تحليل، مدل سازي و كنترل مبدل چندسطحي هيبريدي بازوي متناوب به منظور بهبود عملكرد در سيستم هاي انتقال توان ولتاژ بالاي جريان مستقيم

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

دكتري

در الكترونيك-قدرت، مبدل به عنوان رابط قدرت در بسياري از سيستمهاي كاربردي از جمله سيستمهاي انرژي تجديدپذير و HVDC استفاده ميشود. مبدل‌هاي چندسطحي در مقايسه با مبدل‌ مرسوم دو و سه سطحي، قادر به توليد شكل موج‌هايي با تعداد سطوح ولتاژ بالاتر هستند. اين قابليت باعث شده اين مبدل‌ها در مقايسه با مبدلهاي دوسطحي، داراي ويژگي‌هايي نظير كيفيت توان بالاتر، سازگاري الكترومغناطيسي بهتر و بهره بالاتر باشند. ساختار مدولار اين مبدلها، قابليت توسعه و افزايش سطوح را به راحتي فراهم ميكند. مبدل چندسطحي مدولار را مي‌توان با استفاده از سلول‌هايي با ساختارهاي مختلف براي پاسخ‌گويي به نيازهاي كاربردي مثل تحمل خطاي DC، ريپل ولتاژ خازن كمتر و جريان‌هاي چرخشي كمتر و بهره بالا تحقق بخشيد. در عمل، سلول نيم پل از نقطه نظر اجزاي كمتر و بهره بالاتر، محبوبترين سلول به شمار ميرود و به طور وسيعي در كاربردهاي صنعتي مورد استفاده قرار ميگيرد. در عملكرد معمولي اين سلول، تنها يك كليد روشن است، بنابراين تلفات توان كمتر و بازده بيشتري نسبت به بقيه ي سلولها دارد. ولي ولتاژ خروجي سلول، صفر و سطح مثبت دارد و قابليت مسدود كردن خطاي DC را ندارد. اما سلول تمام پل، از سطوح ولتاژ منفي براي محدود كردن جريان در صورت بروز خطا در قسمت DC استفاده ميكند، ولي تعداد ادوات و تلفات دو برابر نسبت به نيم پل دارد. بنابراين مبدل چندسطحي مدولار با سلول نيم پل مقرون به صرفه تر است. اشكال عمده ساختار مبدل چندسطحي مدولار، وجود جريان چرخشي نسبتا بالا است كه باعث كاهش كارايي مبدل، افزايش دما هنگام قطع و وصل كليدها، افزايش نوسانات ولتاژ خازن ها و كاهش قابليت اطمينان ميشود. برخي معايبِ اين مبدلها، طي سالها سبب رشد و تحول در مبدلهاي هيبريدي (تركيبي) شده است. در ساختارهاي هيبريدي، سلول ساختاري پايه از يك خانواده با سلول پايه خانواده ديگر، ادغام ميشود تا از ويژگيهاي خاص يك خانواده براي از بين بردن كاستي ساختار ديگر استفاده شود. در بين اين مجموعه، انتظار ميرود مبدل چندسطحي هيبريدي بازوي متناوب با كاهش چشمگير جريان چرخشي در مقايسه با مبدل چندسطحي مدولار، آينده درخشاني در صنعت داشته باشد. اين مبدل، تركيبي از عناصر مبدل منبع ولتاژ دوسطحي و مبدل چندسطحي مدولار است كه با كاهش تعداد كليدها و كاهش جريان چرخشي، بخشي از مشكلات مبدل چندسطحي مدولار را حل كرده است. دو ساختار نيم پل و تمام پل براي اين مبدل ارائه شده كه مزيت استفاده از مبدل هيبريدي بازوي متناوب نيم پل نسبت به تمام پل، استفاده از كليدهاي نيمه هادي كمتر، كاهش تلفات كليدزني و پيچيدگي سيستم كنترلي است. براي عملكرد مطلوب مبدل، علاوه بر طراحي مناسب ساختار، لازم است كه چالشهاي مبدل در نظر گرفته شود و سيستم كنترلي مناسب طراحي گردد. مبدل هيبريدي بازوي متناوب، به دليل پيچيدگي كمتر نسبت به برخي مبدل‌هاي چندسطحي، بار كنترلي كمتري را براي مهندسان و طراحان به همراه داشته است. همچنين به‌دليل نوظهور بودن؛ در حال حاضر تحقيقات محدودي به موضوع طراحي سيستم كنترلي براي اين ساختار اختصاص يافته است. چالش اصلي كنترل اين مبدل‌ اين است كه اولاً جريان AC سينوسي و با كمترين هارمونيك توليد شود، به‌طوريكه در حالت هم‌پوشاني فازها، جريان‌ چرخشي كه در اثر تغييرات ولتاژ خازن‌ها جاري مي‌شود تا حد ممكن كمينه گردد و داراي كمترين ميزان ريپل باشد، ثانياً ولتاژ خازن‌هاي سلول‌ها در محدوده نامي آن‌ها حفظ شود يا به عبارتي ولتاژ خازنها متعادل گردد؛ ثالثاً پايداري كنترل‌كننده در شرايط گذرا، زمانيكه مقادير مرجع توان اكتيو دست خوش تغيير ميشوند نيز فراهم شود. در چنين شرايطي، كنترل‌كننده بايد بتواند جريان‌هاي مرجع AC را با دقت تعقيب كرده و از بروز جهش‌هاي ناگهاني در خروجي جلوگيري كند. در اين تحقيق، طراحي، مدل‌سازي و توسعه كنترل‌كننده براي ساختار AAC با سلولهاي نيم پل در سيستم HVDC انجام ميشود. درواقع، ساختار AAC سه فاز در محيط نرم‌افزار MATLAB/Simulink طراحي شده و نقش AAC به‌عنوان مبدل در دو ترمينال HVDC بررسي مي‌شود. ابتدا روش پيش‌فرض بر اساس كنترل مبتني بر PI كه در بسياري از مطالعات ارائه شده، شبيه‌سازي ميشود و سپس كنترلكننده هاي پيشنهادي منطق فازي و كنترل پيشبين مبتني بر مدل اجرا ميگردد و عملكرد كنترلكننده ها تحت شرايط مختلف سنجيده ميشود.

238409

قدرت

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان