مبدل چند سطحی متصل به شبکه با ايمنی باال با قابليت اخذ بيشينه توان از سلول خورشيدی

Transcript

1 Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 مبدل چند سطحی متصل به شبکه با ايمنی باال با قابليت اخذ بيشينه توان از سلول خورشيدی Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 چکيده: مهران صباحی امين اشرفگندمی 3 سعيد سعيدآبادی - دانشیار- دانشکده مهندسي برق و کامپیوتر- دانشگاه تبریز- تبریز- ایران abahi@tabrizu.ac.ir - کارشناسي ارشد- دانشکده مهندسي برق و کامپیوتر- دانشگاه تبریز- تبریز- ایران aahrafg@gmail.com 3- کارشناسي ارشد- دانشکده مهندسي برق و کامپیوتر- دانشگاه تبریز- تبریز- ایران aeidaeidabadi@gmail.com مبدلهای چندسطحی به دليل توانايی توليد سطوح ولتاژ متعدد در کاربردهای توانباال و انرژیهای نو پيشرفتهای فراوانی کردهاند. اما از مشکالت عمده آنها در تعادل نگهداشتن ولتاژ خازنها وجود منابع DC متعدد و مشکالت حفاظتی بهخصوص در کاربردهای انرژیهای نو را میتوان نام برد. مبدل پيشنهادی در اين مقاله با اصالح ساختار مبدل multicell پنج سطحی موجود و ارائه روش کنترلی پيشنهادی مربوط به آن عالوه بر توانايی در تعادل نگهداشتن ولتاژ خازنها در مقدار مشخص مشکالت حفاظتی آن را نيز مرتفع ساخته و امکان اتصال به سلولهای خورشيدی و اخذ بيشينه توان از آنها را با ايمنی باال دارا میباشد. در نهايت نحوه عملکرد مبدل پيشنهادی و روش کنترلی ارائه داده شده بوسيله روابط رياضی و شبيهسازی توسط نرم افزار PCAD/MTDC تائيد میشود. Multicell کلمات کليدی: مبدل چندسطحی اينورتر روش کنترلی کمينه خطا تعادل ولتاژ خازن روش کنترلی لحظه اول ( Tracking MPPT (Maximum Power Point تاريخ ارسال مقاله: 39//7 تاريخ پذيرش مشروط مقاله: 393/4/4 تاريخ پذيرش مقاله: 393/7/ نام نويسندهی مسئول: دکتر مهران صباحي نشانی نويسندهی مسئول: ایران تبریز بلوار 9 بهمن دانشگاه تبریز دانشکدهی برق و کامپیوتر مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم - پائيز 395

2 و 8 Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 - مقدمه Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 در سالهای اخیر ضرورت افزایش سطح توان در صنعت برق مانند کاربردهایي در ادوات FACT جبرانسازهای توان راکتیو و کاربردهای انرژیهای نو منجر به ابداع مبدلهای چندسطحي و پیشرفتهای سریع این مبدلها به دلیل توانایي تولید توانباال در حد چند مگاوات تولید سطوح متعدد ولتاژ تداخل الکترومغناطیسي پایین و بازده باالی آنها با روشهای کنترلي مناسب برای کلیدزني فرکانس پایین گشته است [- 7]. روشهای کنترلي متععدی نیز برای کترل انواع مبدلهای چندسطحي ارائه شدهاند که هر کدام از دیدگاههای مختلف عملکرد مبدل را کنترل مينمایند ]3-5[. مبدلهای چندسطحي با مبدلهای سهسطحي معرفي شده در [8] توسط Nabae آغاز بکار کردند. با افزایش تعداد سطوح بوسیله افزایش تعداد مرتبههای مبدل امکان تولید ولتاژ در سطوح بیشتر و به تبع آن کاهش محتوای هارمونیکي ولتاژ خروجي میسر خواهد بود [9]. اما افزایش تعداد سطوح منجر به افزایش پیچیدگي سیستم کنترلي و مشکالت تعادلي ولتاژ خواهد شد []. در اوایل ظهور مبدلهای چندسطحي هر فاز مبدل چند سطحي سری)آبشاری( برای تولید n سطح به n منبع dc مجزا نیاز داشت که در کاربردهای صنعتي وجود منابع dc متعدد منجر به عدم توجیه استفاده از مبدلهای چندسطحي ميشود. لذا بعد از آن در ساختارهای جدیدتر برای تولید n سطح از یک منبع dc استفاده شده و بجای -n منبع در ساختارهای قبل از -n خازن استفاده ميشود که در این ساختارها تعادل ولتاژ خازنها نیز باید مورد توجه قرار بگیرد [- 3]. همچنین در مبدلهای NPC ]8[ که یک ساختار استاندارد در صنعت