبولوجيا عاكس غير متماثلة مع مفاتيح طاقة ثنائية الاتجاه في^{الرقم 16}، مما يزيد تكلفة العاكس عن طريق زيادة عدد IGBTs. تركز تصاميم أخرى على رفع مستويات الجهد مع تقليل عدد مفاتيح الطاقة^17,18. يستخدم محول جسر كامل لتحويل مخرج خطوة التيار المستمر الذي تنشئه الأنظمة إلى خطوة تيار متردد. بسبب قيود حجب الجهد في محول الجسر الكامل، تقتصر التطبيقات على حالات الجهد العالي.

تم تصميم عدة طوبولوجيات مبتكرة، مثل نظام الطور الثلاثي المكون من ثلاث وحدات أحادية الطور الموصوفة في دراسة¹⁹، لتقليل عدد المكونات للأنظمة أحادية الطور وثلاثية الطور. تستخدم بعض الطوبولوجيات MLI للوحدات الفرعية لإنتاج مخرجات متعددة المستويات مع عدد أقل من المفاتيح ومصادر التيار المستمر²⁰. تستخدم مفاتيح ثنائية الاتجاه متصلة بعكس التوازي في بعض الأنظمة لتقليل عدد المفاتيح والسماح بتوصيل التيار في كلا الاتجاهين^{21، 22، 23، 24}. يتم تقليل الجهد الحاجز عبر المفاتيح عن طريق الوحدات الفرعية المتتالية، مما يخلق إطارا معياريا. ومع ذلك، فإن زيادة مستويات الإخراج تسبب زيادة مماثلة في عدد المفاتيح، وهو ما لا يزال عيبا. لذا فإن تكوينات MLI الجديدة التي تقدم مستويات مختلفة أثناء قطع المكونات وجهد الحجب مطلوبة باستمرار، مما يؤدي في النهاية إلى خفض تكاليف العاكس. طوبولوجيا جديدة في MLI تسمى جسر H المكشوف تحتوي على وحدات أساسية متصلة على جانبي جسر^{كامل 25,26}. من ناحية أخرى، تركز تصاميم أخرى على تقليل إجهاد الجهد على مفاتيح الدائرة عن طريق التخلص من جسر H. ومع ذلك، تتطلب العديد من هذه الطوبولوجيات العديد من المكونات. لتقليل المفاتيح والمكثفات والجهد الثابت مع تحسين جهد الخرج خطوة²⁷، يبحث في تصميم عاكس هجين متعدد المستويات (HCFMLI) يتضمن خلايا قياسية بثلاثة أرجل وجسر H في القسم السفلي. في دراسة^28,29، تم تقديم مقارنة بين طوبولوجيات MLI المتسلسلة باستخدام تكوينات متماثلة وغير متماثلة.

تشير دراسة إلى تصميم متسلسل لمحولات متعددة المستويات يعتمد على وحدات شبه متعددة المستويات متصلة على التوالي، مع طريقتين لحساب مقادير مصادر التيار المستمر³⁰. تصف دراسة عاكسا متناثرا ب 13 مستوى يحتوي على 14 مفتاحا، وأربعة مكثفات، واثنين من الثنائيات الثنائية يستخدم مصدر تيار مستمر واحد لتوفير جهد خرج معزز بستة أضعاف³¹. جميع مستويات جهد الخرج الممكنة تنتج بواسطة طوبولوجيا التسلسل المقترحة في دراسة³²، وتظهر التحليلات المقارنة أنها متفوقة على المحولات متعددة المستويات الحديثة³³. تم تقديم MLI أحادي الطور مع جهود خرج متماثلة وغير متماثلة بواسطة الطوبولوجيا في دراسة^{أخرى 34}. يقدم بحث^{آخر 35} طوبولوجيا متعددة المستويات تعتمد على طور واحد تدعم تكوين مصدر مستمر غير متماثل، مما يحقق مخرجا من 15 مستوى مع تقليل المساحة والتكلفة.

على الرغم من توثيق عدة طوبولوجيات عاكس ذات خمسة عشر مستوى في الأدبيات، إلا أن اختلافات في التعقيد والتكلفة وأداء التوافقي ناتجة عن اختلافات في عدد المحولات، تكوين مصدر التيار المستمر، ومنهجيات التحكم. يلخص الجدول 1 مقارنة هيكلية لطوبولوجيات العاكس الممثلة ذات خمسة عشر مستوى لوضع التصميم المقترح في سياقه. تركز المقارنة على عوامل مهمة مثل عدد المفاتيح، ومصادر التيار المستمر، واستراتيجية التحكم. نظرا لاختلاف ظروف التشغيل وتدابير التقييم عبر الأبحاث، فإن هذه المقارنة موحية وتعتمد على تكوينات محددة.

