Utafiti huu unatengeneza mbinu ya udhibiti inayobadilika inayolenga kupunguza mkondo wa ziada ambao vibadilishaji vinavyounda gridi (grid-forming converter, GFM) katika vituo vya kuchaji magari ya umeme vilivyounganishwa kwenye mitandao dhaifu ya usambazaji vinaweza kuzalisha wakati wa short circuit na kushuka kwa voltage, huku uwezo wa kusaidia voltage ukihifadhiwa. Mbinu huainisha mkondo wa kibadilishaji kwa wakati halisi; katika mkondo wa ziada wa kiwango cha kati, hutumia uzuiaji “laini” kwa kuongeza virtual reactance hatua kwa hatua kwa vipengele vya mstari na visivyo vya mstari, huku katika mkondo mkali wa ziada huongeza virtual reactance zaidi na, inapohitajika, kuzuia ishara za uendeshaji za mkono husika wa daraja la IGBT ili kutumia uzuiaji “mgumu”. Katika majaribio ya jukwaa la StarSim-RCP + StarSim-HIL, mkondo wa kilele wa awamu ulipunguzwa kutoka 50 A hadi 42 A katika hitilafu ya kiwango cha kati na kutoka 90 A hadi 62 A katika hitilafu kali; muda wa kurudi kwenye mkondo wa kawaida baada ya hitilafu ulipunguzwa kwa mtiririko huo kutoka 55 ms hadi 35 ms na kutoka 65 ms hadi 45 ms. Hata hivyo, matokeo si jaribio la uwanjani la kituo halisi cha kuchaji cha kiwango kamili, bali ni uthibitishaji wa hali za mpito za kielektromagnetiki unaotegemea RCP/HIL; hitilafu zisizo linganifu na gridi zenye short-circuit ratio ya chini sana hazijathibitishwa katika utafiti huu.

Kwa mtazamo wa Türkiye, utafiti ni muhimu hasa kwa usanifu wa udhibiti unaotathmini kwa pamoja ulinzi wa kibadilishaji na msaada wa voltage ya gridi wakati vituo vya kuchaji magari ya umeme vya nguvu kubwa vinaunganishwa kwenye sehemu dhaifu za usambazaji. Hata hivyo, kibadilishaji cha 20 kVA, gridi ya 380 V, vizingiti vya mkondo, impedansi za laini na matukio ya hitilafu katika utafiti havipaswi kuhamishwa moja kwa moja kwenye kituo halisi cha kuchaji nchini Türkiye. Kwa matumizi ya ndani, nguvu ya short circuit/thamani ya SCR ya gridi ya usambazaji, uratibu wa ulinzi, mipaka ya semiconductor ya kibadilishaji, nguvu ya kuchaji, topolojia ya muunganisho na uthibitishaji upya kwa hitilafu halisi za uwanjani vinahitajika.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Vituo vya kuchaji magari ya umeme (EV) vya nguvu kubwa vinaweza kuingia katika mwingiliano mkubwa wa dynamic na gridi ikiwa sehemu ya usambazaji iko mwisho wa laini au kwenye bus zenye uwezo mdogo wa short circuit. Utafiti unashughulikia hasa jinsi mwingiliano kati ya msaada wa voltage wa kibadilishaji GFM na impedansi ya laini katika gridi dhaifu zenye short-circuit ratio ya chini unavyoweza kuongeza kwa haraka mkondo wa kibadilishaji wakati wa short circuit au kushuka kwa voltage.

Mkondo wa ziada unaweza kuongeza si tu mzigo wa joto na umeme kwenye swichi za semiconductor; ndani ya mfumo wa utafiti, mabadiliko ya voltage ya DC bus, upotoshaji wa voltage upande wa AC na hatari ya kutokuwa thabiti kwa udhibiti pia huzingatiwa. Kwa hiyo, tatizo kuu la kubuni si tu “kupunguza mkondo kadiri iwezekanavyo”. Kibadilishaji pia kinapaswa kuendelea kutoa msaada wa voltage, ambao ni sehemu muhimu ya kazi ya GFM, kadiri iwezekanavyo.

