ارائه ساختار جدید مبدل چند سطحی سری نامتقارن بر مبنای کاهش تعداد قطعات

Transcript

1 * ارائه ساختار جدید مبدل چند سطحی سری نامتقارن بر مبنای کاهش تعداد قطعات الهام ساربان زاده 1 سید قدرت اله سیف السادات 1 دانشگاه آزاد اسالمی واحد اهر El_sarebazade@yahoo.com سید قدرت اله سیف السادات گروه برق دانشکده مهندسی- دانشگاه شهید چمران اهواز Seifossadat@yahoo.com چکيده - اینورترهای چند سطحی در کاربردهای ولتاژ متوسط و تحویل توان نقش بسيار مهمی را بر عهده دارند.در این مقاله ساختار جدیدی برای اینورترهای چند سطحی ارائه شده است. از مزایای اصلی این اینورترها میتوان به استفاده از ادوات نيمه هادیهای توان متوسط که با ولتاژهای پایين کار میکنند اشاره کرد. بنابراین تلفات کليدزنی و استرس ولتاژ روی ادوات نيمه هادی کاهش مییابد همچنين به سبب توليد سطوح ولتاژ کوچکتر موجب کاهش تعداد مولفههای هارمونيکی و بهبود کيفيت توان میشود.ساختار پيشنهادی قابل توسعه میباشد.برای تایيد صحت عملکرد اینورتر چند سطحی پيشنهادی نتایج حاصل از شبيه سازی با نرم افزار PSCAD/EMTDC ارائه شده است. کلید واژه- اینورتر چند سطحی اینورتر چند سطحی سری اینورتر چند سطحی سری نامتقارن. 1- مقدمه مبدلهای چند سطحی در کاربردهای ولتاژ متوسط و توان باال مانند درایو موتورهای الکتریکی ذخیره کنندههای دینامیکی ولتاژ جبرانسازی توان راکتیو و ادوات FACTS مبدلهای چند سطحی برای اولین بار توسط کاربرد دارند ]1-3[. Nabae در سال 1791 معرفی شدند که مبتنی بر ترکیب سری از چندین مبدل تمام پل سه سطحی میباشند ]-[. ساختارهای زیادی برای مبدلهای چند سطحی ارائه شده است که از جمله آنها میتوان به ساختار مبدل چند سطحی دیود کلمپ (NPC) (FC) و مبدل چند سطحی کسکید (CHB) مبدل خازن شناور اشاره کرد ]9-11[. از معایب ساختار مبدل دیود کلمپ تقسیم ولتاژ نامساوی بین خازنهایی است که به صورت سری وصل شدهاند که موجب نامتعادلی ولتاژ لینک میشود و نیز این مبدلها برای تولید سطوح بیشتر ولتاژ به تعداد زیادی دیود نیاز دارد که این امر نیز باعث استفاده کمتر از این نوع مبدل در صنعت شده است ]1[. مبدلهای چند سطحی خازن شناور و مشتقات آن مبدلهای استکد مالتیسل (SM) برای اتصال ادوات به یکدیگر از خازنهای شناور استفاده میکنند ]1[]13[. این ساختارها نسبت به به ساختار مبدل دیود کلمپ مشخصه بهتری مانند عدم نیاز به ترانسفورماتور و خاصیت "خودتنظیمی ولتاژهای خازنهای شناور"دارند که موجب توزیع یکسان استرس کلیدزنی بر روی کلیدهای نیمه هادی میشود ]11-1[. اما این نوع مبدلها برای تولید سطوح بیشتر ولتاژ به تعداد خازنهای بیشتری نیاز دارند. از مزایای ساختارهای کسکید نسبت به دو ساختار به NPC و FC دلیل سیستم کنترلی ساده و عدم نیاز به خازن و دیود برای تولید سطوح بیشتر ولتاژ در کاربردهای توان باال بیشتر مورد توجه بودهاند. اما مبدلهای کسکید معایبی مانند نیاز به منابع ولتاژ برای ورودی هر واحد برای تولید سطوح بیشتر ولتاژ دارند ]19[. برای کاهش تعداد منابع ولتاژ متعدد ساختارهای جدیدی مانند ساختار مبدل چند سطحی هیبرید و مبدلهای چند سطحی کسکید نامتقارن ارائه شده است بنابراین به الگوریتمهایی برای تعیین اندازه منابع ولتاژ نیاز دارند ]11-1[. این مقاله ساختار جدیدی را برای مبدلهای چند سطحی کسکید نامتقارن ارائه میدهد ساختار پیشنهادی شامل میباشد که هر یک از مبدلهای سری شده از ترکیب مبدل سری سلول بر m روی هم تشکیل شده است هر یک از سلولها شامل دو مبدل دو سطحی مرسوم میباشد که بوسیله دو کلید به یکدیگر وصل شدهاند که بوسیله کاهش تعداد کلیدهای نیمه هادی قدرت و ادوات تعداد 1