يمكن تشكيل هذه المساهمة في العمل إلى تصنيفين: (1) مساهمة في الطوبولوجيا، تتكون من عاكس مكون من خمسة عشر مستوى يعتمد على طوبولوجيا غير متماثلة مع عدد أقل من المفاتيح؛ و(2) مساهمة في التحكم، تستخدم تقنية الإزالة التوافقية الانتقائية (SHE) المدعومة بالذكاء الاصطناعي لإيجاد أفضل زوايا التبديل لإزالة التوافقيات ذات الترتيب الأدنى مع الحفاظ على التحكم الأساسي في الجهد. يستخدم الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) لتعلم العلاقة غير الخطية بين مؤشر التعديل وزوايا التبديل المثلى المستمدة من صياغة الحذف التوافقي الانتقائي (SHE) بشكل خاص في هذا العمل باسم "القائم على الذكاء الاصطناعي". من خلال تقديم حلول أولية شبه مثالية يتم تحسينها بعد ذلك عبر طريقة نيوتن-رافسون، تعمل شبكة الشبكة كمتنبئ قائم على البيانات يقلل بشكل كبير من الجهد الحسابي. مقارنة بالطرق العددية فقط، يسمح هذا النهج الهجين بتقارب أسرع وتطبيق عملي أسهل.

الهدف الرئيسي هو تطوير تصميم نظام أحادي الطور جديد يستخدم نهج المصدر غير المتماثل، مما يتيح توصيل التيار بعدد قليل من أجهزة الطاقة. تقترح هذه المقالة عاكس بسعة خمسة عشر مستوى (15 لتر) لتطبيقات منخفضة الجهد مثل توليد الطاقة الشمسية، والسيارات الكهربائية (EVs)، ومواصفات عالية الطاقة الأخرى. يوضح الشكل 1 ربط الألواح الشمسية على الأسطح، البطارية، خلايا الوقود، المكثف الفائق، محول DC-DC، وحمل القيادة الكهربائية عبر العاكس متعدد المستويات المقترح (MLI). التشغيل متعدد المستويات القابل للتوسع هو التركيز الرئيسي في تطوير العاكس المقترح. تهدف مفاهيم التصميم إلى تسهيل التوسع نحو تطبيقات الجهد المتوسط، مع مراعاة اختيار الأجهزة المناسب، وتصميم العزل، والمخاوف على مستوى النظام، حتى لو كان العمل الحالي يتحقق من صحة الطوبولوجيا باستخدام نموذج أولي مختبر منخفض الجهد. فيما يلي المساهمات الرئيسية لهذه الدراسة: 1) طوبولوجيا MLI غير متماثلة جديدة تعتمد على CHB، تحافظ على مستويات جهد خرج عالية مع استخدام مفاتيح أشباه موصلات أقل من الطاقة، 2) تحسين دالة التكلفة والجهد الثابت الكلي (TSV) لزيادة الاقتصاد والكفاءة، و3) تحليل المقارنة يظهر أن الطوبولوجيا المقترحة تتفوق على الأنظمة الحالية من حيث الكفاءة وتقلل من التشوه التوافقي الكلي (THD).

البروتوكول

تكوين الطوبولوجيا

يعرض الشكل 2 البنية الموصى بها، والتي تتكون من 10 مفاتيح وثلاثة مصادر جهد مرتبة بشكل غير متماثل. مصادر التيار المستمر في العاكس المقترح ذو 15 مستوى لها نسبة 1:2:4. هذه النسبة ليست عشوائية؛ تم اختياره لتقليل عدد مصادر التيار المستمر مع السماح بإنشاء مجموعة واسعة من تركيبات الجهد. تزيد القيم المختارة من عدد مستويات الإخراج من خلال السماح بإنتاج خطوات جهد منفصلة دون تكرار. جميع المواد المستخدمة في هذه الدراسة مدرجة في جدول المواد.

أوضاع التبديل

تظهر حالات التبديل لهذه الطريقة في الشكلين 3 و4. الأحمر يشير إلى مسار التوصيل والأخضر إلى المسار غير الموصل للمفاتيح المتطابقة في الشكلين 3 و4. يتم وضع عشرة مفاتيح بثلاثة مصادر جهد مفضلة لإنشاء مستويات بتسلسل طبيعي من المقادة. يسرد الجدول 1 المفاتيح المستخدمة لإنتاج مستويات الجهد اللازمة. في الجدول 2، 0 يرمز إلى عدم الموصلية، و1 يشير إلى مسار التوصيل للمفاتيح. أنماط التشغيل للطوبولوجيا المقترحة هي كما يلي.

0_{فولت تيار مستمر}: لتحقيق جهد صفري في هذا الوضع، إما S₁،_{S 2}، S₃، S₇، وS₉ توصل كما هو موضح في الشكل 3A.

±1 فولت_{تيار مستمر}: S₁،_{S 5}، S₆،_{S 7}، وS₉ توصل وفقا للأوضاع الموضحة في الشكل 3B للحصول على جهد خرج +1 فولت_{تيار مستمر} . للحصول على -1 فولت_{تيار مستمر} كجهد خرج، توصل S₂،_{S 3}،_{S 4}،_{S 8}، وS₁₀ كما هو موضح في الأوضاع المقابلة في الشكل 4A.

±2 فولت_{تيار مستمر}: للحصول على +2 فولت_{تيار مستمر} كهدية خرج، تعمل S₃،_{S 4}،_{S 6}،_{S 7}، وS₉ بالطريقة الموضحة في الشكل 3C. يتم توصيل S₁، S₂،_{S 5}،_{S 8}، وS₁₀ بنفس الطريقة الموضحة في وضع الشكل 4B لتحقيق خرج بجهد_{-2 فولت تيار مستمر}.

±3 فولت_{تيار مستمر}: لتوفير جهد خرج +3 فولت تيار مستمر موضح في الشكل 3D، S₁،_{S 3}،_{S 6}،_{S 7}، وS₉ على التوالي. كما هو موضح في الشكل 4C، S₂،_{S 4}،_{S 5}،_{S 8}، وS₁₀ توصل بطريقة مشابهة لإنتاج جهد خرج -3 فولت_{تيار مستمر} .

±4 فولت_{تيار مستمر}: S₁،_{S 2}،_{S 3}،_{S 7}، وS₈ يوصل بالطريقة الموضحة في الشكل 3E ليعمل +4 فولت_{تيار مستمر} كهضيفة الخرج. يتم توصيل S₄،_{S 5}،_{S 6}،_{S 9}، وS₁₀ في التسلسلات الموضحة في الشكل 4D، للحصول على جهد خرج -4_{فولت تيار مستمر}.

±5 فولت_{تيار مستمر}: تسلسل التبديل لتوليد +5 فولت_{تيار مستمر} كجهد خرج موضح في الشكل 3F. يوضح الشكل 4E نمط توصيل المفاتيح لتوفير مستوى جهد خرج -5_{فولت تيار مستمر}.

±6 فولت_{تيار مستمر}: أنماط التبديل المقابلة التي تنتج +6 فولت_{تيار مستمر} كجهد خرج موضحة في الشكل 3G. يوضح الشكل 4F نمط المفتاح المستخدم لتوفير جهد خرج -6_{فولت تيار مستمر}.

±7 فولت_{تيار مستمر}: S₁،_{S 3}، S₆،_{S 7}، وS₈ يوصل كما هو موضح في الشكل 3H لتطوير جهد خرج +7 فولت_{تيار مستمر}. توصل S₂،_{S 4}،_{S 5}،_{S 8}، وS₉ كما هو موضح في الشكل 4G لتحقيق جهد خرج -7 فولت_{تيار مستمر}.

طريقة التعديل

في هذا العمل، يستخدم تقنية التحكم منخفضة التردد لتحليل فعالية العاكس المقترح. يستفيد الحذف التوافقي الانتقائي (SHE) من منهجية تردد التبديل المنخفض لأداء تشغيل MLI. يتم القضاء على التوافقيات منخفضة الرتبة بكفاءة عبر SHE، مما يقلل أيضا من خسائر التبديل. ومع ذلك، فإن استخدام هذه الطريقة يتطلب حل عدة معادلات متعالية صعبة. يوضح الشكل 4 زوايا التبديل التي تم أخذها في الاعتبار لتناظر ربع الموجة. شكل الموجة لشكل موجة جهد خرج من مستوى m (m هو عدد فردي) له 2(m-1) زاوية تحويل. يوضح الشكل 5 تقسيم زوايا التبديل إلى أربعة أرباع. الزوايا الرئيسية للتبديل هي تلك الموجودة في الربع الأول، والذي يمتد من 0 إلى π/2. يمكن تحديد الزوايا الرباعية المتبقية بسهولة باستخدام زوايا التبديل الرئيسية.