Kwa nini virtual reactance inayobadilika badala ya virtual impedance isiyobadilika?

Kwa mujibu wa mfumo wa fasihi uliopitiwa katika utafiti, matumizi ya virtual impedance isiyobadilika yanaweza kuiga kwa programu athari ya kupunguza mkondo ya reactor iliyounganishwa kwa mfululizo. Hata hivyo, kuchagua virtual impedance kubwa kupita kiasi kunaweza kuathiri vibaya bandwidth ya inner current loop na dynamic damping; kuichagua ndogo sana kunaweza kushindwa kutoa uzuiaji wa kutosha wa mkondo katika hitilafu kali.

Suluhisho la watafiti ni, badala ya kuacha virtual reactance ikiwa isiyobadilika, kuibadilisha kwa vipande kulingana na ukali wa mkondo wa ziada uliopimwa. Kwa njia hii, katika hitilafu ya kiwango cha kati hakuna uingiliaji mkubwa wa ghafla kwenye muundo wa udhibiti, huku katika hitilafu kubwa tabaka lenye nguvu zaidi la ulinzi huwashwa.

Kibadilishaji kinachounda gridi kinadhibitiwaje?

Katika topolojia ya umeme ya utafiti, kibadilishaji cha awamu tatu cha ngazi mbili huunganishwa na gridi ya usambazaji kupitia kichujio cha LC. Voltage na mikondo ya awamu tatu katika common coupling point (PCC) hubadilishwa kwenda kwenye mfumo wa marejeo wa dq0 unaozunguka kwa usawazishaji. Nguvu hai na tendaji huhesabiwa kutoka kwenye viwango hivi na kupelekwa kwenye udhibiti wa virtual synchronous generator (VSG).

Kitanzi cha nguvu hai cha VSG kinawakilisha tabia ya virtual inertia na damping kwa uhusiano ufuatao:

\[ \frac{P_{ref}}{\omega_0} - \frac{P_e}{\omega_0} - D_0(\omega-\omega_0) = J_0\frac{d\omega}{dt} \]

Hapa \(P_{ref}\) ni marejeo ya nguvu hai, \(P_e\) ni nguvu hai iliyopimwa/ya kutoka, \(\omega_0\) ni nominal angular frequency, \(J_0\) ni virtual inertia na \(D_0\) ni virtual damping coefficient.

Katika sehemu ya udhibiti wa nguvu tendaji na voltage:

\[ Q^{*}=Q_{ref}+K_u(U_0-U_g) \]

na

\[ \frac{d(E_v-U_0)}{dt} = K_0(Q^{*}-Q_e) \]

mahusiano hayo hutumiwa. \(Q_{ref}\) inawakilisha marejeo ya nguvu tendaji, \(U_g\) ukubwa wa voltage ya PCC, \(U_0\) marejeo ya voltage, \(E_v\) virtual internal electromotive force, \(K_u\) voltage droop coefficient na \(K_0\) integral gain.

Muundo huu unalenga kufanya kibadilishaji GFM kiunde tabia ya mashine ya synchronous ya virtual badala ya kufuata gridi pekee, na kuchangia msaada wa voltage katika hali za gridi dhaifu.

Kitanzi cha virtual reactance kinafanya nini?

Katika utafiti, droop ya internal electromotive force na kitanzi cha virtual reactance vimeelezwa katika axes za dq kama ifuatavyo:

\[ 0-u_{gq} = -i_{dref}\omega_0L_v \]

\[ E_v-u_{gd} = i_{qref}\omega_0L_v \]

Virtual reactance si coil mpya iliyoongezwa kimwili kwenye mzunguko halisi. Kupitia algorithm ya udhibiti, reactive voltage drop sawa huundwa kwenye marejeo ya voltage ya kibadilishaji, hivyo kuzuia mwelekeo wa mkondo kuongezeka wakati wa hitilafu.

Mkondo wa ziada unaainishwaje?

