بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود کیفیت ولتاژ میکروگرید با استفاده از DSTATCOM مبتنی بر اینورتر H-BRIDGE
چکیده
افزایش روزافزون اســتفاده از ادوات الکترونیک قدرت، بارهای غیر خطی و نامتعادل، شــبکه های توزیع را با مشــکلات عدیده کیفیت توان مواجه ساخته است. در مقابل، افزایش حساسیت تجهیزات الکتریکی جدید به نوسانات ولتاژ و فرکانس بیانگر ضرورت استفاده از منابع انرژی با قابلیت اطمینان بالا و بهبودکیفیت توان اســت. یکی از روش های کارا در بهبود کیفیت توان شــبکه، اســتفاده از جبرانگر اســتاتیکی شبکه توزیع ا ست. این تجهیز با جبران توان اکتیو و راکتیو شبکه توزیع، پایداری ولتاژ شبکه را بهبود می بخ شد. در این مقاله، طراحی یک جبرانگر استاتیکی مبتنی بر اینوتر پل ترکیبی، در شبکه های میکروگرید شرح داده شده است. جهت کنترل این جبرانگر، اختلاف فاز مورد نیاز بین ولتاژ جبرانگر با ولتاژ شبکه جهت تنظیم توان راکتیو شبکه به سیگنال مرجع سینوسی اعمال شده به مدولا سیون پهنای پالس اعمال می گردد. شبیه سازی صورت گرفته در نرم افزار سیمولینک متلب، بیانگر قابلیت این تجهیز در جبرانسازی دو سویه توان راکتیو است.
واژههای کلیدی: جبرانگر استاتیکی، میکروگرید، توان راکتیو، شبیه سازی، پل ترکیبی
-1 مقدمه
در سال های اخیر، در شبکه های توزیع، بارهایی با توان راکتیو بالا همچون فرآیندهای صنعتی با موتورهای بزرگ، فن ها، پمپ ها و ...
افزایش یافته اند. این دسته از بارها، جریان پس فاز بزرگی را از شبکه توزیع کشیده و شبکه را با کمبود توان راکتیو مواجه می سازند. این امر سبب نوسان ولتاژ در شبکه شده و پایداری شبکه توزیع را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. از این رو، جبرانسازی توان راکتیو در شبکه های توزیع امری ضروری و اجتناب ناپذیر است .[1-3]
استفاده از جبرانگر استاتیکی یکی از روش های کارا در بهبود کیفیت ولتاژ شبکه های توریع است. این تجهیز با تنظیم ولتاژ شبکه و تصحیح ضریب توان، کیفیت توان شبکه را بهبود می بخشد. این تجهیز شامل یک اینورتر منبع ولتاژ با یک خازن لینک DC است که به صورت موازی به یکدیگر متصل می شوند. این تجهیز با استفاده از تزریق و یا جذب توان راکتیو از شبکه توزیع، ولتاژ شبکه را تنظیم نموده و ضریب توان آن را بهبود می بخشد. از آنجا که بخش اصلی جبرانگر استاتیکی را اینورتر تشکیل می دهد، لذا این نوع جبرانساز بر اساس ساختار اینورترش به سه دسته کلی تقسیم می شود که عبارتند از: جبرانگر استاتیکی با اینورتر پل ترکیبی، جبرانگر استاتیکی با اینورتر خازن شناور و جبرانگر استاتیکی با اینورتری با نقاط خنثی (نوترال) به هم متصل شده .[4] بهره برداری ازجبرانگر استاتیکی شبکه توزیع،شدیداً وابسته به الگوریتم کنترلی آن بوده و الگوریتم های متفاوتی در مقالات گوناگون مورد استفاده قرار گرفته است. از آن جمله می توان به کنترل شیفت فاز، تئوری توان راکتیو لحظه ای، مولفه های متقارن لحظه ای و جبران جریان با استفاده از کنترل ولتاژ باس DCاشاره نمود [6] و [5] و .[3] این مقاله یک جبرانگر استاتیکی پنج سطحی مبتنی بر توپولوژی اینورتر پل ترکیبی((H-BRIDGE را برای کنترل توان راکتیو و ولتاژ میکروگرید معرفی می نماید. این توپولوژی با افزایش تعداد سطوح ولتاژخروجی، سبب کاهش ولتاژ تحمل ادوات کلیدزنی و همچنین کاهش هارمونیک های خروجی می گردد. جهت کنترل این جبرانگر از روش مدولاسیون پهنای پالس با شیفت فاز استفاده شده است. به عبارتی جهت تنظیم توان راکتیو مبادله شده با شبکه از اختلاف فاز ولتاژ شبکه و جبرانگر بهره گرفته می شود. این اختلاف فاز بصورت یک فاز اولیه به سیگنال مرجع مدولاسیون اعمال شده و از آن جهت کنترل کلیدزنی ادوات جبرانگر استفاده می گردد.
بخش دوم این مقاله به بررسی ساختار و اصول عملکرد جبرانگر پیشنهادی پرداخته است. روش کنترلی مورد استفاده نیز بصورت کامل در بخش سوم مقاله پیش رو تشریح شده است. جهت بررسی قابلیت این جبرانگر در کنترل ولتاژ میکروگرید عملکرد آن با استفاده از نرم افزار سیمولینک متلب شبیه سازی شده و نتایج آن در بخش چهارم مقاله بیان شده است. بخش پنجم و پایانی مقاله نیز به نتیجه گیری و جمع بندی تحقیق صورت گرفته پرداخته است.