لتقليل التشوه الكلي التوافقي الكلي للعاكس (THD)، تهدف تقنية SHE إلى إزالة التوافقيات ذات الرتبة الأدنى. نظرا لأن المخرج يحتوي على 15 مستوى، يستخدم المحول المقترح SHEPWM لاستهداف وإزالة التوافقيات ذات الترتيب الأدنى مثل الثالثة، الخامسة، السابعة، التاسعة، الحادية عشرة، والثالثة. يمكن استخدام مرشحات صغيرة لقمع التوافقيات ذات الرتبة العليا بنجاح. يتم الحصول على تعبيرات موجة جهد الخرج الرياضية باستخدام سلسلة فورييه. المعادلات التالية توفر هذه التعبيرات:

(1)

حيث يوجد مكون ₀= DC

a_n = توافقي زوجي

b_n=الهارمونيك الفردي

في هذه الحالة

(2)

(3)

(4)

تماثل ربع دورة الموجة الخارجة يلغي التوافقيات ذات الترتيب الزوجي (a_n = 0) ومكون DC (a₀ = 0)، تاركا فقط التوافقيات الفردية (b_n). لذلك، يعبر عن معادلة خرج العاكس متعدد المستويات كما يلي

(5)

وبما أنه عاكس ب 15 مستوى، يتم استخدام 7 زوايا إشعال لتحديد الجهد الأقصى لكل مكون توافقي لمدة ربع دورة واحدة. المعادلات التالية تمثل مكونات التوافقية القروة.

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

من الضروري ضبط مقاييس جهد التوافقيات من الدرجة الثالثة والخامسة والسابعة والتاسع والحادية عشرة والثالثة عشرة على صفر المعادلات أعلاه لإزالتها من الحمل.

(13)

يمكن حساب مؤشر التعديل (M) للعاكس بواسطة

(14)

تستخدم طريقة نيوتن-رافسون (NR) لحساب زوايا الإطلاق، والهدف الرئيسي من SHE PWM هو تقليل القيم التوافقية قدر الإمكان. يبدأ نهج NR حل المعادلات غير الخطية بتقدير أولي، وهو رقم عشوائي بين 0 و90^◦. يتم تمثيل التكرارات مع الأعداد بواسطة j و e. يتضمن نهج NR الإجراءات التالية.

الخطوة 1: لتحديد زوايا الإطلاق، يتم تعيين القيم الأولية.

(15)

الخطوة 2: استخدم مصفوفة جاكوبيان للمتغيرات "n" في تكرارات "k" لحساب قيم المعادلة غير الخطية و dα.

(16)

(17)

الخطوة 3: إذا كان δα أكبر من العتبة، كرر الخطوة 4. إذا كانت العتبة تساوي أو أكبر من δα، توقف العملية.

الخطوة 4: بعد تحديث المعادلة (18) للقيمة α، انتقل إلى الخطوة 2.

(18)

لتحديد زوايا التبديل المثالية، يستخدم الشبكات العصبية الاصطناعية (ANN) ونهج نيوتن-رافسون. بالنسبة لإجراء التدريب، تحتاج الشبكة العصبية إلى مدخلات أولية. الطبقات الداخلية للشبكات العصبية الاصطناعية المستخدمة في هذه الطريقة موضحة في الشكل 6. لتوفير الزوايا المثالية للتحويل، يتكون من طبقتين مخفيتين (H₁ و H₂) موضوعتين بين طبقتي الإدخال والإخراج وطبقة إدخال واحدة بقيمة V_dc. يتم جعل النموذج غير خطي باستخدام دالة تفعيل "تانه"، والتي تتراوح نطاقها من -1 إلى 1′. من خلال تخصيص وزن لكل من مدخلاتهم، يتم حساب الخلايا العصبية الفردية (Y_i). K هي قيمة بين 0 وعدد الخلايا العصبية في الطبقة السابقة. يتم تكبير قيم الإخراج ضمن النطاق المحدد باستخدام دالة tanh. فيما يلي وصف لهذا

(19)

يجدر بالذكر أن W_k يرمز إلى وزن كل خلية عصبية، وX_k لخرج الخلايا العصبية k، وBi لتحريز الطبقة المخفية. يتم حساب مقاييس الخطأ باستخدام متوسط مربع الخسارة (MSE). يستخدم نهج الانتشار العكسي، الذي يستخدم محسن آدم لتعديل أوزان كل طبقة، لتقليل فقدان الخطأ.