برق محسوب ميشود برای تعداد سطوح بیشتر مشکالت دیودهای Clamped از جمله تعدد عناصر و تعادل ولتاژ خازنهای ورودی و مشکالت تعادل خازنهای لینک dc وجود خواهد داشت. در نتیجه مبدلهای Multicell پیشنهاد مناسبي برای تولید سطوح ولتاژ بیشتر در کاربردهای توان باال خواهد بود که دارای ساختارهای مختلفي از جمله Cacaded (CM) Flying Capacitor Multicell (FCM) Multicell و یا 9] و [ 4 و 5]. مبدلهای (M) tacked Multicell ميباشند ] FCM [ 6 و 7] و مشتقات آنها مبدلهای M [8-] مزایای زیادی را برای کاربردهای ولتاژ متوسط از جمله عملکرد بدون ترانسفورمر و توانایي در تعادل نگهداشتن ولتاژ خازنهای شناور در سطح ولتاژ دلخواه بصورت طبیعي دارا ميباشند [ 6 و ]. شکل )( ساختار کلي یک CM را نشان ميدهد. در این ساختار برای تولید n سطح با بیشترین سطح ولتاژ خروجي 4n و تعداد /n هر یک به مقدار dc تعداد منبع ولتاژ n نیاز به کلید ميباشد. شکل )( ساختار کلي یک FCM را نشان ميدهد. در این ساختار برای تولید n سطح با بیشترین سطح ولتاژ خروجي نیاز به دو منبع ولتاژ dc هر یک به مقدار تعداد 4n کلید و تعداد -n خازن ميباشد. شکل )3( ساختار کلي یک M را نشان ميدهد. شکل) (: ساختار کلی CM ]8[ شکل) (: ساختار کلی FCM ]4[ شکل) 3 (: ساختار کلی M ]5[ در این ساختار برای تولید n سطح با بیشترین سطح ولتاژ خروجي نیاز به دو منبع ولتاژ dc هر یک به مقدار تعداد 4n کلید و تعداد (-n) خازن ميباشد. همچنین در [] مبدل Double Flying Capacitor Multicell DFCM معرفي شده است که ساختار کلي آن در شکل )4( مشاهده ميشود. شکل) 4 (: ساختار کلی DFCM ][ مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم پائيز 395

3 Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 در این ساختار برای تولید n سطح با بیشترین سطح ولتاژ خروجي نیاز به یک منبع ولتاژ dc به مقدار تعداد n کلید و تعداد -n خازن ميباشد. همانطور که در شکل )4( مشاهده ميشود مزیتهایي را که ساختار [] نسبت به ساختارهای مرسوم دارد ميتوان حذف نقطه مشترک منابع ولتاژ dc ورودی کاهش تعداد منابع dc ورودی و افزایش تعداد سطوح را نام برد که این مزایا با اضافهکردن دو کلید فرکانس پایین J و J به ساختار مرسوم مبدل امکانپذیر شده است. اما این ساختار مطرح شده بصورت جزیرهای بوده و در شرایط وصل به شبکه برای این ساختار با روش کنترلي مطرح شده مشکالتي از جمله امکان انتقال توان از شبکه به منبع ورودی وجود داشته که منجر به کارآیي نامناسب این ساختار و حتي صدمه دیدن منبع ورودی ميشود. همچنین در هنگام اتصال این مبدل به سلول خورشیدی امکان دشارژ خازنهای شناور روی منبع فتوولتاییک وجود داشته و در نتیجه توانایي وصل به منابع فتوولتاییک برای این ساختار وجود نخواهد داشت. در عین حال بعلت پیچیدگي سیستم کنترلي ساخت آزمایشگاهي این مبدل حتي بصورت جزیرهای نیز مشکل خواهد بود. ساختار مبدل جدید پیشنهادی بر پایه مبدل DFCM بوده و همه مزایای آن از جمله حذف نقطه مشترک منابع ولتاژ dc ورودی کاهش تعداد منابع dc ورودی و افزایش تعداد سطوح را دارا ميباشد با این تفاوت که مستقل از تعداد سلولهای مبدل و تعداد سطوح ولتاژ تولید شده با جایگزینکردن تنها دو کلید یکطرفه با دو کلید دوطرفه و ارائه روش کنترلي جدید برای این مبدل مشکالت موجود در مبدل DFCM مرتفع شده و امکان تحصیل توان بیشینه از منابع فتوولتاییک و تحویل آن به شبکه با در نظر گرفتن مسایل ایمني حاصل ميشود. همچنین کاربردها و مزایای دیگری از قبیل فیلترهای اکتیو و توانایي تبادل توان اکتیو و راکتیو با شبکه و تسهیل در ساخت عملي و تولید صنعتي این مبدل نیز میسر خواهدشد. - مبدل پيشنهادی مبدل پیشنهادی جدید که شکل کلي آن در شکل )5( نشان داده شده است بوسیله روش کنترلي پیشنهادی که در این ساختار برای اولین بار مطرح شده توانایي اخذ حداکثر توان از منبع فتوولتاییک و تحویل آن به شبکه را دارا ميگردد. همچنین با تبدیل تنها دو کلید یکطرفه به دو کلید دوطرفه در سلول مربوط به منبع ورودی )سلول n ام( ایمني مبدل افزایش یافته و دو مشکل عمده ساختار مرجع [] که قبال ذکر شد مرتفع ميشود. در ادامه برای بررسي بیشتر مبدل و روش پیشنهادی همانطور که در شکل )6( مشاهده ميشود مبدل پیشنهادی پنجسطحي که زیر بخشي از ساختار جدید پیشنهادی است و متشکل از دو سلول ميباشد در نظر گرفته ميشود تا اینکه حجم معادالت کمتر شده و ساده سازی الزم برای سهولت ارائه روش کنترلي انجام گردد. شکل )5(: ساختار کلی مبدل پيشنهادی جديد شکل )6(: ساختار مبدل پيشنهادی پنج سطحی همانطور که در شکل )6( مشاهده ميشود کلیدهای کلیدهای دو مبدل طرفه پیشنهادی تنها 5 و ميباشند. نقطه قابل توجه در مورد این مبدل این ميباشد که با افزایش سلولها و به تبع آن افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجي نیازی به کلیدهای دوطرفه جدید در این ساختار نميباشد. حاالت مختلف کلیدزني در مبدل پیشنهادی جدید در جدول )( مشاهده ميشود. در این جدول هدایت کلید با شماره یک و عدم هدایت آن نیز با شماره صفر مشخص شده است. همچنین در این جدول X بر اساس حالت کاری مدار )شارژ یا دشارژ خازن که با استفاده از سیستم کنترلي تعیین ميشود( ميتواند صفر یا یک باشد. 3- روش کنترلی جديد برای ساختار پيشنهادی همانطور که قبال ذکر گردید برای سادگي ارائه با استفاده از روش کنترلي پیشنهادی مبدل پنجسطحي در نظر گرفته ميشود. فرض ميشود که در خروجي مبدل تعقیب جریان مرجع سینوسي دلخواه مد نظر باشد. همچنین طبق شکل )7( فرض ميشود که این مبدل توان راکتیوی با شبکه مبادله نکرده )طبق استاندارد )I 547 و تنها توان اکتیو مبادله نماید لذا ولتاژ شبکه و جریان مرجع هم فاز در نظر گرفته ميشود. شکل )7(: ولتاژ شبکه )v( و جريان مرجع )ir( n Pn i ( t ) 3 T 6 T 3 D 3 D 6 6 V, I Cell n n P n t n P n Cn v P i r C Cell ' D ' T ' D 5 ' T 5 5 T D T 5 D 5 C Cell D T D 4 4 Cell T 4 P L l t V ac R l V ac مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم - پائيز 395

4 Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 Output Voltage / -/ - جدول) (: حاالت مختلف کليدزنی در مبدل پيشنهادی X v ( t) v.in(. t) m i ( t) i.in(. t) r m X X 6 Charg e I< I> Capacitor Dicharg e - I> - I< در روابط فوق (t) v ولتاژ شبکه و r(t) i جریان مرجع ميباشد. جهت - )( )( سهولت پیشبیني جهت جریان تزریق شده به شبکه در هر مد کاری توسط مبدل پیشنهادی فرض شده است بیشترین سطح ولتاژ تزریقي توسط مبدل بیشتر از بیشینه ولتاژ شبکه باشد. لذا همانطور که در شکل )8( مشاهده ميشود پنج سطح ولتاژ خروجي مبدل پیشنهادی به ترتیب 4 3 و 5 در نظر گرفته ميشود. شکل )8(: ولتاژ خروجی مبدل )i( و ولتاژ شبکه )v( با توجه به شکل )8( مي توان سطوح ولتاژ خروجي مبدل را بصورت t مقادیر زیر در نظر گرفت: )3( )4( )5( )6( با توجه به شکل )7( فرض ميشود جریان مدار در لحظه برابر مقدار ( i (t آمپر باشد. در این زمان ولتاژ شبکه و جریان مرجع با توجه به v ( t ) v.in(. t ) m i ( t ) i.in(. t ) r m روابط )( و )( به ترتیب برابر خواهند بود با: حال برای یک دوره کلیدزني بعد سطح ولتاژ بهینه خروجي اینورتر برای اینکه نزدیکترین جریان به جریان مرجع را تولید کند محاسبه خواهد شد. برای این منظور مدار معادل مبدل را همانطور که در شکل V o )9( مشاهده ميشود ميتوان در نظر گرفت. در شکل )9( و شکل )9(: مدار معادل مبدل وصل به شبکه امپدانس مسیر بین مبدل و شبکه و ولتاژ خروجي مبدل ميباشد. با توجه به شکل )9( روابط زیر را ميتوان () di t i ( t) Vo v ( t) Vo vm in. t dt i ( t ) I t 3 L l R l نوشت: )9( )( با حل معادله )9( ميتوان نوشت: Vo i ( t) K e K in(. t) K co(. t) R vm K 3 R L R K K l l l vl m l 3 I V O v v L m m l 3 t e جریان مدار ( i (t اندازهگیری ميشود. سیستم کنترلي با t )( )( )3( )4( در لحظه استفاده از رابطه )( به ازای پنج سطح ولتاژ خروجي مبدل پنج جریان برای دوره کلیدزني بعدی محاسبه ميکند. بنابراین رابطه اختالف جریان مرجع و جریان مدار در یک دوره کلیدزني بعد به ازای پنج سطح ولتاژ خروجي مبدل با توجه به خواهد بود: رابطه زیر قابل محاسبه I I ( t T ) I ( t T ) r )5( در نتیجه کمترین اختالف جریان منجر به اعمال کلیدزني متناسب با سطح ولتاژ همان اختالف جریان خواهد شد. در لحظه اولیه وصل اینورتر پیشنهادی به شبکه خازن بدون ولتاژ اولیه ميباشد. در روش کنترلي مطرح شده برای اینکه مبدل در لحظه اولیه وصل به شبکه کارآیي مناسبي داشته و متحمل جریان زیاد کشیده شده نشود تا زمانیکه ولتاژ خازن به مقدار مناسب خود نرسیده 3 باشد جریان شبکه بوسیله کلیدهای این حالت منبع ورودی توسط کلیدهای و و هدایت شده و در 5 خازن را تا مقدار L l مناسب شارژ ميکند. زمانیکه ولتاژ خازن به مقدار مناسب خود رسید روش کنترلي حالت عادی خود را دنبال خواهد نمود. در شکلهای R l i v V v t )7( )8( Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم پائيز 395

5 Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 )( و )( شکل موج باالیي ولتاژ خروجي اینورتر و شکل موج پاییني جریان خروجي اینورتر ميباشد. همانطور که در شکل )( مشاهده ميشود اگر روش کنترلي لحظه اول اعمال نشود در حدود. ثانیه بعد حدود شصت درصد دوره اصلي زمان الزم خواهد بود تا اینورتر به عملکرد پایدار خود برسد. همچنین در این حالت جریاني حدود چهار برابر بیشینه جریان مدار از کلیدها عبور ميکند که ممکن است به کلیدها آسیب وارد نماید. اما با اعمال روش کنترلي لحظه اول اشاره شده اینورتر در حدود.5 ثانیه بعد دو و نیم درصد دوره اصلي به عملکرد پایدار خود خواهد رسید که در شکل) ( مشاهده ميشود. همچنین در لحظه اول در روش کنترلي اشاره شده جریان زیادی نیز کشیده نشده که حفاظت کلیدها را تضمین ميکند. شکل )(: ولتاژ و جريان خروجی بدون کنترل در لحظه اول شکل )(. الف شکل )(. ب شکل )(: مدار معادل دشارژ خازن با توجه به شکل )( مي توان معادالت زیر را برای حالت دشارژ خازن در نظر گرفت. v ( t) V.in( t) m i ( t) I.in( t) L m dil () t v ( t) vc ( t) L RiL ( t) dt v ( t) V.in(. t) RI.in(. t) LI.co(. t) c m m m )6( )7( )8( LIm Vm RIm LIm in( t arcin ) Vm RIm LIm )9( که در روابط فوق (t) v ولتاژ شبکه و c(t) v ولتاژ خازن ميباشند. L(t) i نیز جریان مدار بوده که بعلت تعقیب جریان سینوسي مرجع r(t) i یک جریان سینوسي است. همانطور که از جدول )( مشاهده ميشود بر خالف حالت دشارژ خازن که تنها در دو حالت کاری مدار میسر بود شارژ خازن در هر پنج حالت کاری مدار امکانپذیر ميباشد. زمانیکه ولتاژ خروجي مبدل برابر / با جریان منفي مدار و زمانیکه ولتاژ خروجي مبدل برابر / با جریان مثبت مدار ميباشد خازن شارژ ميشود. اما در زمانهایي که ولتاژ خروجي مبدل برابر و یا صفر ميباشد شارژ خازن با استفاده از روشن یا خاموش بودن کلید 5 و زمانیکه ولتاژ خروجي مبدل برابر - ميباشد شارژ خازن با استفاده از روشن یا خاموش بودن کلید کنترل ميشود. مدار معادل شارژ خازن در هر پنج مد کاری مبدل در شکل )3( مشاهده ميشود. R i C C شکل )(: ولتاژ و جريان خروجی با کنترل در لحظه اول 3-- روش در تعادل نگهداشتن ولتاژ خازن در این قسمت روش در تعادل نگهداشتن ولتاژ خازن در مقدار مورد نیاز بررسي ميشود. لذا همانطور که از جدول )( مشاهده ميشود دشارژ خازن در لحظاتي که ولتاژ خروجي مبدل برابر / با جریان مثبت مدار و همچنین زمانیکه ولتاژ خروجي مبدل برابر با / جریان منفي مدار ميباشد رخ ميدهد. در نتیجه ميتوان مدار معادل حالت دشارژ خازن را بصورت شکل )(. الف و ب در نظر گرفت. در شکل )3( R شکل )3(: مدار معادل شارژ خازن امپدانس کلیدهای مسیر جریان ميباشد. با توجه به شکل )3( ميتوان معادالت زیر را برای حالت شارژ خازن در نظر گرفت. R i ( t) v ( t) c dvc () t ic () t c dt v ( c t ) V c t RC )( )( )( V vc () t e )3( t RC e که در روابط فوق c(t) v و c(t) i نشانگر ولتاژ و جریان خازن ميباشند. C i L v C i L v مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم - پائيز 395

6 Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 بعلت اینکه R مقدار خیلي کمي دارد لذا ثابت زماني شارژ خازن کم بوده و به سرعت خازن شارژ ميشود. اما رابطه دشارژ خازن یک رابطه نوساني ميباشد. در نتیجه با کنترل مدت زمان شارژ خازن ميتوان ولتاژ آن را در مقدار دلخواه تنظیم نمود. 4- محاسبه ظرفيت خازن حالت شارژ و دشارژ خازن به ترتیب در شکلهای )( و )3( مشاهده ميشود. بعلت اینکه امپدانس R مقدار خیلي کمي ميباشد لذا ثابت زماني شارژ خازن بسیار کم بوده و در نتیجه ظرفیت خازن تنها برای حالت دشارژ خازن محاسبه ميشود. با توجه به رابطه ولتاژ-جریان خازن مي توان نوشت: vc ic c t )4( مدت زمان Δt مدت زمان یک دوره کلیدزني و Δv c میزان افت ولتاژ مجاز خازن در مدت یک دوره کلیدزني ميباشد که برابر پنج درصد ولتاژ خازن در نظر گرفته ميشود. لذا ميتوان نوشت: t T vc %5 مشاهده ميشود یک جریان )5( )6( جریان مدار که در شکل )( سینوسي بوده و برابر خواهد بود با با i in. L im t در رابطه )4( برابر مقدار بیشینه جریان مدار مقدار در i L )7( جریان i m i c رابطه )7( بوده و در نتیجه مقدار ظرفیت خازني با توجه به رابطه i. c t c v c )8( محاسبه ميشود. )8( 5- قابليت اجرای روش MPPT در مبدل پيشنهادی در صورتیکه ساختار پیشنهادی برای انتقال توان از سلولهای خورشیدی به سمت شبکه مورد استفاده قرار گیرد روش کنترلي در مبدل پیشنهادی MPPT را به روش برابری توان ورودی و توان خروجي انجام ميدهد. مزیت این روش در این ميباشد که بوسیله خود اینورتر MPPT انجام ميشود و مدار افزاینده) Boot ( مجزا یا مدار دیگری جهت MPPT نیاز نميباشد. روش کنترلي در مبدل پیشنهادی خواستار اخذ بیشینه توان از منبع فتوولتاییک در هر لحظه ميباشد. همانطور که از مشخصه P-V منبع فتوولتاییک مشخص است در هر لحظه و متناسب با شرایط آب و هوایي بیشینه توان تنها در یک نقطه از مشخصه قابل اخذ ميباشد که روش کنترلي باید نقطه کار منبع را در آن نقطه تنظیم نماید. لذا توان بیشینه منبع در هر لحظه با Ppv نمایش داده ميشود. همچنین فرض ميشود بازده مبدل و مسیر حدواسط بین مبدل و شبکه مجموعا ƞ باشد لذا تواني که در نهایت به شبکه تحویل داده ميشود برابر Pac خواهد بود. در نتیجه رابطه زیر بین توان سلول خورشیدی و توان شبکه برقرار خواهد بود: P ac P pv )9( بعلت اینکه فرض شده است جریان و ولتاژ شبکه هم فاز بوده و فقط توان اکتیو بین مبدل و شبکه مبادله ميشود لذا ميتوان نوشت P V I ac )3( که V و I به ترتیب ولتاژ مؤثر و جریان مؤثر شبکه ميباشد. حال اگر سیستم کنترلي با توجه به مشخص بودن V که ولتاژ شبکه ميباشد جریان مرجع Ir را که توسط I تعقیب خواهد شد طوری محاسبه و مشخص کند که همواره رابطه )9( برقرار باشد توان بیشینه در هر لحظه از منبع فتوولتاییک اخذ خواهد شد. 6- مقايسه ساختار مبدل ارائه شده در ][ در شکل )4( مشاهده ميشود. شکل )4( ساختار کلی DFCM ارائه داده شده در )( همانطور که در شکل )4( مشاهده مي شود اگر بعلت بروز مشکلي در مبدل هیچ یک از کلیدها نتوانند روشن بشوند جریان شبکه از مسیر دیودی همانند مسیر یک و دو که به ترتیب برای جریان های مثبت و منفي شبکه مي باشد مي تواند توان به منبع تحویل دهد که ممکن است با تجاوز از محدوده مجاز جریان منبع منجر به صدمه دیدن منبع ورودی شود. همچنین در هنگام وصل به آرایه خورشیدی بعلت تغییرات آب و هوایي ممکن است در بعضي از زمان های شبانه روز ولتاژ سلول خورشیدی از ولتاژ خازن های شناور کمتر شده و احتمال انتقال توان از خازن به آرایه خورشیدی همانند مسیر سه وجود داشته باشد که منجر به بروز مشکالتي در کارکرد مبدل از جمله آسیب دیدن آرایه در صورت عدم وجود دیود سری دشارژ خازن و برهم خوردن تعادل ولتاژ آن و کاهش کیفیت ولتاژ خروجي ميشوند. همانطور که در این شکل مشاهده ميشود هر سه مسیر در سلول n ام مشترک ميباشند لذا در مبدل پیشنهادی در این مقاله که شکل کلي آن در شکل )5( نشان داده شده است بوسیله روش کنترلي مطرح شده با تبدیل تنها دو کلید یکطرفه به دو کلید دو طرفه در سلول مربوط به منبع ورودی سلول n ام امکان برقراری جریان در مسیرهای یک الي سه که در شکل )4( مشاهده ميشوند برای حاالت ذکر شده وجود نداشته و ایمني مبدل افزایش یافته و دو مشکل عمده ساختار ][ مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم پائيز 395

7 Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 که در باال ذکر شد مرتفع خواهد شد. همچنین این ساختار توانایي اخذ حداکثر توان از منبع فتوولتاییک و تحویل آن به شبکه را دارا ميباشد. در ساختار پیشنهادی با تبدیل دو کلید یکطرفه به دو کلید دوطرفه در مسیر جریان یک دیود در مقایسه با ساختار ][ افزوده ميشود که منجر به افزایش ناچیز تلفات در مقایسه با ساختار ][ ميشود که بعلت اینکه افت ولتاژ دیود و امپدانس حالت وصل آن مقادیر خیلي کمي دارند ميتوان تلفات مبدل پیشنهادی را با تلفات مبدل ][ برابر در نظر گرفت. در این مقاله برای سهولت بیان روش کنترلي مطرح شده از تبادل توان راکتیو بین مبدل و شبکه صرفنظر شده است اما در مبدل پیشنهادی با تعیین مناسب جریان مرجع امکان تبادل توان راکتیو وجود دارد که بعلت محدودیت صفحات مقاله از اشاره به آن و نتایج شبیهسازی مربوطه صرفنظر ميشود. همچنین یکي از مواردی که باید مورد توجه قرار داد روش کنترلي برای مبدل پیشنهادی و مبدل DFCM ميباشد. روش کنترلي مبدل پیشنهادی عليرغم اینکه متصل به شبکه ميباشد در مقایسه با روش کنترلي مبدل DFCM سادهتر بوده که منجر به تسهیل در ساخت عملي آن ميشود. 7- نتايج شبيه سازی اینن شنبیهسنازی در محنیط ننرم افنزار PCAD/MTDC انجنام یافتهاست. شکل )6( مدار مورد استفاده در اینن شنبیهسنازی را نشنان ميدهد. مقادیر عناصر مورد استفاده در این شبیهسازی در جندول )( مشاهده ميشود. شکل )5( پالسهای آتنش کلیندهای - 6 را در اینورتر ارائه داده شده به ترتیب از باال به پایین نشان ميدهد. جدول )(: مقادير عناصر مورد استفاده در شبيهسازی parameter Vac R l L l C f f Vd, T Vd, D value attribute Inverter Input Voltage(V) Grid maximum voltage(v) Line Reitance(mΩ) Line Inductance(mH) Flying Capacitor(uF) witching Frequency(kHz) Grid Frequency(Hz) Thyritor Forward Voltage Drop(V) Diode Forward Voltage Drop(V) برای بررسي مناسب عملکرد مبدل پیشنهادی و روش کنترلني مطنرح شده ولتاژ ورودی در زمان.4 با 5 ولت افزایش برابر 65 ولنت و در زمان.6 با ولت کاهش برابر 55 ولت ميشود. ولتاژ ورودی )( ولتاژ شبکه ) V( ولتاژ خروجني )o ( و جرینان خروجني )o I( ایننورتر پیشنهادی در شکل )6( به ترتیب از باال به پایین نشان داده شدهاند. شکل )5(: پالسهای آتش کليدهای -6 همانطور که