إلغاء التوافقيات الانتقائي في محوّل متعدد المستويات من نوع T بعدد مفاتيح مخفّض باستخدام خوارزمية فرس البحر

كهرباء أنظف من خلال تبديل أذكى

في كل مرة تتدفق فيها الكهرباء من الألواح الشمسية أو توربينات الرياح أو المحرّكات الصناعية إلى الشبكة، تمر عبر أجهزة إلكترونية تعيد تشكيلها. تُسمى هذه الأجهزة محوّلات التردد (inverters)، وقد تضيف عن غير قصد "ضوضاء كهربائية" إلى الشبكة، ما يهدر الطاقة ويجهد المعدات. تستعرض هذه الورقة طريقة جديدة لتصميم والتحكم في نوع محدد من المحوّلات بحيث يوفّر طاقة أكثر سلاسة ونقاءً مع استخدام عدد أقل من المكونات الإلكترونية، مما قد يجعل أنظمة الطاقة المتجددة والصناعية أكثر كفاءة وأقل تكلفة.

لماذا تحتاج المحوّلات الحديثة إلى تطوير

تقوم المحوّلات التقليدية بتبديل الجهد صعودًا وهبوطًا بسرعة كبيرة لمحاكاة موجات جيبية ناعمة كما في شبكة الكهرباء. تحسّن المحوّلات متعددة المستويات هذا عبر تكديس عدة درجات جهد أصغر، مما يجعل المخرَج أشبه بالموجة الجيبية الحقيقية. يعني ذلك جودة طاقة أفضل، وتداخل كهربائي أقل، ومرشحات أصغر، وإجهاد أقل للمكوّنات. ومع ذلك، تتطلب التصاميم المعتادة لمتعددة المستويات العديد من المفاتيح، ودوائر القيادة، وأحيانًا مكثفات إضافية أو مصادر طاقة معزولة. تزيد هذه التعقيدات من التكلفة والحجم ومخاطر الأعطال، لا سيما في أنظمة الجهد المتوسط والعالي مثل محطات الطاقة الشمسية الكبيرة، ومزارع الرياح، والنقل الكهربائي، والصناعات الثقيلة.

تصميم أجهزة أبسط مع مستويات متعددة

يركز المؤلفون على بنية محددة تسمى محوّل من نوع T بثمانية مستويات فعّالة (9‑Level). نسختهم ذات "عدد مفاتيح مخفّض" تعني أنها تُنتج تسع درجات جهد مميزة مع استخدام عدد أقل من مفاتيح القدرة مقارنةً بالدارات متعددة المستويات التقليدية. يقلل ذلك من خسائر التبديل وتعقيد التحكم والمساحة المطلوبة، ومع ذلك يقدم شكل موجي مكوَّنًا من درجات دقيقة يمكنه تقريبيًا محاكاة موجة جيبية بشكل جيد. وبفضل ترتيب الدارة، يُنتَج كل مستوى جهد عن طريق تركيبة فريدة من المفاتيح دون حاجة لمكوّنات إضافية لموازنة الفولتيات الداخلية. هذا يجعل العتاد أسهل في التصنيع والتشغيل مع الحفاظ على هدف التشوه المنخفض والكفاءة العالية.

استهداف النغمات غير المرغوب فيها في شكل الموجة

حتى مع وجود درجات جهد عديدة، فإن المحوّلات تولد توافقيات — نغمات إضافية عند ترددات أعلى من تكرار الشبكة الأساسي. يمكن لهذه التوافقيات أن تسخّن المعدات، وتتداخل مع الإلكترونيات الحساسة، وتقلّل الكفاءة الكلية. تستخدم الورقة استراتيجية تُسمى الإلغاء الانتقائي للتوافقيات (selective harmonic elimination)، التي تختار الأوقات الدقيقة لتشغيل وإطفاء المفاتيح بحيث تُلغى توافقيات مزعجة مختارة في الخرج النهائي. رياضيًا، يعني ذلك حل مجموعة معقّدة من المعادلات غير الخطية لإيجاد زوايا تبديل دقيقة تحافظ على مستوى الجهد الرئيسي المطلوب مع خفض مجموعة مختارة من مركبات التوافقيات. وبما أن حل هذه المعادلات صعب مباشرةً، يلجأ المهندسون غالبًا إلى طرق بحث وتحسين لإيجاد حلول مناسبة.