(20)

يصف مخطط الانسيابية في الشكل 7 إجراء تحسين خوارزمية ANN-NR الهجينة. تستخدم تقنية هجينة بين الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) وتقنية نيوتن-رافسون (NR) لضمان حساب دقيق وفعال حسابيا لزوايا التبديل المثلى، حيث يتم حل معادلات الحذف التوافقي الانتقائي غير الخطي (SHE) باستخدام طريقة نيوتن-رافسون على نطاق مؤشر تعديل 0.6 ≤ M ≤ 1.0 لإنشاء مجموعة بيانات التدريب خارج الاتصال. مجموعات زوايا تبديل صالحة (α_₁–α₇) التي تلبي متطلبات إزالة التوافقيات للتوافقيات الثالثة والخامسة والسابعة والتاسع والحادية عشرة والثالثة عشرة يتم العثور عليها وحفظها لكل مؤشر تعديل،2. تشكل شبكة عصبية مدخلة تمثل مؤشر التعديل (M)، وطبقتان مخفيتان، وسبعة عصبونات إخراج تشير إلى زوايا التبديل α_₁ إلى α₇ شبكة عصبية متقدمة. هناك خمسة عشر عصبية عصبية في الطبقة الخفية الأولى وعشرة في الثانية. طبقة الإخراج لها دالة تنشيط خطية، لكن الطبقات المخفية تستخدم دوال تنشيط المماس الزائدي (tanh) لإضافة اللاخطية. يتم توحيد بيانات الإدخال والإخراج على النطاق [−1، 1] لتعزيز استقرار التدريب والتقارب. قبل التدريب، يتم تعديل مؤشر التعديل وزوايا التبديل بشكل مناسب، وأثناء الاستدلال، يتم إعادة تحجيمها.

يتم تقسيم مجموعة البيانات بنسبة 60:20:20 إلى مجموعات تدريب، تحقق، واختبار. تستخدم تقنية تحسين آدم بمعدل تعلم 0.001 ومتوسط تربيع الخطأ (MSE) كدالة فقدان لتدريب الشبكة. لتجنب الإفراط في التجهيز، يتم إجراء تدريب لمدة تصل إلى 1000 فترة مع توقف مبكر. يتوقف التدريب عندما ينخفض MSE إلى ما دون عتبة محددة مسبقا أو عندما لا يتحسن فقدان التحقق على مدى 50 فترة متتالية (معيار الصبر). يتم توفير تقديرات زاوية التبديل الأولية لمؤشر تعديل محدد بواسطة الشبكة الاصطناعية المدربة أثناء التشغيل. ثم يستخدم حل نيوتن-رافسون التكراري هذه التقديرات كشروط بداية. يضمن نهج NR إزالة توافقية دقيقة عن طريق ضبط مخرجات ANN لتحقيق معادلات SHE غير الخطية بشكل مثالي.

عندما تكون المقادير المتبقية للتوافقيات المقصودة (3–13) أقل من 0.5٪، وتفي زوايا التبديل بقيود الترتيب اللازم، يعتبر الحل صالحا:
0 < α₁ < α₂ < α₃ < α₄ < α₅ < α₆ < α₇ < π / 2. التقارب السريع والكبت التوافقي الموثوق عبر نطاق مؤشر التعديل بأكمله هما نتائج هذه الاستراتيجية الهجينة بين ANN–NR، التي تجمع بين الدقة الممتازة للتقنيات العددية التكرارية وقوة التنبؤ السريع للشبكات العصبية. يعرض الجدول 2 معلومات عن عدة معلمات (α₁ إلى α₇) وقياسات (^{5، 7،} 11^، و13⁾ لمجموعة من قيم MI. يبدو أن هذه الأرقام تعكس قياسات أو سمات مرتبطة بقيم MI. يوضح الشكل 8A كيف تتغير زوايا التبديل بالنسبة لمؤشر التعديل، ويوضح الشكل 8B كيف يتغير ترتيب التوافقات بالنسبة لمؤشر التعديل.

تحليل الأداء

في هذه الدراسة، نقيم أداء العاكس غير المتماثل المقترح ذو خمسة عشر مستوى من خلال التركيز على توزيع إجهاد الجهد، وكفاءة التحويل، وخصائص فقدان الطاقة، واستخدام الجهاز—وكلها تؤثر مباشرة على التنفيذ العملي. يتم جمع أقصى جهود حجب عبر جميع المفاتيح تحت ظروف تشغيل مختلفة لتحديد إجمالي الجهد الثابت (TSV). نلاحظ أن إجهاد الجهد لا يتوزع بالتساوي بين الأجهزة بناء على حالات التبديل الموضحة في الجدول 2. على سبيل المثال، تواجه المفاتيح S₁،_{S 2}،_{S 5}،_{S 9}، وS₁₀ جهود حجب من Vdc، 3V_dc، 2V_dc، 4V dc، و4V_dc و4V_dc على التوالي، عند مستوى العمل +6V_dc .