Kwanza ukubwa wa mkondo wa kutoka wa kibadilishaji huhesabiwa kutoka mikondo ya axes za dq:

\[ I_m(t) = \sqrt{i_{gd}^{2}(t)+i_{gq}^{2}(t)} \]

Katika utafiti, mkondo wa nominal \(I_N\), kizingiti cha mkondo wa ziada wa kati \(I_{th1}=1,5I_N\) na mkondo wa juu unaoruhusiwa \(I_M=2I_N\) vimefafanuliwa. Kulingana na hilo:

\[ S_I(t)= \begin{cases} 0, & I_m(t)\leq I_{th1}\\ 1, & I_{th1}I_M \end{cases} \]

“Uzuiaji laini” unafanyaje kazi katika mkondo wa ziada wa kiwango cha kati?

Kwa uendeshaji wa kawaida, virtual reactance ya awali huhesabiwa kwa kutumia nominal grid voltage \(U_N\) na nominal apparent power \(S_N\) ya kibadilishaji:

\[ X_0 = 0,13\frac{U_N^2}{S_N} \]

kama ilivyoonyeshwa.

Kiasi ambacho mkondo unazidi kizingiti cha mkondo wa ziada wa kati hufafanuliwa kwa:

\[ \Delta I(t)=I_m(t)-I_{th1} \]

Wakati \(\Delta I>0\), ongezeko la virtual reactance huhesabiwa kwa mchanganyiko ufuatao wa mstari na exponential:

\[ \Delta X_{AVR}(t) = k_{x1}\Delta I(t) + k_{x2} \left( 1-e^{-\gamma\Delta I(t)} \right) \]

\(k_{x1}\) huamua unyeti wa mstari kwa kuzidi kwa mkondo, huku \(k_{x2}\) na \(\gamma\) zikiamua ukubwa na kasi ya mabadiliko ya sehemu ya exponential. Lengo la sehemu ya exponential ni kulainisha mabadiliko ya virtual reactance na kuzuia disturbance ya ghafla kuingizwa kwenye inner current-control loop.

Katika eneo hili, jumla ya virtual reactance ni:

\[ X_v(t) = X_0+\Delta X_{AVR}(t) \]

.

Kwa nini tabaka la pili la ulinzi linahitajika katika mkondo mkali wa ziada?

Wakati \(I_m>I_M\), watafiti wanakubali kwamba ongezeko laini la virtual reactance pekee linaweza kutotosha kudumisha kikomo salama cha mkondo. Kwa hiyo, equivalent reactance inayohitajika huhesabiwa kutokana na tofauti kati ya virtual internal electromotive force ya kibadilishaji na voltage ya PCC:

\[ X_{REQ}(t) = \frac{ \left| |E_v(t)|-U_{samp}(t) \right| } {I_M} \]

Kisha virtual reactance ya eneo la mkondo mkali wa ziada huundwa kwa namna inayoendelea na thamani ya juu ya uzuiaji kwenye mpaka wa eneo la kati:

\[ X_v(t) = X_0+ \Delta X_{AVR}^{max} + \Delta X_{REQ}(t) \]

.

Mantiki ya kuzuia mkono wa daraja la IGBT inafanya kazi gani?

Katika ulinzi wa hitilafu kali wa utafiti, tabaka la pili la usalama ni utaratibu wa kuzuia gate-drive ulioongezwa kwenye udhibiti wa virtual reactance. Kizingiti cha peak current cha kifaa kimefafanuliwa kama:

\[ I_{max}=1,2I_M \]

Mkondo wa papo hapo wa kila awamu hulinganishwa na kizingiti hiki:

\[ en_a(t)=H(I_{max}-|i_A(t)|) \]

\[ en_b(t)=H(I_{max}-|i_B(t)|) \]

\[ en_c(t)=H(I_{max}-|i_C(t)|) \]

Hapa \(H\) ni step function. Mkondo unapozidi thamani inayoruhusiwa, ishara ya kuwezesha ya awamu husika hushuka hadi sifuri. Ishara hii hupitishwa katika operesheni ya mantiki AND pamoja na PWM gate pulses, hivyo ishara za uendeshaji za swichi za juu na chini katika mkono husika wa awamu zinaweza kukatwa kwa pamoja.

