بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سعی شده با انتخاب زوایاي کلید زنی بهینه به کمک الگوریتم هاي PSO هارمونیک هاي انتخابی را حذف کرده و THD را کاهش دهیم. معادلهي THD ولتاژ خروجی اینورتر به عنوان تابع هدف در الگوریتم PSO بیان شده و حداقل کردن آن هدف مسئله میباشد. این روش در اینورترهاي چند سطحی با هر تعداد سطح میتواند به کار گرفته شود استفاده از زوایاي کلیدزنی مناسب و بهینه که از بهینهسازي تابع هدف که همان اعوجاج هارمونیکی کل میباشد بدست میآید و با استفاده از این زوایا تعداد زیادي از هارمونیکها حذف میشود.در واقع هدف کاهش THD با استفاده از روش بهینه سازي ازدحام ذرات می باشد و محاسبه این زوایا ونیز شبیه سازي با نرم افزار MATLAB انجام خواهد گرفت.
-1 مقدمه
اینورترهاي چند سطحی ساختاري ساده و مناسب براي رسیدن به توان و کیفیت بالاي شکل موج خروجی به همراه پاسخ دینامیکی قابل اطمینان دارند .[1]-[2] هارمونیک ها با تغییر شکل موج سینوسی ولتاژ شبکه که بسته به مرتبه ي هارمونیک دارد، آسیب هاي متفاوتی به تجهیزات الکتریکی شبکه وارد می-کنند. در نتیجه مسئله ي هارمونیک زدایی در اینورترهاي چند سطحی مطرح میباشد.
مبدل هاي چند سطحی شکل هاي مداري متفاوتی دارند که شناخته شده ترین آنها مبدل هاي چندسطحی بر مبناي اتصالات کسکید - cascade - است، به گونه اي که اگر s تعداد اینورترهاي تمام پل چند سطحی باشد، - 2s+1 - تعداد سطح هاست. این اینورترها به علت مدولاسیون و سادگی در کنترل توجه زیادي به خود جلب کرده اند
براي کنترل ولتاژ خروجی و حذف هارمونیک هاي ناخواسته در مبدل هاي چند سطحی روش هاي مدولاسیون PWM سینوسی و PWM فضاي حالت در [6] بیان شده است. روش هاي دیگري براي انتخاب مناسب زمان کلید زنی وجود دارد که بتوان هارمونیک هاي مرتبه بالایی مانندپنجم ، هفتم، یازدهم و سیزدهم را در ولتاژ خروجی اینورتر حذف کرد به این روش حذف هارمونیک انتخابی - SHE - یا روش PWM برنامه ریزي شده می-گویند
روش دیگري براي حداقل کردن THD ولتاژ خروجی در اینورترهاي چند سطحی بیان شده است، در این روش محاسبات هم زمان - real-time - زوایاي کلید زنی با اثبات تحلیلی براي مینیمم کردن مقدارTHD به کار گرفته شده است، این روش براي حذف تمام هارمونیک هاي مرتبه سوم صادق است ولی نمیتوان آن را براي هارمونیک هاي غیر مرتبه سوم بسط داد.
در الگوریتم PSO و GA با انتخاب زوایاي کلید زنی مناسب به کاهش THD در اینورتر چند سطحی می-پردازد.روش هاي کلید زنی بهینه با استفاده از الگوریتم ژنتیک در [12] بیان شده است . این روش براي اینورترهاي 7 و 11 سطحی با منبع DC معادل اعمال شد که نتایج براي حالت 11 سطحی کاملا رضایت بخش نبوده است در نتیجه با افزایش تعداد سطح کارایی این روش کاهش مییابد.
در [13] هارمونیک زدایی در اینورتر چند سطحی با منبع DC معادل با استفاده از الگوریتم بهینه سازي PSO بیان شده است. این روش را براي یک نیروگاه بادي در [3] اعمال شده و موفقیت آمیز بوده است. همچنین در [14] روش هاي هارمونیک زدایی با الگوریتم جستجوي تصادفیPSO در اینورترهاي چند سطحی کسکید بدون منبع DC معادل در مراجع دیگر بیان شده است.
در این مقاله سعی شده با کمک الگوریتم هاي بهینه سازي بر مبناي تکرار PSO ،MPSO و WIPSO هارمونیک هاي انتخابی را با انتخاب زاویه ي کلید زنی مناسب حذف کرده - SHE - و THD ولتاژ خروجی را براي اینورترهاي 11و 31 سطحی تمام پل کسکید کاهش دهیم به این منظور از نرم افزار MATLAB براي نمایش نتایج و اثبات کارایی الگوریتم استفاده شده است.در این مقاله علاوه بر شبیه سازي فوق الذکر مقایسه بین روش هاي پیشنهادي نیز صورت گرفته است.
-2 اینورتر چند سطحی cascade
شکل .1 الف ساختار یک اینورتر چند سطحی کسکید تمام پل را نشان میدهد که براي ایجاد شکل موج خروجی 2s+1 پله اي استفاده شده است و شکل ب شکل موج ولتاژ پله اي تولید شده توسط مبدل چند سطحی را نشان میدهد.
شکل.1الف: ساختار اینورتر چند سطحی تمام پل cascade ، شکل .1ب: شکل موج ولتاژ فاز خروجی پلکانی
یک مبدل چند سطحی تمام پل کسکید که از اتصال سري چندین اینورتر تکفاز تمام پل بدست میآید، شامل منبع تغذیه ي است که از مجموع چندین منبع dc جداگانه - SDCSs - تشکیل شده است. ویژگی این ساختار این است که مدولاسیون، حفاظت و کنترل هر پل مجزا است و به هر تعداد سطح مورد نیاز بسط داده میشود. همچنین هر اینورتر تمام پل تکفاز به یک منبع dc جداگانه متصل شده و شکل موج ولتاژ مربعی را در ترمینال ac اش تولید میکند. هر پل سه ولتاژ 0، +Vdc و –Vdc را با توجه به وضعیت کلید هاي Q1 تا Q4 تولید میکند. ولتاژهاي ac خروجی به شکل سري به هم متصل شده اند و ولتاژخروجی اینورتر - Vo - مجموع آنها میباشد. شکل موج ولتاژ خروجی در شکل 2 نشان داده شده است، تعداد سطح هاي ولتاژ فاز خروجی یک اینورتر چند سطحی تمام پل - 2s+1 - است که s تعداد منابع dc جداگانه میباشد. براي دستیابی به ساختار سه فاز، خروجی اینورترهاي تکفاز کسکید را میتوان به صورت Y یا اتصال داد.
-1-2 حذف هارمونیک هاي انتخابی
با بسط سري فوریه ي شکل موج ولتاژ خروجی اینورتر با منبع dc جداگانه ي معادل داریم:
براي اینورتر 11 سطحی، S=5 است و میتوان S-1 هارمونیک را حذف کرد.در نتیجه هارمونیک هاي 3، 5، 7 و 9ام در حالت تکفاز حذف میشوند.
Vdc ولتاژ نامی و زوایاي آتش - کلید زنی - s , ..., 3 , 2 , 1 باید در محدوده ي زیر تعریف شوند:
مجموعه معادلاتی که باید براي یک اینورتر n سطحی با هارمونیک هاي مراتب مختلف در نظر گرفته می شود :
که m V1 ، شاخص مدولاسیون x معادله اي است که با توجه به تعداد سطوح متفاوت میباشد ونیز بازه زوایاي کلیدزنی بین 0 تا /2 می باشد. هدف اصلی بهینه کردن مقدار THD میباشد، تابع هدف براي بهینه کردن THD از رابطه ي زیر بدست میآید:
که V1 مقدار ولتاژ پایه و Vn ولتاژ هارمونیک مرتبه n ام است.
در این مقاله با استفاده از الگوریتم هاي PSO، MPSO و WIPSO مقدار بهینه ي THD بدست میآید.
-3 معرفی الگوریتم هاي بهینه سازي PSO ، MPSO وWIPSO
-1-3 الگوریتم PSO
الگوریتم PSO اولین بار توسط ابرهارت و کندي در سال 1995 به کار برده شد.این روش الهام گرفته از پرواز همزمان پرندگان، شناي ماهی ها و زندگی اجتماعی آنها می باشدکه با استفاده از یک سري روابط ساده ترکیب بندي شده است.[15] کندي در سال 1998 شرح دادکه در الگوریتم PSO هر ذره بیانگر یک جواب ممکن است که به صورت تصادفی با موقعیت و سرعت اولیه ي تصادفی در فضاي مسئله حرکت می کند و تغییر مکان هر ذره در فضاي جستجو تحت تأثیر تجربه و دانش شخصی خود و دیگر ذرات یعنی همسایگانش است.
بنابراین موقعیت ذرات دیگر گروه روي نحوه ي جستجوي یک ذره مؤثر است . ذرات در گروه از یکدیگر میآموزند و بر مبناي تجربیات بدست آمده به سمت بهترین همسایگان خود حرکت می کنند. اساس کار PSO بر این اصل استوار است که در هر لحظه هر ذره مکان خود را در فضاي جستجو با توجه به بهترین مکانی که در کل همسایگی اش وجود دارد، تنظیم میکند. فرض کنید فضاي D بعدي داریم و i امین ذره از گروه می تواند با یک بردار سرعت و یک بردار موقعیت نشان داده شود. تغییر موقعیت هر ذره با تغییر در ساختار موقعیت و سرعت قبلی امکان پذیر است.هر ذره اطلاعاتی شامل بهترین مقداري را که تا کنون به آن رسیده - Pbest - و موقعیت xi را داراست.
این اطلاعات از مقایسه تلاش هایی که هر ذره براي رسیدن به بهترین جواب انجام می دهد، به دست میآید. همچنین هر ذره بهترین جوابی که در گروه از مقدار Pbest ها بدست آمده را به عنوان - gbest - می شناسد. هر ذره براي رسیدن به بهترین جواب سعی میکند موقعیت خود را با روابط زیر تغییر دهد:
-2-3 الگوریتم PSO اصلاح شده MPSO
بعدها مطالعات ابرهات و شی - - Shi در سالهاي 1998 و 1999 در این زمینه منجر به تغییري شگرف در الگوریتم PSO گشت.آنها ضریب وزنی به صورت تابعی خطی از عدد تکرار در نظر گرفتند:
که در آن Wmax و Wmin کران هاي ضریب وزنی ، iter عدد تکرار کنونی و itermax بیشینه ي تکرار میباشد.
-3-3 الگوریتم PSO با وزن بهبود یافته WIPSO
این الگوریتم به منظور بهبود قابلیت جستجوي گروهی در PSO معمولی پارامترهاي وزنی - ضرایب شتاب - C1 و C2 را تنظیم کرده است. بدین منظور معادله ي تغییر سرعت در هر مرحله - 5 - این گونه اصلاح میشود:
-4 به کارگیري الگوریتم هاي PSO ، MPSO و WIPSO در بهینه کردن THD
الگوریتم هاي پیشنهادي ساده، قوي و بسیار کارآمد میباشند، مراحل زیر بیان کننده ي نحوه ي پیاده سازي این الگوریتم ها براي یک اینورتر 11 سطحی تمامپل cascade میباشد:
-1 مقدار دهی اولیه جمعیت ذرات با موقعیت هاي تصادفی
-2 طوري که ابعاد هر ذره با زوایاي کلید زنی کنترل پذیر که با تعداد اینورترهاي چند سطحی تمامپل cascade
برابر است، معادل باشد.