-2 جبرانگر استاتیکی مبتنی بر اینورتر پل ترکیبی
جبرانگر استاتیکی شبکه توزیع (DSTATCOM)یک تجهیز سه فاز است که بر پایه ادوات الکترونیک قدرت بنا نهاده شده است و در نواحی نزدیک بار، به صورت موازی به شبکه متصل می شود. بطور کلی، این تجهیز شامل یک اینورتر منبع ولتاژ، یک عنصر ذخیره کننده انرژی DC، یک ترانسفورمر کوپلینگ جهت اتصال به شبکه و مدار کنترلی متناسب با وظیفه جبرانساز است. ساختار کلی این تچهیز در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل (1) شماتیک DSTATCOM
عملکرد فازوری جبرانگر استاتیکی در شکل 2 مورد بررسی قرار گرفته است. در صورتی که ولتاژ ثانویه از ولتاژ شبکه کمتر باشد جبرانساز در حالت سلفی قرار گرفته و توان راکتیو را از شبکه جذب خواهد نمود. در مقابل، در صورت بیشتر بودن ولتاژ ثانویه از ولتاژ شبکه، جبرانگر همچون یک خازن توان راکتیو به شبکه تزریق نموده و کاهش ولتاژ را جبران خواهد نمود.[7]
در این تحقیق، ساختار جدیدی از DSTATCOM بر اساس اینورتر پل ترکیبی ( (H-BRIDGE ارائه شده است. از آن جا که، افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجی سبب کاهش ضریب اعوجاج هارمونیکی (THD) ولتاژ خروجی جبرانگر می گردد تعداد پل های به کار رفته در اینورتر به 2 پل افزایش می یابد. با افزایش تعداد پل ها می توان محتوای هارمونیکی خروجی را کاهش داد ولی این امر سبب افزایش تلفات و هزینه ساخت جبرانگر خواهد شد. لذا طراحی این جبرانگر با دو پل در هر فاز صورت می گیرد که سبب خواهد شد ولتاژ خروجی جبرانگر در هر فاز، پنج سطحی باشد. ساختار سه فار این اینورتر در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل(2) دیاگرام فازوری عملکرد DSTATCOM
شکل(3) ساختار اینورتر 5 سطحی CASCADE H-BRIDGE
-3 استراتژی کنترلی جبرانساز
اینورتر استفاده شده دارای تعداد زیادی IGBT است. جریان گیت این سوئیچ ها توسط کنترل داخلی کانورتر در جهت پاسخ به تغییرات توان راکتیو تبادل شده با شبکه تولید می شود. این کنترل داخلی، با توجه به خاصیت خود متعادل سازی نقطه نوترال از سوی این کانورتر، بر اساس مدولاسیون پهنای باند سینوسی شیفت فاز یافته طراحی شده است. سیگنال های مرجع استفاده شده در این مدولاسیون توسط بخش کنترل خارجی و با استفاده از اندازه گیری لحظه ای سیگنال های سیستم قدرت تولید می شود. بدین منظور توان راکتیو و ولتاژ موثر شبکه در محل بار، اندازه گیری شده و به بخش کنترل خارجی داده می شود.
-3-1 بررسی استراتژی کنترلی در اینورترهای پل ترکیبی
روش هــای مــدولاســـیون این اینورتر هــا، بــه ســــه دســـتــه مــدولاســـیون مبتنی بر ســـیگنــال حــامــل(کریر)، مــدولاســـیون بردار فضــایی((SVMومدولاســیون حذف هارمونیک معین تقســم بندی می شــوند.[8] روش های مدولاســیون مبتنی بر ســیگنال حامل، شــامل مدولا سیون شیفت سطح و مدولا سیون شیفت فاز می با شد.در این مقاله، کلید های جبرانگر با روش مدولا سیون پهنای پالس بکار رفته با سیگنال های حامل شیفت فاز یافته (PSPWM)کنترل میشوند.
اینورتر چند ســطحی با تعداد ســطوح M به تعداد M-1 حامل مثلثی نیاز دارد.در مدولاســیون چند ســطحی شــیفت فاز، همه حامل ها ی مثلثی هم فرکانس اندو با یکدیگر اختلاف فاز دارند. این اختلاف فاز مطابق رابطه (1) تعیین می شود:
فرکانس هارمونیک متداول در خروجی اینورتر با استفاده از رابطه زیر بدست می آید:
شکل(4) مدولاسیون پهنای باند سینوسی شیفت فاز یافته
سیگنال مرجع Vcontrol با یک سیگنال مثلثی شیفت فاز مقایسه شده ودر نتیجه سیگنال های کلیدزنی را تولید می نماید.شکل 4 موج های حامل ومرجع در روش PWMرا نمایش می دهد.پارامتر های اصلی PWMشیفت فاز یافته،اندیس مدولاسیون دامنه و اندیس مدولاسیون
سیگنال مثلثی می باشند.[9]
در اینورتر های چند سطحی اندیس مدولاسیون دامنه((ma مطابق رابطه3 تعریف می وند.
-3-2 اعمال استراتژی کنترلی به DSTATCOM
هدف اصلی در طراحی هر استراتژی جبرانسازی باید این باشد که سیستم جبرانساز دارای پاسخ دهی سریع نسبت به تغییرات بوده، منعطف باشد و پیاده سازی آن در عمل آسان باشد. الگوریتم های کنترلی DSTATCOMغالباً دارای مراحل زیر می باشند:
- اندازه گیری ولتاژها و جریان های سیستم
- آماده سازی سیگنال ها
- محاسبه سیگنال های جبرانسازی