در این شکل مشاهده ميشود با تغییرات ولتاژ ورودی روش کنترلي توانایي تعقیب جریان مرجع را دارد. جریان خروجي )o I( با ولتاژ شبکه ) V( همفاز بوده که منجر به تبادل فقط توان اکتیو بین شبکه و اینورتر خواهد شد. همچنین ولتاژ خروجي اینورتر پیشنهادی )o ( ولتاژ پنجسطحي بوده که بعلت خاصیت سلفي خط واسط بین اینورتر و شبکه نسبت به ولتاژ شبکه پس فاز ميباشد. در اینورتر پیشنهادی ولتاژ )c V( و جریان )c I( خازن شناور نیز برای تغییرات ولتاژ ورودی که در باال ذکر گردید در شکل )7( به ترتیب از باال به پایین نشان داده شده است. همانطور که در این شکل مشاهده ميشود ولتاژ خازن )c V( بوسیله روش کنترلي پیشنهادی ارائه داده شده در حدود نصف ولتاژ ورودی ثابت ميماند. شکل) 6 (: به ترتيب از باال به پايين ولتاژ ورودی )( ولتاژ شبکه )Io( و جريان خروجی مبدل )o( ولتاژ خروجی مبدل )V( مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم - پائيز 395

8 Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 [8] A. Nabae, I. Takahahi, and H. Akagi, A new neutral point clamped PWM inverter, I Tran. Ind. Appl., vol. IA-7, no. 5, pp , ep./oct. 98. [9].Babaei, A Cacade multilevel converter topology with reduced number of witche, I Tran. Power lectron., vol. 3, no. 6, pp , Nov. 8. [] J. Rodr ıguez, J.. Lai, and F. Z. Peng, Multilevel inverter: A urvey of topologie, control and application, I Tran. Ind. lectron., vol. 49, no. 4, pp , Aug.. [] Z. Du, L. M. Tolbert, J. N. Chiaon, B. Ozpineci, H. Li, and A. Q. Huang, Hybrid cacaded H-bridge multilevel motor drive control for electric vehicle, in Proc. I Power lectron. pec. Conf., Jeju, Korea, Jun. 8, 6, pp. 6. [] Z. Du, L. M. Tolbert, and J. N. Chiaon, A cacade multilevel inverter uing a ingle fuel cell DC ource, in Proc. I Appl. Power lectron. Conf., Dalla, TX, Mar. 9 3, 6, vol., pp [3] Z. Du, B. Ozpineci, and L. M. Tolbert, Modulation extenion control of hybrid cacaded H-bridge multilevel converter with 7-level fundamental frequency witching cheme, in Proc. I Power lectron. pec. Conf., Tampa, FL, Jun. 7, 7, pp [4] B. P. McGrath and D. G. Holme, Natural current balancing of multicell current ource converter, I Tran. Power lectron., vol. 3, no. 3, pp , May 8. [5] P. Lezana, J. Rodr ıguez, R. Aguilera, and C. ilva, Fault detection on multicell converter baed on output voltage frequency analyi, in Proc. I Ind. lectron. Conf., 6, pp [6] T. A. Meynard, M. Fadel, and N. Aouda, Modelling of multilevel converter, I Tran. Ind. lectron., vol. 44, no. 3, pp , Jun [7] A.K.adigh,.H.Hoeini,.M.Barakati, and G.Gharehpetian, Flying capacitor multicell converter baed dynamic voltage retorer, in Proc. 4t North Amer. Power ymp. (NAP 9), Oct., pp. 6. [8] G. Gateau, T. A. Meynard, and H. Foch, tacked multicell converter (MC): Propertie and deign, in Proc. I PC Meeting,, pp [9] A.K.adigh,.Babaei,.H.Hoeini, and M.Faraat, Dynamic voltage retorer baed on tacked multicell converter, in Proc. I ymp. Ind. lectron. Appl. (IIA 9), Oct., Malayia, pp. 6. [] A. K. adigh,. H. Hoeini,. M. Barakati, and G. Gharehpetian, tacked multicell converter baed DVR with energy minimized compenation trategy, in Proc. 4t North Amer. Power ymp. (NAP 9), Oct., pp. 6. [] B.P.McGrath and D.G.Holme, Analytical modeling of voltage balance dynamic for a