Utaratibu huu haujabuniwa kwa udhibiti endelevu wa mkondo wa kawaida, bali kama tabaka la ziada la ulinzi dhidi ya peak currents kali za papo hapo zinazoweza kutokea kutokana na ucheleweshaji wa udhibiti au saturation ya modulation.

Kibadilishaji kinarudije kwenye hali ya kawaida baada ya hitilafu?

Kwa kuwa kudumisha virtual reactance ya juu kwa muda mrefu baada ya hitilafu kuondolewa kunaweza kuchelewesha dynamic recovery, watafiti wamefafanua kizingiti tofauti cha recovery:

\[ I_{rec}\approx1,05I_N \]

Mkondo unaposhuka hadi kiwango hiki au chini yake, kurejesha virtual reactance kwenye thamani ya kawaida ya uendeshaji huanza. Utaratibu huu ndio sababu kuu inayofanya utafiti ulenga si tu peak current ya hitilafu bali pia muda wa recovery baada ya hitilafu.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Udhibiti wa virtual reactance wa vipande kulingana na ukali wa mkondo umepunguza peak current katika matukio ya hitilafu ya HIL yaliyofanyiwa uchunguzi.
• Katika hali ya mkondo wa ziada wa kiwango cha kati, mbinu iliyopendekezwa ilipunguza peak phase current kutoka 50 A hadi 42 A.
• Katika hali ya mkondo mkali wa ziada, peak phase current ilipunguzwa kutoka 90 A hadi 62 A.
• Muda wa recovery hadi nominal current baada ya hitilafu ulipunguzwa kutoka 55 ms hadi 35 ms katika tukio la kati na kutoka 65 ms hadi 45 ms katika tukio kali.
• Watafiti wanaripoti kwamba mbinu haikuharibu kwa kiasi kikubwa uwezo wa kibadilishaji GFM wa kusaidia voltage wakati wa kupunguza mkondo.
• Imeonyeshwa kwamba udhibiti laini wa virtual reactance na utaratibu wa hard current limiting/gate blocking vinaweza kuunganishwa ndani ya mkakati mmoja wa vipande.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono au haujayapima

• Haijaonyeshwa kwamba mbinu itatoa matokeo yale yale katika viwango vyote vya nguvu vya vituo vya kuchaji na topolojia zote za vibadilishaji.
• Utafiti hauwasilishi jaribio la uwanjani kwenye gridi halisi ya usambazaji katika kituo cha kibiashara cha EV cha kiwango kamili.
• Hitilafu za gridi zisizo linganifu hazikujumuishwa katika wigo wa uthibitishaji wa majaribio.
• Utendaji wa mbinu haujathibitishwa katika gridi dhaifu sana zenye short-circuit ratio ya chini kupita kiasi.
• Maisha ya muda mrefu ya joto ya IGBT au ongezeko la uaminifu wa semiconductor halikupimwa moja kwa moja.
• Utafiti hauwasilishi uthibitishaji wa kufuata kanuni za ulinzi katika miundombinu ya kuchaji ya nchi mahususi.
• Vizingiti vya mkondo vilivyotolewa havipaswi kuhamishwa moja kwa moja kama thamani za kubuni kwenye kibadilishaji halisi cha kibiashara.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Jukwaa la uthibitishaji la RCP + HIL

Mbinu ilitathminiwa kwenye modeli ya hali za mpito za kielektromagnetiki ya kibadilishaji cha kuchaji gari la umeme iliyoundwa kwenye jukwaa la majaribio linalotegemea StarSim-RCP na StarSim-HIL. Jukwaa lina kitengo cha Rapid Control Prototyping, simulator ya wakati halisi ya hardware-in-the-loop, kadi za interface za I/O, oscilloscope na kompyuta mwenyeji.

Katika majaribio, marejeo ya nguvu hai \(P_{ref}=15\) kW, marejeo ya nguvu tendaji \(Q_{ref}=0\) na nominal phase current \(I_N=20\) A yaliwekwa.

Jaribio la mkondo wa ziada wa kiwango cha kati

Katika tukio la kwanza, hitilafu ya awamu tatu-kwa-ardhi yenye transition resistance ya 4 Ω iliundwa kwenye sehemu ya hitilafu K karibu na PCC na hitilafu iliondolewa baada ya 10 ms.