2 بیشتری سطوح ولتاژ را در خروجی تولید میکند. همچنین روشی برای تعیین اندازه منابع ولتاژ ارائه شده است. در ادامه ساختار بهینه با تعداد سلولهای بهینه برای هر واحد به منظور تولید سطوح بیشتر ولتاژ با ثابت فرض کردن تعداد منابع ولتاژ و کلیدها ارائه شده است. و نیز به مقایسه ساختار پیشنهادی و مزایا و ویژگیهای اصلی مبدل پیشنهادی نسبت به ساختارهای مرسوم پرداخته میشود. در پایان نتایج شبیهسازی برای مبدل تک فاز 11 سطحی مبتنی بر ساختار پیشنهادی برای توصیف قابلیتهای ساختار پیشنهادی ارائه شده است. - ساختار پيشنهادی برای مبدل چند سطحی ساختارهای مختلفی از مبدلهای چند سطحی برای کاربردهای ولتاژ باال و توان متوسط معرفی شدهاند. در این ساختارها THD ولتاژ خروجی با افزایش تعداد سطوح ولتاژ در خروجی مبدل کاهش مییابد. از ساختارهایی که در سالهای اخیر مورد توجه بوده است ساختار مبدلهای چند سطحی نامتقارن میباشد ]11-1[. از مزایای این ساختار استفاده از تعداد پلهای کمتر برای تولید سطوح ولتاژ بیشتر با انتخاب مناسب اندازه منابع ولتاژ صورت به نامتقارن میباشد. در این مقاله ساختار جدیدی از مبدلهای چند سطحی نامتقارن پیشنهاد شده است که با کاهش تعداد کلیدها و منابع بیشترین تعداد سطوح ولتاژ را در خروجی مبدل تولید میکند و نیز الگوریتمی برای تعیین اندازه منابع ولتاژ شکل ارائه شده است. )1( ساختار مبدل پایه پیشنهادی برای هر واحد از مبدل چند سطحی نامتقارن را نشان میدهد. این ساختار شامل ولتاژ و یا دامنه ولتاژ منابع m سلول و ( 1) منبع کلید یک طرفه میباشد به صورت متفاوت انتخاب شده و میتواند به عنوان یک مبدل چند سطحی نامتقارن در نظر گرفته شود. با توجه به شکل )1( تعداد سطوح ولتاژ خروجی مبدل پیشنهادی از رابطه زیر به دست میآید: N levels ( 1) 1 )1( در ساختار پیشنهادی به جای استفاده از یک مبدل پل تمام موج سه سطحی در خروجی برای تولید سطوح ولتاژ منفی در مقایسه با ساختارهای دیگر با توجه به پالریته منابع ولتاژ که به صورت متفاوت در نظر گرفته شدهاند از دو کلید یک طرفه استفاده شده است. به طوریکه کلید برای تولید سطوح ولتاژ مثبت و از کلید برای تولید سطوح ولتاژ منفی استفاده میشود. با انتخاب مناسب اندازه منابع ولتاژ این مبدل قادر خواهد بود سطوح ولتاژ مثبت و منفی را برای هر دو پیک مثبت و منفی بین سطوح ولتاژ خروجی i1 V i و i1 V i مطابق جدول )( تولید کند. همچنین ماکزیمم ولتاژ خروجی قابل دسترس مبدل پیشنهادی از رابطه )( به دست میاید: V o V max i1 i S m S S S V V V v o1 V1 V1 V 1 Sm 1 S 5 )( شکل 1: ساختار پایه پیشنهادی برای مبدل کسکید با برای مثال ساختار پیشنهادی با استفاده از دو منبع m و V 1 V V 1 سلول )یک سلول( قادر است 9 سطح ولتاژ را تولید کند. و با افزایش تعداد منابع به چهار عدد )دو سلول( این مبدل قادر است 19 سطح ولتاژ را تولید کند. در شکل )( نمونه ای از شکل موج ولتاژ خروجی مبدل پیشنهادی با قابلیت 19 سطح ولتاژ نشان داده شده است. با افزایش تعداد منابع ولتاژ برای تولید سطوح ولتاژ بیشتر نوع کلیدهای استفاده شده )مطابق شکل 1( در ردیفهای پایین و باالی مبدل قرار گرفتهاند از نوع یک طرفه است و کلیدهایی که در ردیفهای میانی قرار میگیرند از نوع دو طرفه میباشند. در یک مبدل چند سطحی کسکید نامتقارن تعداد کل سطوح ولتاژ خروجی تولیدی از حاصلضرب تعداد سطوح تولیدی هر واحد مطابق رابطه زیر به دست میاید: N total levels Ni i1 )3(