في هذا الإعداد، يكون إجهاد الجهد الأقصى لأجهزة التبديل المتصلة بالمصدر (V3) نفسه، بينما أجهزة التبديل المتصلة بمصادر (V1 و V2) لها قيم مختلفة. المعادلات التالية تعرض أقصى إجهاد جهدي للمفتاح.

V_S1 = V_S4 = V_{1 = V dc} (21)

V_S3 = V_S5 = V₂ = 2V_dc (22)

V_S2 = V_S6 = V₁ + V₂ = 4V_dc (23)

V_S7 = V_S8 = V_S9 = V_S10 = V₃ = 4V_dc (24)

حيث يمثل V_Sn أقصى إجهاد جهد للجهاز أثناء وضعه في وضع الإيقاف. يعبر عن إجمالي الجهد الثابت (TSV) للتصميم المقترح ب (25).

TSV = 2 * V_S1 + 2 * V_S3 + 2 * V_S2 + 4 * V_S7 = 30 فولت_{تيار مستمر} (25)

ترتيب مصدر التيار المستمر غير المتماثل وتسلسل التبديل ينتجان مباشرة عن ملف الإجهاد غير المنتظم الموضح في الشكل 9. يتطلب التوزيع غير المتساو تصنيفا دقيقا للجهاز واختياره لمنع زيادة الإجهاد في المكونات، رغم أن TSV الكلي أقل من التصاميم التقليدية. في إطار الطوبولوجيا المقترحة، نقوم أيضا بتقييم العلاقة بين عدد المفاتيح ومستويات الجهد الممكنة. تستخدم البنية الحالية 10 مفاتيح لتحقيق خمسة عشر مستوى، على عكس الهياكل المتسلسلة التقليدية حيث يتطلب تحسين المستوى عادة زيادات متناسبة في المكونات. وفقا لتحقيقنا، يتم إعادة استخدام مسارات التوصيل عبر عدة أوضاع تشغيل لتحقيق هذا التقليل. ومع ذلك، تقيد هذه الطريقة قابلية التوسع البسيطة إلى مستويات جهد أعلى وتضيف المزيد من القيود على منطق التبديل.

يتم الحصول على المعادلة (26) بحساب عامل التكلفة باستخدام جميع المصطلحات التي تعتمد على عدد المصادر (N_s)، عدد المفاتيح (N_sw)، عدد دائرة السائق (N_سائق)، عدد الديودات (N_{D)، عدد} المكثفات (N_C)، عامل التكلفة (CF)، والكفاءة. في هذه الحالة، يمثل δ عامل الوزن. تعطى المكونات وزنا أكبر عندما يكون δ أقل من 1، بينما يعطى الجهد الكلي الثابت (TSV) (p.u.) وزنا أكبر عندما يكون δ أكبر من 1. إذا كان δ = 1، فإن أوزان المكونات وTSV (p.u.) متساويان. بالنسبة لجميع الطوبولوجيات التي نوقشت في هذه الدراسة، يفترض δ أنها 1.

CF = N_s + N_sw + N_سائقين + N_D + N_C + δ*TSV(p.u.) (26)

غالبا ما تعبر كفاءة العاكس بالمعادلة (27).

(27)

حيث يتم تمثيل خسائر الطاقة الخارجة، الطاقة المدخلة، وخسائر الطاقة ب P_خارج، _{P داخل}، _وخسائر P على التوالي. خسائر التحويل وخسائر التوصيل هي الأنواع الثلاثة من خسائر الطاقة في الطوبولوجيا المقترحة. خسائر التبديل: هذه الخسائر تنتج عن تشغيل وإيقاف الأجهزة بسرعة في دورة واحدة. تستخدم الصيغة للتعبير عن خسائر التبديل الناتجة عن الانتقالات.

 

(28)

(29)

يرمز إلى فقدان التشغيل، وفقدان الإيقاف، وحالة الإيقاف في مفتاح ith ب P_swlturnon(i)، P_swltunoff(i)، وV_swoff على التوالي. _{تشغيل وإيقاف} i يمثلان التيارات في حالة التشغيل والإيقاف في المفتاح. المعادلة (30) توضح كيف يتم جمع هذه الخسائر لتحديد إجمالي خسائر التبديل (P_sw(الإجمالي)).

