معرفی یک سلول جدید برای اینورتر چندسطحی با دو استراتژی اتصال آبشاری

Transcript

1 مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز 61 شماره پیاپی 16 معرفی یک سلول جدید برای اینورتر چندسطحی با دو استراتژی اتصال آبشاری عماد صمدایی 6 دکتری سیداصغر غالمیان 2 استادیار عبدالرضا شیخاالسالمی دانشیار جعفر ادبی 7 استادیار 6- دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل - بابل - ایران - e.samadaei@stu.nit.ac.ir 2- دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل - بابل - ایران - gholamian@nit.ac.ir - دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل - بابل - ایران - asheikh@nit.ac.ir 7- دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل - بابل - ایران - j.adabi@nit.ac.ir چکیده: با توجه به گسترش منابع انرژی تجدیدپذیر برای ایجاد منابع AC مطمئن و پایدار اینورترهای چندسطحی با مدلها و ساختارهای متفاوت جایگاه ویژهای پیدا نمودهاند. در این مقاله با در نظر گرفتن آرایشی متفاوت از نیمههادیه یا نامتقارن با دو نوع استراتژی اتصال آبشاری معرفی گردیده است که در شاخصه یا لینکه یا الکترونیک قدرت ساختار جدیدی از اینورتر چندسطحی مقایسه اینورترهای چندسطحی نظیر تعداد نیمههادیها تعداد DC تعداد سطوح قابل استحصال در خروجی کاهش THD شکل موج خروجی و قابلیت اتصال آبشاری قابل مقایسه با مدله یا مشابه میباشد. ساختار معرفیشده بهطور ذاتی قابلیت تولید سطوح منفی در ولتاژ خروجی را بدون بهکارگیری مدار جانبی )نظیر مدار تمامپل( دارد. ساختار پیشنهادی بهصورت تکسلول 6 سطح خروجی و در استراتژیه یا مینماید. از نرمافزار MATLAB جهت شبیهسازی ساختار پیشنهادی و استراتژیه یا اتصال آبشاری بهصورت دو سلول 22 و 61 سطح خروجی را تولید اتصال آبشاری آن استفاده شده است. همچنین بهمنظور اعتبارسنجی عملی ساختار ارائهشده در آزمایشگاه الکترونیک قدرت ساخته شد و نتایج شکل موج خروجی آن مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفته است بهطوریکه در تمامی سطوح خروجی میزان سقف مجاز THD را رعایت نموده است که عملکرد ساختار معرفیشده و اتصاالت آبشاری آن را مورد تأیید قرار میدهند. واژههای کلیدی: الکترونیک قدرت اینورتر چندسطحی THD اتصال آبشاری. Introduction of a New Module for Multilevel Inverter with Two Cascade Connection Strategies E. Samadaei 1, PhD; S. A. Gholamian 2, Assistant Professor; A. Sheikholeslami, Associate Professor; J. Adabi 4, Assistant Professor 1, 2,, 4- Faculty of Electrical and Computer Engineering, Babol University of Technology, Babol, Iran, s: 1- e.samadaei@stu.nit.ac.ir, 2- gholamian@nit.ac.ir, - asheikh@nit.ac.ir, 4- j.adabi@nit.ac.ir Abstract: Multilevel inverters with various topologies are become significant power electronic devices based on the extension of renewable sources to create AC stable sources. In this paper, a new module of multilevel inverter with two cascade connections is introduced by different arrangement of semiconductor devices. The module is comparable with conventional multilevel inverter in the number of components, output levels, THD and modularity. The presented module has the inherent ability to produce negative levels without auxiliary circuit (such as H-Bridge). The proposed module creates 1 levels in single module and 25 and 169 levels in two cascade connection strategies. The module and its cascade connections strategies are simulated by Matlab. Also a prototype module is implemented in power electronics laboratory. The results show a good performance of introduced module and satisfy IEEE519 standard. Keywords: power electronics, multilevel inverter, THD, cascade connection. تاریخ ارسال مقاله: 62/42/47 تاریخ اصالح مقاله: 62/42/64 و 62/44/61 تاریخ پذیرش مقاله: 62/4/62 نام نویسنده مسئول: جعفر ادبی فیروزجایی نشانی نویسنده مسئول: ایران - بابل - خیابان دکتر شریعتی - دانشگاه صنعتی بابل - دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر.

2 6662/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز مقدمه با توجه به گسترش استفاده از منابع انرژیهای تجدیدپذیر بهکارگیری تجهیزات الکترونیک قدرت امری ضروری بهشمار میرود. با استفاده از این تجهیزات برق تنظیمشده تبدیل و به تنظیمنشده حاصل از این منابع به برق DC و یا AC مصرفکننده ارسال خواهد شد. اینورترهای چندسطحی شامل آرایهای از کلیدهای نیمههادی قدرت و منابع ولتاژ خازنی یا منابع DC مستقل میباشند. کموتاسیون کلیدها باعث میشود ولتاژ خازنها یا منابع DC مستقل با هم جمع شده و در خروجی اینورتر مقادیر ولتاژ باالیی بهدست آید درحالیکه ولتاژ نامی کلید قدرت بهمراتب از مجموع ولتاژ کمتر لینکهای میباشد. DC مهمترین ویژگیهای اینورترهای چندسطحی عبارتاند از: تولید ولتاژ خروجی با اعوجاج بسیار کم ایجاد ولتاژ خروجی در سطوح باالتر کاهش نیمههادی توانایی عملکرد در فرکانس کلیدزنی اینورترهای دوسطحی و.... موضوعه یا از تنش کمتر اصلی برای کلیدهای نسبت به اینورترهای چندسطحی حذف هارمونیک است. چراکه این مبدلها بهدلیل دارا بودن آرایشی از عناصر الکترونیک قدرت هارمونیک به شبکه قدرت سراسری تزریق میکنند که موجب افت کیفیت توان و درنتیجه کاهش اطمینان شبکه قدرت میشوند. ازاینرو تحقیقات زیادی بر روی آن انجام شده است [-6]. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است اینورترهای چندسطحی به سه نوع دستهبندی میشوند: مهار دیودی یا نول مهارشده )FC( خازن شناور )NPC( پله یا متوالی یا منابع مستقل DC.)CASCADE( در اواخر دهه 614 میالدی با پشت سر هم قرار دادن منابع DC بهکمک اتصال سری پله یا مدل H تکنولوژی اینورترهای چندسطحی پدیدار گشت که بسیار مورد توجه قرار گرفت. پس از آن با جایگزینی خازن بهج یا منبع DC نوع دیگری از اینورتر چندسطحی ارائه گردید که تعداد منبع DC مستقل را کاهش میداد [7]. اما اولین مبدل قدرت عملی قابل استفاده در سطح ولتاژ متوسط در 616 میالدی بنام مهار دیودی )NPC( معرفی شد تا اینورترهای چندسطحی شکل جدیدی به خود بگیرند [2]. پس از آن دومین نوع اینورترهای چندسطحی با نام خازنه یا شناور )FC( در اوایل دهه 64 میالدی ارائه گردید [1] و درنهایت اینورتر CHB با قابلیت استفاده در سطح ولتاژ متوسط در 61 میالدی بازطراحی شد [4]. از این دوره به بعد این سه نوع اینورتر در صنعت جایگزین اینورترهای دوسطحی گردیدند بهطوریکه سیستمهای با سطح ولتاژ 1/1 کیلوولت تا توان 24 مگاوات را پوشش میدادند [1]. ویژگیهای قابلتوجه اینورترهای چندسطحی سبب ارائه و ساخت ساختارهای و مدلها از اینورترهای مختلفی چندسطحی گردیده است. در ساختار [] هر سطح توسط ساختاری متشکل از دو کلید و یک منبع تولید میگردد. با اتصال سری سلولها ولتاژ حاصل از هر سلول با یکدیگر جمع شده و سطح ولتاژ خروجی نهایی را تعیین میکنند. جهت تولید سطوح ولتاژ منفی در انتهای خروجی مدل ارائهشده از یک اینورتر تمامپل استفاده شده است. در ا نی ساختار کلیدهای اینورتر تمامپل نسبت به سایر کلیدهای مدل ولتاژ بیشتری را متحمل میشوند. جهت رفع این مشکل تنش کلیدهای اینورتر تمامپل بین هر زیر مدل تقسیم میگردد [64]. در این ساختار جهت تولید سطوح ولتاژ در است. تجهیزات پژوهشه یا کمتر اینورترهای چندسطحی نامتقارن بیشتر دو خازن به هر منبع DC اضافه شده انجامشده تولید سطوح ولتاژ بیشتر همواره مورد توجه محققین قرار داشته است. توسط در استفاده از منابع DC با مقادیر متفاوت با هدف کاربرد در حوزههایی با منابع DC زیاد نظیر مزارع خورشیدی و با امکان اتصال چند منبع بهصورت سری و تشکیل منابع DC نامتقارن طراحی شدهاند و کاربردهایی در انرژیهای نو دارند. این ساختار تولید سطوح ولتاژ اساس استفاده بهینه مدله یا از بیشتر با تجهیزات کمتر را ممکن کرده است. بر همین منابع گوناگون شده است DC با مقادیر متفاوت سبب طراحی.[6-66] ساختارهای دیگری از اینورترهای چندسطحی نامتقارن در [64-67] ارائه شده و مورد مطالعه قرار گرفته است. منبع جریانی در شکل 1: دستهبندی اينورترهای چندسطحی اینگونه ساختارها تعداد اجزا و همچنین میزان هزینه را بهطور چشمگیری کاهش میدهد. اگرچه کاهش تعداد کلیدها باعث افزایش استرس بر روی ادوات نیمههادی قدرت میگردد اما قابلیت اتصال آبشاری این میزان استرس را در سلولها تقسیم و کاهش میدهد. همچنین حالته یا اضافی کلیدزنی برای سطح ولتاژهای مختلف ایجاد میگردد که انتخاب حالت کلیدزنی را برای بعضی از سطوح افزایش میدهد. اینورتر تبادل بار یکی از چالشه یا کاربردهای ولتاژ باال مهم در طراحی اینورترهای چندسطحی برای تنش خروجی است. جهت کاهش ولتاژ باالی کلیدهای اینورتر تنش تمامپل اعمالی به کلیدها ولتاژ اینورتر تمامپل بین تمامی زیر مدلها تقسیم میگردد. به این ترتیب تنش یکنواختتری به هر کلید اعمال میشود اما این امر منجر به افزایش تعداد نیمههادیها میشود. در این مقاله ساختار جدیدی از اینورتر چندسطحی نامتقارن 6 اینورتر PWM مبدل غیرمستقیم اینورتر دوسطحی مبدل های فشار قوی منبع ولتاژی سطحی اینورتر چندسطحی FC NPC مبدل مستقیم سیکلوکانورترها CASCADE متقارن نامتقارن با هدف کاهش تعداد اجزای تشکیلدهنده ساختار )کلیدهای نیمههادی قدرت( برای بهرهبرداری

3 666/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز 61 حداکثری از منابع DC و افزایش تعداد سطوح خروجی ارائه شده است. همچنین با توجه با قابلیت اتصال آبشاری ساختار معرفی شده استراتژی اتصال آبشاری آن در دو حالت ابتکاری در نظر گرفته شده است که افزایش خروجی حاصل اینورتر قابلتوجهی میشود. بر این چندسطحی نامتقارن برای تولید سطوح و دامنه ولتاژ در اساس در ادامه به تشریح ساختار ارائهشده الگوی کلیدزنی استراتژی اتصال آبشاری آن و همچنین مقایسه مدل ارائهشده با سایر مدله یا موجود پرداخته خواهد شد. همچنین روش کلیدزنی کنترل نزدیکترین سطح (NLC) در بخش تشریح شده است و در بخش 7 نتایج شبیهسازی و ساخت آزمایشگاهی ساختار میگردد و در بخش آخر نتیجهگیری ارائه خواهد شد. 2- مدل پیشنهادی معرفیشده بیان شکل 2 ساختار اینورتر چندسطحی نامتقارن را نشان میدهد که در آن فرکانس کلیدزنی برای کلیدهای با تنش زیاد تا حد امکان کم باشد. بهعبارتی dv dt کمتری ایجاد شود. ترتیب حالت کلیدزنی )استراتژی کلیدزنی( طوری انتخاب شود که در هر تغییر سطح کمترین تعداد کلید خاموش و روشن گردند و تلفات کلیدزنی به حداقل برسد. هرچه تعداد منابع غیرهمسان مشابه باشند هزینه ساخت کاهش مییابد. در طراحی ح یت االمکان اتصاالت بهگونهای باشد که قابلیت اتصال آبشاری بهراحتی فراهم گردد )مانند اتصال CHB که راحتتر از NPC و FC میباشد(.[61] جدول 1: حاالت اتصال لینک DC لينکه یا -(V C1 +V C2 ) DC اينورتر چندسطحی نامتقارن سطوح ولتاژ V DC 2V DC V DC 0 -V C2 -V C1 0 2V V V DC است. C2 = 2 V یا به عبارتی C1 C2 = V V DC C1 = V DC 2V DC V DC V C1 V C2 V C1 +V C2 VC1 - Vout VC2 - شکل 2: ساختار کلی اينورتر چندسطحی نامتقارن با اتصال مناسب سه سطح این سه سطح به ترتیب لینک V DC VC1 2V DC و را داریم و برای ایجاد V DC VC2 و VC1 +VC2 در مدار قرار میگیرند. درصورتیکه ساختار اینورتر قابلیت ایجاد سطح منفی را هم V DC 2V DC داشته باشد میتواند سه سطح و V DC را نیز ایجاد کند. این قابلیت به نوع آرایش کلیدها و ساختار بستگی دارد. در هر صورت با کمک لینک DC غیرهمسان هفت سطح )سه سطح مثبت سه سطح منفی و سطح صفر( فراهم میشود. جدول 6 نحوه تولید سطوح ولتاژ با کمک لینکه یا DC را نمایش میدهد. این افزایش سطح تنها با کمک دو لینک DC غیرهمسان بهوجود آمده و به دنبال آن THD کاهش یافته است. این حاالت با افزایش تعداد منابع با مقادیر متفاوت و آرایش کلیدها قابل گسترش است. برای طراحی اینورتر چندسطحی نامتقارن باید به چند نکته توجه داشت که میتوان به موارد زیر اشاره نمود: در هیچ یک از حاالت کلیدزنی مسیر اتصال کوتاهی برای لینکهای DC ایجاد نگردد پیکربندی ساختار در این مقاله ساختار 6 سطحی آرایش جدیدی از نیمههادیهای الکترونیک قدرت را میدهد. این نمایش شکل بهصورت )سلول( شامل 7 منبع DC نابرابر )2 منبع با سطح ولتاژ ساختار و (P.U) 2VDC, 2 منبع با سطح ولتاژ (P.U) )1VDC, است که 64 کلید و 64 دیود الکترونیک قدرت آنها را احاطه کردهاند. این 64 کلید شامل 1 کلید تکجهته )S1 تا و S8( )S7 و 2 کلید دوجهته S6( میباشند. این بدین معنی است که برای خاموش و روشن کردن 64 کلید تنها به 1 درایور نیاز است. بهعبارتی تعداد درایورها کمتر از تعداد کلیدها میباشند. بهکارگیری DC منابع غیرهمسان این اینورتر را جز دسته اینورتر چندسطحی Cascade نامتقارن قرار میدهد. ازجمله مزایای این اینورتر استفاده از حداکثر ظرفیت ایجاد تعداد سطوح ولتاژ حداقل بهازای تجهیزات است بهطوریکه با این تعداد اجزا 6 سطح خروجی از این مدل پیشنهادی قابل استحصال است. 6 سطح خروجی سلول شامل 1 سطح مثبت 1 سطح منفی و سطح صفر است. قابل ذکر است این سلول بهطور ذاتی سطوح منفی را ایجاد میکند و برخالف سایر مدلها نیاز به بهکارگیری اینورتر تمامپل )H-Bridge( در خروجی خود ندارد لذا تنش کلید اینورتر تمامپل که کل خروجی ولتاژ بر روی آن قرار داشت حذف میگردد.