3 v o1 V V 1 V V 1 V V V 1 V V 1 V تعداد سطوح ولتاژ تولید شده توسط هر واحد میباشد. V 1 V 1 0 V 1 V 1 V V V 1 V V 1 V V V 1 V V 1 T شکل : نمونه ای از شکل موج خروجی ساختار پیشنهادی با استفاده از چهار منبع )دو سلول( با قابلیت تولید 19 سطح جدول 1: حالتهای مختلف کلیدها در ساختار مبدل پیشنهادی State 1 3 m 1 m (m 1) 1 ( m 1) (m 1) 1 ON Switches S S S 5 S Sm 1 S 5 S S S m S S S S Sm 1 S m S ( S )or( m 1 S S m ) T t v o1 V 1 V 1 V 1 V 1 mv 1 mv 1 V V V V 1 N V V 1 m(v1 V ) m(v1 V ) در نتیجه ولتاژ هر واحد با واحدهای دیگر جمع شده و بیشترین تعداد سطوح ولتاژ در خروجی حاصل میشود. از مزایای ساختار پیشنهادی در مقایسه با ساختارهای مرسوم مبدلهای چند سطحی نامتقارن و ساختارهایی که اخیرا ارائه شده است افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجی با استفاده کمتر از منابع و کلیدها میباشد. در حقیقت ساختار پیشنهادی به وسیله دو و کلید و متفاوت بودن پالریتههای منابع ولتاژ بیشترین تعداد سطوح ولتاژ را با استفاده از کمترین تعداد کلید و منبع ولتاژ هزینه و سایز مبدل میشود. تولید میکند که در نتیجه موجب کاهش حجم الگوریتم پیشنهادی برای تعیین اندازه منابع ولتاژ صورت زیر بیان شده است: برای مبدل واحد اول: در ادامه به V11 V V1 (m 1) V )( )1( 1 V11 m V1j j1 برای مبدل واحد دوم: V )( V (m 1) V 1 )9( برای مبدل واحد سوم: m V 31 V11 m Vij )1( i1 j1 V3 (m 1) V 31 )7( و در نهایت برای مبدل واحد ما مقادیر منابع ولتاژ از معادالت )9-7( به دست میآید: 1 V 1 V11 m Vij )11( i1 j1 V3 )11( (m 1) V1 اکنون با توجه به کمترین مقدار دامنه منابع که ( ) V میباشد مقادیر منابع بر حسب پریونیت با در نظر گرفتن ( ) Vbase V 0 3

4 1 m levels V ij i1 j1 N )1( محاسبه میشود درنتیجه مقادیر نرمالیزه شده تمامی منابع ولتاژ میتواند مطابق رابطه زیر به دست آید: برای مبدل واحد اول: V 11 1 )1( V 13 (m 1) )13( برای مبدل واحد دوم: V1 1 m V1j )1( j1 V (m 1)V1 )11( و در نهایت برای مبدل واحد ام داریم: 1 V1 1 m Vij 3... )1( i1 j1 V 3 (m 1)V 3... )19( همچنین مقادیر ولتاژ منابع به صورت صعودی فرض شده است: V11 V1 V1 V... V1 V3 )11( و نیز ممکن است معادالت به صورت زیر بیان شود: N levels j j1 N total levels i 1 i ( 1) 1) )17( )1( با توجه به قابلیت انعطاف باالی ساختار پیشنهادی این مبدل میتواند با الگوریتمهای مختلف برای تعیین اندازه منابع ولتاژ تعداد سطوح بیشتری از ولتاژ را در خروجی تولید کند که موجب میشود شکل موج خروجی مبدل هر چه بیشتر به شکل موج سینوسی مورد انتظار نزدیکتر شود میشود. که باعث کاهش نیز THD با توجه به معادالت )17-3( تعداد کل سطوح ولتاژ خروجی مبدل پیشنهادی با K واحد مبدل کسکید از رابطه زیر به دست میآید: ماکزیمم ولتاژ خروجی نرمالیزه شده مبدل چند سطحی با K مبتنی بر ساختار