(30)

خسائر التوصيل: تمثل خسائر التوصيل في المفتاح كالتالي

(31)

(32)

حيث تمثل V_دون وV_swan انخفاضات الجهد على الحالة للديود والمفتاح على التوالي، وP_Dcon و P_swcon تمثل خسائر التوصيل للديود والمفتاح. تمثل مقاومة الديود والمفتاح على الحالة بواسطة R_دون وR_swon، بينما تمثل تيارات المتوسط وRMS للمفتاح بواسطة i_Davg، i_swavg،_{i Drms}، وi_swrms.

بالنسبة للأجهزة المختارة، تستخدم خصائص قائمة على ورقة البيانات القياسية لتكوين نماذج أشباه الموصلات PLECS. يتم تحديد خسائر التبديل (_{P تشغيل}، P_إيقاف)، ومعاملات التوصيل (R_Don، _{V Don})، والمقاومات الحرارية باستخدام قيم اسمية في ورقة البيانات ويتم تحجيمها داخليا بواسطة PLECS وفقا لظروف التشغيل الفورية عندما لا تتوفر ملاءمة كاملة للمنحنى من بيانات الشركة المصنعة.

باستخدام منصة المحاكاة PLECS الموضحة في الشكل 10، نقوم بتحليل الفقدان لتقييم تبديد الطاقة، مع الأخذ في الاعتبار ميزات الجهاز لكل من خسائر التوصيل والتبديل. نجد أن توزيع الخسائر يتغير بشكل كبير حسب الحمل. تسود خسائر التوصيل تحت الحمل المقاومي البحت لأن بعض المفاتيح تمر بتدفق تيار ثابت. من ناحية أخرى، يؤدي تأخر الطور بين الجهد والتيار إلى زيادة خسائر التحويل لأحمال RL، مما يؤدي إلى زيادة تبديد الطاقة أثناء انتقالات التبديل. تظهر الأشكال 11A و11B هذا السلوك، حيث تظهر بعض المفاتيح باستمرار تركيزات فقدان أكبر بناء على دورها في التوصيل.

كما هو موضح في الشكل 12، يتم حساب الكفاءة الإجمالية للعاكس بمقارنة القدرة الخارجة مع الطاقة الداخلة عبر مجموعة متنوعة من ظروف التشغيل (0–2000 واط). وفقا لنتائجنا، تنخفض الكفاءة إلى 97.1٪ بالقرب من الظروف المصنفة مقارنة ب 98.6٪ عند مستويات الطاقة المنخفضة. نفسر هذا الميل بالإشارة إلى أنه عندما يزداد مقدار التيار، تساهم خسائر التبديل والتوصيل بشكل أكبر. يشير التغير الملحوظ إلى أن آليات الفقدان تصبح أكثر وضوحا عند مستويات الأحمال الأعلى ويجب أخذها في الاعتبار في التصميم الحراري، رغم بقاء الكفاءة جيدة.

من الضروري التأكيد على أن هذه المقاييس المستمدة من خلال ظروف المحاكاة، التي تفترض نمذجة طفيليات مبسطة وسلوك تبديل مثالي. في التطبيقات الواقعية، يمكن أن تغير عناصر أخرى مثل إدخال الوقت الميت، وتأخيرات سائق البوابة، والحث العشوائي، وخصائص الأجهزة المعتمدة على درجة الحرارة الكفاءة وتوزيع الخسارة. وبالتالي، لا تعكس النتائج جميع التأثيرات التشغيلية الواقعية بالكامل، حتى وإن وفرت أساسا متسقا لتقييم المقارنة. تستخدم TSV، والكفاءة، وتوزيع الخسائر كثيرا كمعايير مقارنة في تحليل العاكس متعدد المستويات، ونهج تقييم الأداء المستخدم في هذا العمل يتماشى مع الإجراءات المقبولة في هذا المجال. ومع ذلك، نشير إلى أن الطوبولوجيا، وتقنية التبديل، وظروف التشغيل التي تم أخذها في الاعتبار في هذا العمل تعتمد جوهريا على النتائج الكمية.

يتم مقارنة العاكس غير المتماثل المقترح ذو خمسة عشر مستوى وبعض طوبولوجيات العاكس متعددة المستويات من الأدبيات في الجدول 3. تركز المقارنة على العوامل الهيكلية والمتعلقة بالأداء، مثل عدد المفاتيح، وعدد مصادر التيار المستمر، وتقنية التحكم، والخصائص العاملة للتشغيل. لوحظ أن بعض ترتيبات التيار، مثل تلك الموجودة^{في 24، 25}، تستخدم المزيد من المفاتيح (حتى 16) أو تعتمد على تقنيات التضمين الهجينة أو عالية التردد، مما قد يؤدي إلى زيادة تعقيد التحكم وخسائر في التبديل. على الرغم من أنها تعمل تحت أنظمة تعديل مختلفة وقيود تصميمية، إلا أن طوبولوجيات التحويل المخفضة الأخرى، مثل²⁷، تحقق عددا أقل من الأجهزة.