4 6667/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز 61 تقارن حالت کلیدزنی را بهخوبی نمایش میدهد. همچنین از شکل مالحظه میشود طراحی سلول به قدری هوشمندانه صورت گرفته است که هیچ یک از قطبه یا مثبت لینکهای DC بر روی آند دیودها قرار ندارد و همچنین شکل 7 که مسیرهای کلیدزنی را نمایش میدهد مسیر حلقه بستهای را برقرار نمیکند. بنابراین تضمین میشود که اتصال کوتاهی در مدار برقرار نخواهد شد. S1 2VDC A S2 2VDC S S7 1VDC S8 S5 B 1VDC شکل : سلول 1 سطحی جدول 2 الگوی کلیدزنی را شرح داده است. همانطور که مالحظه میشود کلیدهای S1 و S4 برای سطوح مثبت و کلید S2 و S برای سطوح منفی بهکار گرفته میشوند و هرگز زوج کلیدهای )S1 و )S S2( و S4( و )S5 و S6( همزمان روشن نخواهند بود. A وB دو سر خروجی سلول در نظر گرفته شده است. نحوه کلیدزنی سلول بهصورت شکل 7 است که جدول 2: جدول کليدزنی سلول پيشنهادی سطوح مثبت سطوح منفی تعداد روشن شدن در هر سیکل S1 S2 S S4 S5 S6 S7 S8 1V DC V DC V DC V DC V DC V DC V DC V DC V DC V DC V DC V DC S6 S4 1V DC 2V DC V DC 4V DC 5V DC 6V DC -1V DC -2V DC -V DC -4V DC -5V DC -6V DC شکل 4: حاالت کليدزنی سلول 1 سطحی )رديف باال: سطوح مثبت رديف پايين: سطوح منفی( 6VDC 5VDC 4VDC VDC 2VDC 1VDC -1VDC -2VDC -VDC -4VDC -5VDC -6VDC S1 S2 S S4 S5 S6 S7 S8 جدول 2 برای یک دوره کاری اینورتر بهصورت شکل 2 مرتب شده است بهصورتیکه تعداد و زمان روشن/خاموش بودن هر کلید در یک موج سینوسی بهطور واضح مشخص است. شکل 2 بیان S 7 S 4 میکند که کلیدهای S S 2 S 1 و در فرکانس کاری بسیار کم و سایر کلیدها در فرکانس کاری منطقی کار میکنند. ستون آخر جدول 2 تعداد روشن شدن هر کلید در یک سیکل را بیان میکند. جدول رابطه ریاضی تعداد اجزای سلول 6 سطحی را بر اساس تعداد سطح )NL( و بر اساس تعداد سلول )n( نمایش میدهد. شکل 5: الگوی کليدزنی در يک دوره کاری در سلول پيشنهادی

5 6662/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز 61 S S Vu1 VL1 Vu2 VL2 S5 S5 S1 S7 S8 S1 S7 S8 A1 B1 A2 B2 S2 S2 Vu1 VL1 S6 Vu2 VL2 جدول : روابط تعداد اجزای سلول 1 سطحی بر اساس تعداد سطح * بر اساس تعداد سلول سطح 12n+1 N L تعداد کلید -1)/6 L 10n 5(N تعداد دیود -1)/6 L 10n 5(N تعداد درایور -1)/6 L 8n 8(N تعداد لینک 4n (N L -1)/ DC 28n 2(N L +1) * تعداد سطوح به فرم 1+12n هستند که.,,1=n,2 مجموع تنش ولتاژ کلیدها 2-2- توسعه ساختار به حالت آبشاری اتصال آبشاری در اینورترهای چندسطحی باعث افزایش اندازه و تعداد سطوح خروجی ولتاژ میگردد. برای ارائه و بررسی دو استراتژی اتصال آبشاری شکل 1 برای ساختار در نظر گرفته خواهد شد. در هر دو استراتژی سلول باالیی )u1( سطوح 0 ±1VDC ±2VDC ±5VDC ±4VDC ±VDC و ±6VDC را تولید میکند. اما در سلول پایینی )u2( مقادیر در دو استراتژی متفاوت است که در جدول 7 بیان شده است. در استراتژی اول منابع سلول دوم مقادیری مشابه با سلول اول دارند VL2=1VDC( )Vu2=2VDC, و در استراتژی دوم مقادیر منابع سلول بهعبارتی,Vu2=26VDC سلول برابر دوم 6 قبل خواهند بود ±1VDC بنابراین در استراتژی دوم سلول پایین سطوح 0.VL2=1VDC ±65VDC ±52VDC ±9VDC ±26VDC و ±78VDC را تولید و سلول باال سطوح بین آنها را ایجاد میکند. جداول 2 و 1 نحوه تولید سطوح را برای اتصال دو سلول به ترتیب در استراتژی اول و دوم نشان میدهد. مالحظه میشود که در استراتژی اول 22 سطح تولید میشود بهصورتیکه تعداد حالت بیشتری برای تولید یک سطح مشخص وجود دارد و در عوض در استراتژی دوم تعداد 61 سطح برای تولید ولتاژ خروجی بهدست میآید. جدول 4: استراتژی اتصال آبشاری