المقدمة شهدت أنظمة الطاقة الكهربائية في السنوات الأخيرة توسعاً ملحوظاً في استخدام مصادر الطاقة المتجددة، ولا سيما الطاقة الشمسية الكهروضوئية، نتيجة الحاجة إلى تقليل الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية وتحسين كفاءة منظومات القدرة. وتمثل عملية تحويل الطاقة الكهربائية المستمرة DC الناتجة من مصادر الطاقة المتجددة إلى طاقة متناوبة AC مناسبة للأحمال أو للشبكة الكهربائية أحد أهم التحديات في هذه الأنظمة. وتُعد العواكس متعددة المستويات Multilevel Inverters (MLIs) من التقنيات المهمة في إلكترونيات القدرة، لما توفره من إمكانية الحصول على جهد خرج قريب من الموجة الجيبية مع تقليل التشوه التوافقي الكلي THD والإجهاد الواقع على مفاتيح القدرة. يهدف هذا المقال إلى توضيح مبدأ تصميم عاكس ثلاثي الطور مكوّن من 43 مستوى ومغذى من مصدر للطاقة المتجددة، مع بيان أهميته في تحسين جودة القدرة وتقليل التوافقيات. أولاً: مفهوم العاكس متعدد المستويات العاكس متعدد المستويات هو جهاز إلكترونيات قدرة يعمل على تحويل الجهد المستمر إلى جهد متناوب من خلال توليد عدد كبير من مستويات الجهد عند الخرج. وكلما ازداد عدد المستويات، أصبحت الموجة الناتجة أقرب إلى الموجة الجيبية، مما يسهم في تقليل التشوه التوافقي وتحسين جودة الطاقة. وتستخدم العواكس متعددة المستويات في تطبيقات عديدة، منها أنظمة الطاقة الشمسية، ومحركات التيار المتناوب، وربط مصادر الطاقة المتجددة بالشبكة الكهربائية، وأنظمة الجهد المتوسط. ومن أهم مزايا هذه التقنية قدرتها على إنتاج جهود خرج مرتفعة مع تقليل إجهاد الجهد على مفاتيح القدرة، إضافة إلى تقليل التوافقيات والتداخل الكهرومغناطيسي مقارنة ببعض العواكس التقليدية. ثانياً: مصدر الطاقة المتجددة والنظام الكهروضوئي يمكن تغذية العاكس المقترح من منظومة طاقة شمسية كهروضوئية Photovoltaic (PV)، حيث تقوم الخلايا الشمسية بتحويل الطاقة الإشعاعية للشمس إلى طاقة كهربائية مستمرة. ونظراً إلى تغير الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة الخلايا، فإن نقطة القدرة العظمى للمنظومة تتغير باستمرار. لذلك يمكن استخدام خوارزمية تتبع نقطة القدرة العظمى MPPT، مثل خوارزمية الاضطراب والمراقبة Perturb and Observe (P&O)، لاستخلاص أكبر قدرة ممكنة من الألواح الشمسية. بعد ذلك تُستخدم الطاقة المستمرة الناتجة كمصدر للعاكس متعدد المستويات لإنتاج جهد متناوب مناسب للتطبيق المطلوب. ثالثاً: تصميم العاكس ثلاثي الطور ذي 43 مستوى يعتمد التصميم على عاكس متعدد المستويات قادر على إنتاج 43 مستوى للجهد، تتراوح مستويات الخرج في الجزء الموجب من 0 إلى +21Vdc، وفي الجزء السالب من 0 إلى −21Vdc، مما يؤدي إلى تكوين 43 مستوى إجمالاً. ومن الأساليب المستخدمة لتحقيق ذلك الاعتماد على أربعة مصادر جهد مستمر غير متماثلة بنسب جهد: 1 : 2 : 7 : 11 Vdc وبهذه البنية يمكن الحصول على عدد كبير من مستويات الجهد باستخدام عدد محدود نسبياً من مفاتيح القدرة. وقد أظهرت الدراسة المنشورة حول عاكس 43 مستوى استخدام أربعة مصادر غير متماثلة و16 مفتاح قدرة لتكوين مستويات الخرج المطلوبة. رابعاً: مبدأ عمل العاكس تعتمد عملية