پایه پیشنهادی از معادله )( به دست میآید: واحد Vo max m Vij )( i1 j1 0 v v... v )3( همچنین در جدول پیشنهادی V )( تعداد سطوح ولتاژ خروجی مبدل تعداد سلولها تعداد کلیدها تعداد منابع ولتاژ تعداد واحدها و نیز ماکزییم ولتاژ قابل دسترس برای چند واحد مطابق ساختار شکل )1( نشان داده شده است. ولتاژ خروجی مبدل پیشنهادی با می آید. به K -3 منظور بررسی مبدل تکفاز نرمافزار نتایج شبيهسازی کامپيوتری 11 صحت سطحی عملکرد ساختار مطابق شکل واحد از رابطه )3( به دست مبدل )3( PSCAD/EMTDC پیشنهادی یک بکارگرفته برای شبیه سازی استفاده میشود. شده است. روش کنترلی فرکانس پایه با فرکانس کلیدزنی ( 8KHz ( f s برای کنترل مبدل استفاده شده است. با توجه به شکل )3( هماتطور که مشاهده میشود مبدل پیشنهادی برای تولید شکل موج پلهای با قابلیت 11 سطح 11 هرتز در خروجی تنظیم شده است. در این آزمایش مقدار بار سری R-L مطابق جدول 55mH 107Ω در نظر گرفته شده است. نتایج این شبیهسازی در شکل )( نشان داده شده است در شکل )- الف( ولتاژهای تولیدی مبدل واحد اول و در شکل )- ب( ولتاژ تولیدی مبدل واحد دوم بهطور جداگانه نشان داده شده است. مجموع ولتاژهای تولیدشده توسط واحدهای اول و دوم ولتاژ خروجی اصلی مبدل پیشنهادی میباشد که در شکل )- ج( نشان داده شده است. در شکل )- د( نیز جریان خروجی مبدل نشان داده شده است.

5 د) اولین کنفرانس ملی مهندسی برق دانشگاه آزاد اسالمی واحد لنگرود جدول : نمونهای از تعداد کلیدها و منابع ولتاژ مورد نیاز برای مبدل پیشنهادی همراه با تعداد سطوح خروجی با افزایش تعداد سل ها و واحدها در ساختار پیشنهادی of Uite of Cell of Switches of sources of Levels V omax )الف( m m m )ب( m m m m )ج( m m m m ) m با توجه به شکل موجهای ولتاژ و جریان خروجی واضح است که بین ولتاژ و جریان اختالف فاز وجود دارد این امر به سبب وجود بار اهمی-سلفی در خروجی مبدل میباشد. مقدار THD ولتاژ و جریان خروجی به ترتیب.1% و 1.3% میباشند. شکل : نتایج شبیهسازی )الف( ولتاژ تولید شده توسط واحد اول )ب( ولتاژ تولید شده توسط واحد دوم )ج( ولتاژ خروجی نهایی مبدل )د( جریان خروجی مبدل پیشنهادی - نتيجه گيری 3V 3V N P V V 17V v o 1 v o شکل : 3 ساختار مبدل پیشنهادی با قابلیت تولید 11 سطح این مقاله ساختار پایه ای را برای مبدلهای چند سطحی ارائه میدهد. ساختار پایه پیشنهادی به صورت کسکید برای مبدلهای چند سطحی نامتقارن استفاده شده است. همچنین تعداد سلولهای بهینه مبدل پایه پیشنهادی برای هر واحد به صورت سری به منظور تولید سطوح بیشتر ولتاژ با استفاده از کمترین تعداد کلید محاسبه شده است. که ساختار بهینه برای هر واحد شامل )یک سلول( کلید نیمه هادی قدرت و منبع ولتاژ میباشد. V o 1

6 11. E. Babaei S.H. Hosseii New cascaded multilevel iverter topology with miimum umber of switches Elsevier Joural of Eergy coversio ad maagemet vol. 50 o. 11 pp Nov Joural of Eergy Coversio ad Maagemet vol. 51 o.11 pp Nov J. Rodriguez J.S. Lai ad F.Z. Peg Multilevel iverters: a survey of topologies cotrols ad 1. applicatios IEEE Tras. Id. Electro. vol. 9 o. pp Aug B.P. McGrath T. Meyard G. Gateau ad D.G. Holmes Optimal modulatio of flyig capacitor ad staced multicell coverters