تحت إطار تحكم منخفض التردد قائم على SHE، تنتج البنية المقترحة إخراجا من خمسة عشر مستوى باستخدام عشرة مفاتيح وثلاثة مصادر تيار مستمر. عند مقارنتها ببعض التصاميم المرجعية، تظهر الطوبولوجيا عددا أقل للمفاتيح وجهد إجمالي ثابت معتدل (TSV) لهذا الإعداد وحالة التشغيل. ومع ذلك، يجب التأكيد على أن المقارنات المقدمة تستند إلى بيانات من الأدبيات، وأن ليس كل الدراسات تستخدم نفس ظروف التشغيل وأنظمة التعديل وافتراضات الأحمال. وبالتالي، من المستحيل إثبات التكافؤ المباشر. بدلا من تقديم خط أساس معدل بالكامل، تهدف المقارنة إلى تقديم تقييم هيكلي وموحي. بشكل عام، ضمن نطاق العمل المقيم، يوفر التكوين المقترح مقايضة قابلة للتطبيق بين عدد المكونات، وتعقيد التحكم، والأداء التوافقي.

النتائج

نتائج المحاكاة

يتم محاكاة العملية ذات المستوى الخمسة عشر باستخدام واجهة MATLAB/Simulink. معلمات الحمل هي 100 Ω و100 مللي هرت على التوالي، وتصنف جهود المصدر لخمسة عشر مستوى إلى 100 فولت، 200 فولت، و400 فولت. يعمل العاكس المقترح عند تردد 50 هرتز، وهو تردده الأساسي. يظهر أداء العاكس تحت ظروف التحميل المقاومي في الشكل 13. يوضح الشكل 14 تشغيل العاكس تحت سيناريوهات تحميل مختلفة. يتم تصوير ظ...

المناقشة

يتم عرض طوبولوجيا العاكس غير المتماثل ذات الخمسة عشر مستوى ذات المفتاح المنخفض مع تقنية الإزالة التوافقية الانتقائية (SHE) المدعومة بالذكاء الاصطناعي في هذا المقال. الترتيب المقترح مناسب للتطبيقات ذات الجهد المتوسط مثل الأنظمة الشمسية وواجهات المحركات الكهربائية لأنه يحقق توازنا جيدا بين عدد المفاتيح، والجهد الكلي الثابت (TSV)، والأداء التوافقي. يمكن للطوبولوجيا توليد موجات جهد متدرجة عالية الجودة بكفاءة تتجاوز 97.1٪ تحت ظروف تشغيل اسمية، بما يتوافق مع نتائج المحاكاة والتجارب. يعد إطار ا...

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
Current Sensor	Hall-effect sensor	—	يستخدم لقياس التيار
DC Power Supply (Isolated)	Laboratory Supply	—	مصادر تيار مستمر معزولة بـ 10 فولت، 20 فولت، 40 فولت
Digital Storage Oscilloscope (DSO)	Tektronix	—	يستخدم لمراقبة الموجة وقياسها
DSP Controller	Texas Instruments	TMS320F28379D	يستخدم لتوليد النبضات وتنفيذ التحكم
Gate Driver Circuit	Custom-built Driver IC	IR2110	يستخدم للتحكم في تبديل MOSFET
Inductive Load	—	—	مكثف 30 مللي هنري
MATLAB/Simulink	MATLAB	الإصدار (2025a)	يستخدم للمحاكاة والتحليل
MOSFET	Infineon	IRFP460	مفتاح طاقة 500 فولت، 20 أمبير يستخدم في العاكس
PCB / Breadboard Setup	Custom	—	يستخدم لتنفيذ الأجهزة
Personal Computer	—	—	يستخدم للمحاكاة وبرمجة DSP
PLECS Software	PLECS	الإصدار (5.0.3.)	يستخدم لتحليل الحراريات والخسائر
Power Diode	ON Semiconductor	MUR860	ديود استعادة سريعة 600 فولت، 8 أمبير
Power Supply Unit	—	—	مصدر طاقة إضافي لدوائر التحكم والمحرك
Resistive Load	—	—	مقاوم طاقة 30 أوم
Voltage Probe	Tektronix	—	يستخدم للحصول على شكل موجة الجهد