توليد مستويات الجهد المختلفة على التحكم في حالات تشغيل وإيقاف مفاتيح القدرة. ومن خلال اختيار مجموعة محددة من المفاتيح في كل لحظة زمنية، يتم جمع أو طرح جهود المصادر المستمرة للحصول على مستوى الجهد المطلوب. ويؤدي الانتقال التدريجي بين هذه المستويات إلى إنتاج موجة جهد متدرجة Stepped Waveform تكون أقرب إلى الموجة الجيبية مقارنة بالخرج التقليدي ثنائي المستوى. ويُعد هذا الأسلوب مهماً في تطبيقات الطاقة المتجددة لأنه يساعد على تحسين جودة الطاقة وتقليل الحاجة إلى مرشحات كبيرة عند خرج العاكس. خامساً: تقنية التضمين متعددة الحوامل يمكن استخدام تقنية Multicarrier Sinusoidal Pulse Width Modulation (MC-SPWM) للتحكم في مفاتيح العاكس وتحديد مستويات الجهد الناتجة. وفي تقنية Phase Disposition PWM (PD-PWM) تتم مقارنة الموجة المرجعية الجيبية مع مجموعة من الموجات الحاملة، ومن خلال نتائج المقارنة يتم تحديد إشارات القيادة المناسبة لمفاتيح القدرة. يساعد هذا الأسلوب على التحكم الدقيق بمستويات الجهد وتحسين شكل الموجة وتقليل المكونات التوافقية في إشارة الخرج. سادساً: جودة القدرة وتقليل التوافقيات يُعد التشوه التوافقي الكلي Total Harmonic Distortion (THD) من أهم المؤشرات المستخدمة لتقييم جودة خرج العاكس. ومن أهم مميزات زيادة عدد مستويات العاكس أن شكل موجة الخرج يصبح أكثر نعومة وأقرب إلى الموجة الجيبية، الأمر الذي يؤدي إلى خفض التوافقيات. وقد أظهرت نتائج محاكاة منشورة لعاكس 43 مستوى أن قيمة تشوه الجهد التوافقي THD-V بلغت 0.70% في النظام أحادي الطور و0.63% في النظام ثلاثي الطور عند مستوى 43، مما يوضح قدرة هذه البنية على إنتاج خرج ذي جودة عالية. سابعاً: تطبيقات العاكس المقترح يمكن توظيف العواكس ثلاثية الطور متعددة المستويات في مجموعة واسعة من التطبيقات، من أهمها: أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. ربط مصادر الطاقة المتجددة بالشبكة الكهربائية. أنظمة تخزين الطاقة. محركات القدرة الكهربائية ثلاثية الطور. تطبيقات الجهد المتوسط. أنظمة تحسين جودة القدرة الكهربائية. كما أن العواكس متعددة المستويات تعد من الحلول المهمة في أنظمة ربط الطاقة الشمسية بالشبكة بسبب قدرتها على تحسين جودة الجهد وتقليل التوافقيات. الخاتمة يمثل تصميم العاكس ثلاثي الطور ذي 43 مستوى اتجاهاً مهماً في تطوير أنظمة إلكترونيات القدرة المرتبطة بمصادر الطاقة المتجددة. ويساعد العدد الكبير من مستويات الجهد على إنتاج موجة خرج أقرب إلى الشكل الجيبي، مع خفض التشوه التوافقي وتحسين جودة الطاقة. كما أن دمج العاكس مع منظومات الطاقة الشمسية وتقنيات MPPT وتقنيات التضمين متعددة الحوامل يوفر منظومة متقدمة لتحويل الطاقة الكهربائية واستثمار مصادر الطاقة المتجددة بكفاءة. وبناءً على ذلك، يمكن أن تسهم هذه التقنية في تطوير أنظمة كهربائية أكثر كفاءة وموثوقية، ولا سيما في التطبيقات التي تتطلب جودة عالية للجهد والتيار وتقليل التوافقيات. الكلمات المفتاحية: العاكس متعدد المستويات، العاكس ثلاثي الطور، 43 مستوى، الطاقة المتجددة، الطاقة الشمسية، MPPT، MC-SPWM، THD، إلكترونيات القدرة. جامعة المستقبل – الجامعة الأولى في العراق