usig a state machie decoder IEEE Tras. Power Electro. vol. o. pp Mar A.M. Liehardt G. Gateau ad T.A. Meyard Staced multicell coverter (SMC): recostructio of flyig capacitor voltages i Proc. IECON 005 pp S.S. Fazel S. Beret D. Krug ad K. Jalili Desig ad compariso of -V eutral-poitclamped flyig capacitor ad series coected H- bridge multilevel coverters IEEE Tras. Id. Appl. vol. 3 o. pp July/Aug B.P. McGrath ad D.G. Holmes Aalytical modelig of voltage balace dyamics for a flyig capacitor multilevel coverter IEEE Tras. Power Electro vol. 3 o. pp Mar A.K. Sadigh S.H. Hosseii M. Sabahi ad G.B. Gharehpetia Double flyig capacitor multicell coverter based o modified phase-shifted pulse width modulatio IEEE Tras. Power Electro. vol. 5 o. pp Jue M. Majrear T.A. Lipo A hybrid multilevel iverter topology for drive applicatio i: Proceedigs of the APEC pp A. Rufer M. Veestra A. Gopaumar Asymmetric multilevel coverter for high resolutio voltage phasor geeratio i: Proceedigs of the EPE99 Lausae ساختار مبدل پیشنهادی با کاهش قابل توجه کلیدها برای تولید سطوح و دامنه ولتاژ یکسان در مقایسه با مبدلهای چند سطحی نامتقارن مرسوم و نیز مراجع ]1[ و ]1[ که اخیرا ارائه شده است تعداد منابع ولتاژ نیز به همان نسبت کمتر خواهد شد. به عنوان مثال برای تولید 7 سطح ولتاژ در خروجی در مبدل مرجع ]1[ به کلید و منبع ولتاژ و منبع ولتاژ و در مبدل مرجع ]1[ به کلید و در مبدل پیشنهادی فقط به 1 کلید و منبع ولتاژ نیاز خواهد بود. که برای تعداد سطوح بیشتر تعداد کلیدها و نیز تعداد منابع ولتاژ در مقایسه با ساختارهای مرسوم و ساختارهای مراجع ]1[ و ]1[ به صورت چشمگیری کاهش مییابد. در نتیجه عالوه بر کاهش سایز حجم هزینه و ناحیه نصب مبدل تلفات کلیدزنی در مبدل نیز به صورت قابل توجهی کاهش یافته است. مراجع 1. K. Corzie ad Y. Familiat A ew cascaded multilevel H-bridge drive IEEE Tras. Power Electro. vol. 17 o. 1 pp Ja J. Wag ad F. Z. Peg Uified power flow cotroller usig the cascade multilevel iverter IEEE Tras. Power Electro vol. 19 o. pp July B.P. McGrath ad D.G. Holmes Natural capacitor voltage balacig for a flyig capacitor coverter iductio motor drive IEEE Tras. Power Electro vol. o. pp Jue R. H. Baer ad L. H. Baister Electric power coverter U.S. Patet Feb A. Nabae I. Taahashi H. Aagi A New Neutral-Poit-Clamped PWM Iverter IEEE Tras. Id. Appl. vol. 17 o. 5 pp R. H. Baer ad L. H. Baister "Electric power coverter" U.S. Patet Feb E. Babaei M. T. Haque ad S. H. Hosseii A ovel structure for multilevel coverters i Proc. ICEMS 005 vol. II pp H. Abu-Rub J. Holtz J. Rodriguez G. Baomig Medium voltage multilevel coverters state of the art challeges ad requiremets i Idustrial applicatios Accepted for Publicatio o IEEE 9. Tras. Id. Electro vol. II pp J. Rodriguez B. Wu S. Beret J. Pott ad S. Kouro Multilevel voltage source coverter topologies for idustrial medium voltage drives IEEE Tras. Id. Electro. vol. 5 pp Dec. 007.