ساختار پيشنهادی شکل 6: اتصال آبشاری در ساختار پيشنهادی جدول 5: نحوه توليد سطوح برای اتصال دو سلول در استراتژی اول S6 ساختار 1 سطحی * u1= u2= S4 S4 سلول اول (u1) استراتژی اول سلول دوم (u2) استراتژی دوم VL2= مجموع سطوح سلول قبل Vu2=2xVu, Vu2=26V DC VL2=1V DC Vu2, VL2= مانند سلول قبل سطوح خروجی 0 ±1V DC, ±26V DC, ±9V DC, ±52V DC, ±65V DC, ±78V DC Vu2=2V DC VL2=1V DC سطوح خروجی 0 ±1V DC, ±2V DC ±V DC,±4V DC, ±5V DC, ±6V DC Vu1=2V DC VL1=1V DC سطوح خروجی جدول 6: نحوه توليد سطوح برای اتصال دو سلول در استراتژی دوم ساختار 1 سطحی * u1= u2= ±1V DC, ±2V DC ±V DC, ±4V DC, ±5V DC, ±6V DC

6 6661/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز مطالعه مقایسهای در جدول 4 مطالعه مقایسهای بین ساختار معرفیشده و همچنین اینورترهای مرسوم صورت پذیرفته است. در این مقایسه تعداد نیمههادیها و درایورها تعداد لینکهای DC مجموع تنش ولتاژ کلیدها و نحوه تولید سطوح منفی در نظر گرفته شده است. FC NPC [6] U-cell و [62] CSMLI [64] 2CLHB [] MLDCL CHB از جمله مهمترین و معتبرترین اینورترهای چندسطحی هستند که در جدول 4 مورد مقایسه قرار گرفته است. مالحظه میشود که تعداد نیمههادیها برای سلول 6 سطحی به مقدار 6/(1- L N)5 کاهش یافته است. همچنین برای تولید سطوح به تعداد لینکهای DC کمتری نیاز میباشد بهعبارتی /(1- L N) برای سلول 6 سطحی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. ازجمله ویژگیهای این ساختار تولید سطح منفی بدون مدار جانبی است و بهصورت ذاتی با ایجاد مسیرهایی از لینکهای DC بهصورت برعکس قادر به تولید چنین سطوحی میباشد. با در نظر گرفتن این ویژگیها مجموع تنش ولتاژ کلیدها همچنان در رنج منطقی مشابه سایر مدلها قرار دارد. شکلهای 4 تا 64 بهترتیب نمودارهای تعداد نیمههادیها تعداد لینکهای DC تعداد درایورها و مجموع تنش ولتاژ کلیدها را تا 24 سطح نمایش میدهد که گویای عملکرد بسیار خوب ساختار پیشنهادی میباشد. جدول 7: مقايسه اينورترهای چندسطحی U-cell [19] CSMLI [12] 2CLHB[10] MLDCL[9] CHB FC NPC سلول 1 سطحی تعداد کلید -1) L 5(N L -1)/6 N L +1 N L +1 N L +1 N L + 2(N L -1) 2(N L -1) 2(N تعداد دیود +1 L 5(N L -1)/6 N L +1 N L +1 N L +1 N L + 2(N L -1) 2(N L -1) N تعداد درایورها -1) L 2(N L -1)/ N L +1 N L +1 N L +1 N L + 2(N L -1) 2(N L -1) 2(N تعداد لینک (N L -1)/ (N L -1)/2 (N L -1)/2 (N L -1)/2 (N L -1)/2 (N L -1)/2 (N L -2) (N L -1)/2 DC مجموع تنش ولتاژ کلیدها (xvdc) تولید سطح منفی 2(N L +1) 2(N L -1) 2(N L -1) 2(N L -1) (N L -1) 2(N L -1) 2(N L -1) 2(N L -1) با با با حداقل با حداقل با با با ذاتی دو بازو دو بازو H-Bridge H-Bridge H-Bridge H-Bridge H-Bridge شکل 7: نمودار مقايسه تعداد کليدهای نيمههادی ساختار پيشنهادی با ساير ساختارهای مشابه شکل 8: نمودار مقايسه تعداد لينکه یا ساير ساختارهای مشابه DC ساختار پيشنهادی با شکل 9: نمودار مقايسه تعداد درايورهای ساختار پيشنهادی با ساير ساختارهای مشابه شکل 11: نمودار مقايسه مجموع تنش ولتاژ کليدها ساختار پيشنهادی با ساير ساختارهای مشابه

7 6664/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز 61 - کلیدزنی NLC روش کلیدزنی کنترل نزدیکترین سطح (NLC) در [24] یک روش مناسب و با حجم محاسباتی کم و سرعت باال است. در بسیاری از اینورترهای چندسطحی و بهخصوص اتصال آبشاری آنها تعداد سطوح زیاد است و به دنبال آن محاسبه معادالت برای استخراج زاویای کلیدزنی در برخی روشها پیچیده و در برخی اوقات غیرممکن میگردد. از اینرو در اینورترهای با تعداد سطوح خروجی زیاد از روش کلیدزنی کنترل نزدیکترین (NLC) سطح جهت ایجاد شکل موج مطلوب استفاده میگردد. شکل 66 این روش کلیدزنی را شرح میدهد. بهصورتیکه پردازشگر از یک نقطه از ولتاژ مرجع (Vref) نمونهبرداری میکند سپس این مقدار را به نزدیکترین سطح ولتاژ (VaN) گرد خواهد نمود. هر سطح بر اساس جدول کلیدزنی خود وضعیت کلیدها را تغییر داده تا سطح مورد نظر در خروجی اینورتر تولید شود )شکل 66 )ب((. نمونهبرداری برای هر دوره نمونهبرداری (Ts) تکرار میشود. )الف(.)optocoupler-driver( به این ترتیب با روشن شدن کلیدهای مورد نظر طبق جدول کلیدزنی ساختار سطح مطلوب و شکل موج سینوسی ایجاد میگردد. ATM16 BUFFER HCPL120 Vin1 Vin2 Vout1 Vout1 Vout2 Vout2 IGBT/DIODE شکل 12: نحوه درايو کردن کليد نيمههادی همچنین در اجرای آزمایشها بر روی نمونه آزمایشگاهی نتایج برای سلول و اتصال آبشاری آن در حالت استراتژی اول ارائه گردیده است و بهعلت محدودیت امکانات آزمایشگاهی و یکپارچهسازی نتایج آزمایشها با سطح ولتاژ 2 ولت برای هر پله اجرا شده است. از طرفی آزمایشهای عملی تحت بار اهمی و اهمی- سلفی صورت گرفته است. پیکربندی و مشخصات تجهیزات بهکاررفته به ترتیب داده شده است. A در شکل 6 و جدول 1 نمایش S1 S2 2VDC 2VDC DC 1VDC S S7 S4 R L 1VDC S8 S5 S6 B )ب( شکل 11: روش NLC الف( شکل موج ب( الگوريتم کنترل 4- شبیهسازی و ساخت آزمایشگاهی هدف از شبیهسازی و ساخت نمونه آزمایشگاهی تولید شکل موج سینوسی با فرکانس 24 هرتز است. در شبیهسازیها سطح ولتاژ هر پله 64 ولت در نظر گرفته میشود و نتایج برای ساختار و اتصال آبشاری آن )استراتژی اول و دوم( ارائه شده است. شکل 62 طرح کلی نحوه درایو کردن کلید نیمههادی را نشان میدهد. بر اساس محاسبات و کدنویسیهای صورتگرفته سیگنال پالس روشن/خاموش کلیدها از طریق پردازشگر ATMEGA16 فراهم میگردد. این سیگنال پس از عبور از تقویتکننده 7404 تقویت شده و برای درایور HCPL120 ارسال خواهد شد تا عالوهبر تقویت قدرت پالس برای پایه گیت- امیتر کلیدها بخش کنترلی و قدرتی مدار را از هم مجزا کند شکل 1: بلوک دياگرام پيکربندی آزمايشگاهی سلول جدول 8: مشخصات تجهيزات بهکاررفته در شبيهسازی و نمونه شبیهسازی آزمايشگاهی نمونه آزمایشگاهی کلید نیمههادی IGBT12n60a4 IGBT دیود نیمههادی RHRP15120 Diode سطح ولتاژ هر پله نوع آزمایش 2V 64V تک سلول اتصال آبشاری )استراتژی اول و دوم( تک سلول اتصال آبشاری )استراتژی اول( تحت بار اهمی و اهمی-سلفی پردازشگر -- ATMEGA16 درایور -- HCPL120 بافر -- SN7404 مقاومت -- 4Ω سلف -- 44mH

8 6661/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز نتایج شبیهسازی و آزمایش عملی شکل موج سینوسی 67 شکل هرتزی 24 تولیدشده سلول توسط 6 سطحی را نشان میدهد که سیزده خروجی در آن قابل مشاهده است. همچنین شکلهای 62 و 61 به ترتیب شکل موج خروجی اینورتر آبشاری )با دو سلول 6 سطحی( برای استراتژی حالت اول ) 22 سطحی( و استراتژی حالت دوم )61 سطحی( را نمایش میدهند. آبشاری )با دو سلول 6 سطحی( برای استراتژی حالت اول ) 22 سطحی( به ترتیب برای ضرایب توان واحد و 0/8 در شکلهای 24 و 26 نمایش داده شدهاند. شکل 14: شکل موج خروجی سلول 1 سطحی )شبيهسازی( شکل 17: تصوير نمونه ساختهشده سلول 1 سطحی شکل 15: شکل موج خروجی مربوط به اتصال آبشاری سلول 1 سطحی استراتژی حالت اول )شبيهسازی( شکل 18: شکل موج خروجی سلول 1 سطحی تحت بار الکتريکی با ضريب توان واحد )آزمايش عملی( شکل 16: شکل موج خروجی مربوط به اتصال آبشاری سلول 1 سطحی استراتژی حالت دوم )شبيهسازی( برای انجام آزمایشهای عملی سلول 6 سطحی در آزمایشگاه پیادهسازی شد که شکل 64 تصویر نمونه ساختهشده آن را نمایش میدهد. پس از انجام آزمایش بر روی نمونه آزمایشگاهی شکل موج سینوسی 24 هرتز با دقت باال حاصل شد که شکل 61 خروجی ولتاژ و جریان این ساختار را تحت بار الکتریکی با ضریب توان واحد و شکل 6 خروجی این ساختار را تحت بار الکتریکی با ضریب توان 0/8 اهمی- سلفی بهتصویر میکشد. همچنین شکل موجهای خروجی اینورتر شکل 19: شکل موج خروجی سلول ضريب توان 1/8 )آزمايش عملی( 1 سطحی تحت بار الکتريکی با

9 666/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز 61 جدول 9: ميزان THD% برای آزمايشه یا سلول 6 سطحی 1 سطحی پيشنهادی اتصال آبشاری سلول 6 سطحی )استراتژی اول( صورتگرفته در سلول اتصال آبشاری سلول 6 سطحی )استراتژی دوم( 4/66 6/ / شبیهسازی 7 نمونه آزمایشگاهی -- 2/ 42 7/ 7 شکل 21: شکل موج خروجی مربوط به اتصال آبشاری 25 سطحی- استراتژی حالت اول تحت بار الکتريکی با ضريب توان واحد )آزمايش عملی( شکل 22: طيف هارمونيکی شکل موج خروجی ولتاژ تکسلول 5- نتیجه گیری )آزمايش عملی( شکل 21: شکل موج خروجی مربوط به اتصال آبشاری 25 سطحی - استراتژی حالت اول تحت بار الکتريکی با ضريب توان 1/8 )آزمايش عملی( جهت محاسبه توان تحویلی اینورتر پیشنهادی از رابطه توان اکتیو P = V max 2 توسط اسیلسکوپ I max cosփ 2 متغیرها استفاده مقادیر میشود. در ستون سمت راست شکله یا اندازهگیریشده 61 تا 26 درج شدهاند که در رابطه جایگذاری میشوند. توان اکتیو برای این شکلها به ترتیب 14 وات 42 وات 222 وات و 214 وات محاسبه میگردند. از نتایج بهدستآمده مالحظه میشود که ساختار معرفیشده دارای دقت و کیفیت باال میباشد بهطوریکه میزان THD در هر آزمایش بهصورت جدول محاسبه گردیده است که در همه حاالت مقدار مجاز استاندارد IEEE519 )که THD زیر 1 درصد است( را رعایت مینماید. همچنین بررسی بهمنظور مولفههای هارمونیکی ولتاژ تولیدشده آزمایشگاهی توسط سلول 6 سطحی طیف هارمونیکی آن را در شکل 22 نمایش داده شده است که در این حالت نیز استاندارد IEEE519 )که مولفههای هارمونیک زیر 2 درصد هستند( را تأیید مینماید. در این مقاله با شناخت مزایا و معایب معتبر مدله یا اینورترهای چندسطحی متداول مدل جدیدی از اینورترهای چندسطحی نامتقارن ارائه گردید تا ح یت االمکان کاستیها و معایب مدله یا قبلی را مرتفع نموده بهطوریکه در کاربردهای مختلف قابل استفاده باشد. ازجمله ویژگیهای این ساختار تعداد اجزای کمتر نسبت به تولید سطوح یکسان در بین اینورترهای چندسطحی است بهطوریکه در مدل پیشنهادی 64 کلید و 7 منبع DC بهازای تولید 6 سطح بهکار میرود و این در حالی است که این ساختار بهطور ذاتی سطوح منفی را بدون نیاز به مدارهای جانبی نظیر H-Bridge به وجود میآورد. از طرفی قابلیت اتصال آبشاری مدل معرفیشده این امکان را به وجود میآورد که در کاربردهای با اندازه و سطوح ولتاژ باال قابل استفاده باشد. بهصورتیکه با استراتژی مناسب اتصال آبشاری که در این مقاله بهکار گرفته شد این افزایش سطوح برای مدل پیشنهادی تا 22 و 61 سطح میسر گردید. همچنین با کمک شبیهسازی در نرمافزار MATLAB و ساخت نمونه آزمایشگاهی بهمنظور اطمینان از صحت عملکرد ساختار معرفیشده میزان کیفیت خروجی ولتاژ ساختار مطرحشده بهخوبی در چند حالت تحت بارهای اهمی و اهمی- سلفی بهصورت تکسلول و اتصال آبشاری مورد ارزیابی قرار گرفت که همه نتایج نشاندهنده دقت عملکرد و کیفیت باالی خروجی آنها است. بهطوریکه میزان THD% برای سلول 6 سطحی پیشنهادی به ترتیب /7 و 7/7 در شبیهسازی و در نمونه آزمایشگاهی حاصل شد. با بهکارگیری استراتژی اتصال آبشاری حالت اول این میزان 6/ در شبیهسازی و 2/42 در نمونه آزمایشگاهی با 22 سطح بهدست آمد.