بحث مستوحى من فرس البحر لإعدادات أفضل

يطبّق الباحثون هنا نهجًا حديثًا نسبيًا في التحسين يُسمى مُحسّن فرس البحر (Sea‑Horse Optimizer). تُحاكي هذه الخوارزمية كيف يتحرك فرس البحر ويصطاد ويتكاثر في المحيط: تمزج بين بحث دوّار محلي، وإخراجات عشوائية أطول، وطريقة منظمة لدمج المرشحين الواعدين. في التطبيق العملي، يُعامل كل مجموعة محتملة من زوايا التبديل كفرس بحر في مجموعة سكانية. عبر تكرارات عديدة، تدفع الخوارزمية هذه المرشحات نحو تراكيب تُنتج تشوّهات توافقيّة أقل وجهد خرج أدق. يقارن الفريق هذه الطريقة مع تقنيتين معروفتين جيدًا في التحسين — الخوارزميات الجينية وتجمّع الجسيمات (PSO) — عبر نطاق واسع من ظروف التشغيل التي تعكس استخدام المحوّلات في أنظمة واقعية.

ماذا تكشف المحاكاة

يُنشئ المؤلفون نموذجًا حاسوبيًا مفصّلًا لمحوّل ثلاثي الطور من نوع T بثمانية مستويات فعّالة ويشغّلونه عند نقاط تشغيل متعددة، من خرج منخفض جدًا إلى كامل القدرة. عند كل نقطة تشغيل، يتيحون للخوارزميات الثلاثة البحث عن زوايا تبديل تقلّل التشوه التوافقي. يجد مُحسّن فرس البحر باستمرار حلولًا تمنح موجات أكثر سلاسة وتشوهًا توافقيًا إجماليًا أقل، وبالأخص مستويات منخفضة من التوافقيات الرئيسية التي يهتم بها المهندسون. عند الخرج الكامل، تكون مقاييس التوافقيات المختارة لديها تقريبًا من سدس إلى عُشر القيم التي تحققها الطرق الأخرى، مع الحفاظ على الجهد الرئيسي قريبًا جدًا من الهدف. كما يصل إلى حلول جيدة بعد عدد أقل من حسابات التجربة، ما يعني أنه قد يكون أسرع وأقل تكلفة للاستخدام في أدوات التصميم أو متحكمات مضمنة.

دلالات ذلك لأنظمة الطاقة المستقبلية

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن تصميم محوّل مبسّط بعناية، موجه بخوارزمية بحث مستوحاة من الطبيعة، يمكنه توفير كهرباء أنظف مع عدد قطع أقل. يساعد المحسّن المستلهم من فرس البحر المحوّل على تشكيل خرجٍ يقلّل بشدة الضوضاء الكهربائية غير المرغوب فيها، بينما يحافظ تخطيط المفاتيح المخفّض على العتاد مدمجًا وفعّالًا. رغم أن النتائج مأخوذة من محاكاة ولا تزال تفترض مفاتيح مثالية، فإنها تشير إلى محولات طاقة أكثر موثوقية واقتصادية للطاقة المتجددة والنقل والأنظمة الصناعية. مع مزيد من الاختبارات، بما في ذلك محاكاة الأجهزة الحية ونماذج أولية فعلية، قد تساعد هذه المقاربة الشبكات المستقبلية على استيعاب طاقة أنظف دون التضحية بالاستقرار أو عمر المعدات.

الاستشهاد: Hussain, AS.T., Almulaisi, T., Desa, H. et al. Selective harmonic elimination in T-type multilevel inverter with reduced switch count using Sea-Horse Algorithm. Sci Rep 16, 13777 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46979-9

الكلمات المفتاحية: محول متعدد المستويات, تقليل التوافقيات, إلكترونيات الطاقة, تحسين ميتاهيرستيكي, دمج الطاقة المتجددة