Kupungua kwa peak phase current:

\[ \frac{50-42}{50}\times100 = 16\% \]

ni hivyo. Asilimia hii si kipimo kipya cha majaribio kilichoripotiwa tofauti katika chanzo, bali ni ulinganisho wa moja kwa moja wa thamani mbili za kilele zilizotolewa kwenye jedwali.

Jaribio la mkondo mkali wa ziada

Katika tukio la pili, transition resistance ya hitilafu ya awamu tatu-kwa-ardhi ilipunguzwa hadi 0,7 Ω na muda wa hitilafu ukawekwa kuwa 25 ms.

Kupungua kwa peak phase current kunakolinganishwa kutoka matokeo mawili ya majaribio ni takriban:

\[ \frac{90-62}{90}\times100 \approx31,1\% \]

ni hivyo. Uwiano huu pia ni ulinganisho uliohesabiwa tu wa thamani za kilele 90 A na 62 A zilizotolewa katika chanzo.

Matokeo kwa upande wa recovery baada ya hitilafu

Katika tukio la hitilafu ya kati, muda wa kurudi kwenye nominal current ulipungua kutoka 55 ms hadi 35 ms, na katika hitilafu kali kutoka 65 ms hadi 45 ms. Katika matukio yote mawili, maboresho ya moja kwa moja yaliyoripotiwa katika chanzo ni 20 ms. Utaratibu wa kurejesha reactance uliobuniwa katika utafiti unalenga kuzuia virtual reactance ya juu kuifanya kibadilishaji kiwe polepole bila sababu baada ya hitilafu kuondolewa.

Maelezo ya chanzo yanayopaswa kuzingatiwa katika kutafsiri kizingiti cha mkondo

Katika ufafanuzi wa udhibiti wa utafiti, kwa kuwa nominal current ni \(I_N=20\) A, \(I_{th1}=1,5I_N=30\) A na \(I_M=2I_N=40\) A. Hata hivyo, katika jaribio la hitilafu kali, imeelezwa mahsusi kwamba thamani ya 43 A RMS ya mbinu iliyopendekezwa iko “chini ya \(2,2I_N=44\) A”. Chanzo hakielezi kwa nini kizingiti cha \(I_M=2I_N\) kilichofafanuliwa awali kinatofautiana na ulinganisho wa \(2,2I_N\) katika sehemu ya majaribio. Kwa hiyo, thamani ya 43 A haijatafsiriwa hapa kuwa inathibitisha kwa uhakika kwamba mbinu inatimiza kikomo chake kilichofafanuliwa cha 40 A.

Vivyo hivyo, katika sehemu ya gate blocking, Equation (15) hutumia thamani za papo hapo za \(|i_A(t)|\), \(|i_B(t)|\) na \(|i_C(t)|\) za awamu, huku sentensi moja ya maelezo ikitumia neno “RMS value”. Kwa sababu ya kutolingana huku kwa istilahi, ukubwa wa peak, instantaneous na RMS current haujatumika kwa kubadilishana katika makala.

Nguvu na mipaka ya mbinu kwa mtazamo wa uhandisi

Nguvu ya mbinu ni kubadilisha ukali wa ulinzi kulingana na mkondo uliopimwa badala ya kutumia virtual reactance moja ya juu na isiyobadilika kwa hali zote za hitilafu. Tabia laini zaidi katika mkondo wa ziada wa kati inalenga kuhifadhi kadiri iwezekanavyo uwezo wa dynamic support wa GFM, huku matumizi ya pamoja ya virtual reactance na semiconductor gate blocking katika mkondo mkali wa ziada yakilenga kuimarisha ulinzi wa vifaa.

Kizuizi kikuu cha uthibitishaji ni kwamba matokeo ya mbinu yameonyeshwa katika mazingira ya RCP/HIL kupitia hitilafu mbili za awamu tatu-kwa-ardhi zilizo linganifu. Utafiti unaeleza wazi kwamba hitilafu zisizo linganifu na gridi dhaifu sana zenye thamani ndogo sana za SCR zinapaswa kuchunguzwa tofauti katika siku zijazo.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la utafiti asili: Adaptive Virtual-Reactance-Based Fault-Current Limiting Method for Grid-Forming Converters in EV Charging Stations

Waandishi: Hongyang Liu, Zhifei Chen.

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio wa chanzo umehifadhiwa bila kubadilishwa. Hakuna tamko la mwandishi wa kwanza sawa au mchango sawa.

Mwandishi wa mawasiliano: Hongyang Liu.

Taasisi: School of Electrical and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China.

Jarida: Vehicles

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland

Juzuu / toleo / namba ya makala: 2026, 8(3), 65

DOI: 10.3390/vehicles8030065

Kiungo rasmi cha uchapishaji:https://doi.org/10.3390/vehicles8030065

Historia ya uchapishaji: Ilipokelewa 4 Februari 2026; ilirekebishwa 2 Machi 2026; ilikubaliwa 6 Machi 2026; ilichapishwa 19 Machi 2026.

Aina ya chanzo na hali ya mapitio ya kitaalamu: Utafiti huu ni makala ya utafiti iliyopitia mapitio ya kitaalamu. Unaunganisha ukuzaji wa mbinu ya udhibiti, uundaji wa kihisabati wa udhibiti na uthibitishaji wa hali za mpito za kielektromagnetiki unaotegemea StarSim-RCP + StarSim-HIL.

Leseni: Leseni ya ufikiaji wazi ya Creative Commons Attribution (CC BY).

Ufadhili: Watafiti waliripoti kwamba utafiti haukupokea ufadhili wa nje.

Upatikanaji wa data: Sentensi ya Data Availability Statement katika chanzo imetolewa ikiwa na hitilafu ya kisarufi kama “Data are contained within no external the article.” Kauli hii haijasahihishwa kimya kimya. Chanzo pia hakitoi kiungo cha repository ya nje ya data.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Conceptualization H.L.; methodology H.L.; software H.L.; validation Z.C.; formal analysis Z.C.; investigation H.L.; resources H.L.; data curation Z.C.; rasimu ya kwanza Z.C.; review na editing H.L.; visualization Z.C.; supervision H.L.; project administration H.L.; funding acquisition H.L. zimeripotiwa.

Dokezo la istilahi ndani ya chanzo: Ingawa Equation (7) inafafanua \(Z_v(t)=jX_v(t)\), maelezo yanayofuata yanatumia kauli “virtual resistance and virtual reactance” kwa \(X_v\). Usemi wa kihisabati unaonyesha sehemu tendaji pekee; kutolingana huku katika maandishi ya chanzo hakujasahihishwa kimya kimya.

Dokezo la kizingiti cha mkondo: Katika muundo wa udhibiti \(I_M=2I_N\) imefafanuliwa, huku katika jaribio la hitilafu kali mkondo wa 43 A RMS ukilinganishwa na \(2,2I_N=44\) A. Chanzo hakielezi tofauti kati ya mipaka hii miwili. Pia, mantiki ya gate blocking hutumia milinganyo ya instantaneous phase current wakati maandishi ya maelezo yanatumia neno RMS.

Vikwazo vikuu vya kimetodolojia: Uthibitishaji wa majaribio si jaribio la uwanjani la gridi halisi ya usambazaji bali ni jukwaa la RCP/HIL. Matukio mawili ya uthibitishaji yanategemea hitilafu zilizo linganifu za awamu tatu-kwa-ardhi. Hitilafu zisizo linganifu na hali za gridi dhaifu sana zenye SCR ya chini sana bado hazijatathminiwa. Utafiti haupimi moja kwa moja maisha ya muda mrefu ya joto ya semiconductor au uaminifu wa uwanjani katika vituo vya kuchaji vya kibiashara.

Mbinu ya kisayansi, milinganyo, vizingiti, vigezo vya majaribio na matokeo ya kiasi katika makala hii ya Verianla vinategemea utafiti uliopakiwa. Uthibitishaji wa bibliografia kutoka nje ulitumika tu kuangalia utambulisho wa utafiti; hakuna ugunduzi mpya wa majaribio ulioongezwa kutoka nje kwenye maudhui makuu ya kisayansi.