10 6624/ مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز جلد 74 شماره پاییز 61 [10] E. Babaei, M.F. Kangarlu, M. Sabahi, Extended multilevel converters: an attempt to reduce the number of independent DC voltage sources in cascaded multilevel converters," IET Power Electronics, vol. 7, no. 1, pp , [11] K. K. Gupta, S. Jain, Topology for multilevel inverters to attain maximum number of levels from given DC sources, IET Power Electron., vol. 5, no. 4, pp , [12] M. F. Kangarlu, E. Babaei, "Cross-switched multilevel inverter: an innovative topology," IET Power Electronics, vol. 6, no. 4, pp , 201. [1] Y. Ounejjar, K. Al-Haddad, L.-A. Grégoire, Packed U Cells multilevel converter topology: theoretical study and experimental validation, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 4, pp , [14] R. S. Alishah, S. D. Nazarpour, H. Hosseini, M. Sabahi, New hybrid structure for multilevel inverter with fewer number of components for high-voltage levels, IET Power Electron., vol. 7, no. 1, pp , [15] M. F. Kangarlu, E. Babaei, "A Generalized cascaded multilevel inverter using series connection of submultilevel inverters," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 28, no. 2, pp , 201. [16] K. K. Gupta, A. Ranjan, P. Bhatnagar, L. K. Sahu, S. Jain, "Multilevel inverter topologies with reduced device count: a review," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 1, no. 1, pp , [17] A. Mokhberdoran, A. Ajami, "Symmetric and asymmetric design and implementation of new cascaded multilevel inverter topology," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 29, no. 12, pp , [18] F. Zare, Power Electronics Education Electronic-Book. School of Engineering Systems, Queensland University of Technology, [Brisbane, Qld.], [19] Y. Ounejjar, K. Al-Haddad, L.-A. Grégoire, Packed U Cells multilevel converter topology: theoretical study and experimental validation," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no.4, pp , [20] P. M. Meshram, V. B. Borghate, A simplified nearest level control (NLC) voltage balancing method for modular multilevel converter (MMC), IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 0, no. 1, pp , در شبیهسازی استراتژی حالت دوم اتصال آبشاری با 61 سطح میزان THD برابر 4/66 محاسبه شد. مراجع [1] S. Debnath, J. Qin, B. Bahrani, M. Saeedifard, P. Barbosa, "Operation, control, and applications of the modular multilevel converter: a review, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 0, no. 1, pp. 7-5, [2] A. Nami, J. Liang, F. Dijkhuizen, G.D. Demetriades, "modular multilevel converters for HVDC applications: review on converter cells and functionalities, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 0, no. 1, pp. 18-6, [] K. K. Gupta, A. Ranjan, P. Bhatnagar, L.K. Sahu, S. Jain, "Multilevel inverter topologies with reduced device count: a review," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 1, no. 1, pp , [4] J. Rodriguez, J. S. Lai, F. Zh. Peng, "Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 4, pp , [5] A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi, A new neutralpoint-clamped PWM inverter, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-17, no. 5, pp , [6] T. A. Meynard, H. Foch, Multi-level choppers for high voltage appli- cations," in Proc. Eur. Conf. Power Electron. Appl, vol. 2, pp , [7] F. Z. Peng, J. S. Lai, J. W. McKeever, and J. Van Coevering, A multilevel voltage source inverter with separate DC sources for static var generation, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 2, no. 5, pp , [8] S. Bernet, Recent developments of high power converters for industry and traction applications, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 15, no. 6, pp , [9] E. Babaei, S. H. Hosseini, New cascaded multilevel inverter topology with minimum number of switches, Elsevier J. Energy Convers. Manage, vol. 50, no. 11, pp , 2009.