flying capacitor multilevel converter, I Tran. Power lectron., vol. 3, no., pp , Mar. 8. [] Arah Khohkbar adigh, eyed Hoein Hoeini, Mehran abahi, and Gevorg B. Gharehpetian, Double Flying Capacitor Multicell Converter Baed on Modified Phae-hifted Pulewidth Modulation, I Tran. Power lectron., Vol. 5, No. 6, June. [ ] فرزاد تهامي محمدرضا عابدی "تحليل و طراحی روش کنترل شکل) 7 (: به ترتيب از باال به پايين ولتاژ )Vc( و جريان )Ic( خروجی خازن شناور 8- نتيجه گيری در ساختار ارائه داده شده در این مقاله در مقایسه با ساختار] [ مستقل از تعداد سلولهای مبدل و تعداد سطوح ولتاژ تولیدی با جایگزینکردن تنها دو کلید یکطرفه با دو کلید دوطرفه امکان اتصال به شبکه با ایمني باال و همچنین ساخت صنعتي آن فراهم شده است. همچنین با ارائه روش کنترلي جدید برای این ساختار مبدل توانایي در تعادل نگهداشتن ولتاژ خازن در ولتاژ معین و توانایي اخذ بیشینه توان از سلول خورشیدی را بدست آورده است. در نهایت نحوه عملکرد مبدل پیشنهادی و روش کنترلي ارائه داده شده بوسیله روابط ریاضي و شبیهسازی تائید شده است. مراجع پيش بين برای يکسوکننده دارای اصالح ضريب توان با مبدل ارتقا يافته شپارد-تيلور" مجله مهندسي برق و الکترونیک ایران شماره اول صفحهه یا 9- بهار و تابستان 39. []. Alepuz,. Buquet-Monge, J. Bordonau, J. Gago, D. Gonzalez, and J. Balcell, Interfacing renewable energy ource to the utility grid uing a three-level inverter, I Tran. Ind. lectron., vol. 53, no. 5, pp. 54 5, Oct. 6. [] T. A. Meynard, H. Foch, F. Foret, C. Turpin, F. Richardeau, L. Delma, G. Gateau, and. Lefeuvre, Multicell converter: Derived topologie, I Tran. Ind. lectron., vol. 49, no. 5, pp , Oct. [3] P.Lezana,J.Rodr ıguez,andd.a.oyarzún, Cacaded multilevel inverter with regeneration capability and reduced number of witche, I Tran. Ind. lectron., vol. 55, no. 3, pp , Mar. 8. [4] L. M. Tolbert, F. Z. Peng, and T. G. Habetler, Multilevel converter for large electric drive, I Tran. Ind. Appl., vol. 35, no., pp , Jan./Feb [5] Z. Du, L. M. Tolbert, B. Ozpineci, and J. N. Chiaon, Fundamental frequency witching trategie of a evenlevel hybrid cacaded H-bridge multilevel inverter, I Tran. Power lectron., vol. 4, no., pp. 5 33, Jan. 9. [6] J.Rodr ıguez, J.Lai,andF.Peng, Multilevel inverter: A urvey of topologie, control and application, ITran.Ind.lectron.,vol.49,no.4, pp , Aug.. [7] M. abahi,. H. Hoeini, M. B. B. harifian, A. Y. Goharrizi, and G. B. Gharehpetian, A three-phae dimmable lighting ytem uing a bidirectional power electronic tranformer, ITran. Power lectron., vol. 4, no. 3, pp , Mar. 9. Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم پائيز 395

9 Journal of Iranian Aociation of lectrical and lectronic ngineer - Vol.3- No.3- Fall 6 ] غالمرضا عرب مارکده محمد صدوق "کنترل مستقيم گشتاور و [ ضريب توان يک موتور القايی با خطی سازی ورودی-خروجی با استفاده از مبدل ماتريسی" مجله مهندسي برق و الکترونیک ایران شماره اول صفحهه یا 39-3 بهار و تابستان 39. روح اهلل عبداللهي علیرضا جلیلیان "مبدل 4AC-DC پالسه ] [ مبتنی بر اتوترانسفورماتور چنگالی به منظور بهبود شاخص های کيفيت توان" مجله مهندسي برق و الکترونیک ایران شماره Downloaded from jiaeee.com at 6: 43 on aturday July 4th 8 اول صفحهه یا 36-9 بهار و تابستان 393. مجله انجمن مهندسين برق و الکترونيک ايران- سال سيزدهم- شماره سوم - پائيز 395