بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
جبرانسازي کمبود ولتاژ در شبکه هاي توزیع نیروي برق به کمک بازیاب دینامیکی ولتاژ (DVR) مبتنی بر مبدل چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاري (MMCC)
چکیده
در این مقاله ساختار DVR مبتنی بر اینورتر منبع ولتاژ چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاري (MMCC) ارائه میشود. اینورتر چند سطحی بهکاررفته شامل سه اینورتر تک فاز میباشد که در هر اینورتر سه سلول تمام پل به هم اتصال یافته و در نهایت سه ساق اینورتر با اتصال ستاره به یکدیگر متصل شدهاند. این اینورترهاي سري شده بدون ترانسفورماتور و تنها با استفاده از خازن فییلتر به شبکه وصل میشوند که این خود باعث کاهش چشمگیر در حجم, وزن و قیمت DVR میشود. DVR مورد نظر از سري کردن سه اینورتر تمام پل در هر فاز حاصل میشود، در نتیجه ولتاژ خروجی خط به خط اینورتر سیزده سطحی خواهد بود بنابراین محتواي هارمونیکی بسیار کم خواهد شد و با استفاده از یک فیلتر LC کوچک میتوان به خروجی ولتاژ سینوسی باکیفیت بسیار بالادست یافت, ضمن اینکه این نسل از اینورترها قابلیت کارکرد در ولتاژهاي بالا را دارا میباشد و نسبت به دیگر توپولوژيهاي مرسوم اینورترهاي چند سطحی ادوات الکترونیک قدرت کمتري نیاز دارند و مشکل اینورتر خازن شناور و کلمپ دیودي را ندارند از اینرو کنترل آنها سادهتر و ولتاژ خروجی با دامنه بیشتري تولید میکنند که این امر در عملکرد DVR تأثیر بسزایی میگذارد و قابلیت اطمینان DVR را به علت ساختار مدولار شده اینورتر تا حد زیادي بالا میبرد و در جبرانسازي کمبود ولتاژ با دامنههاي بیشتر عملکرد مطلوبی خواهد داشت. براي استخراج الگوي کلید زنی اینورترها از روش مدولاسیون بردار فضایی SVPWM استفاده میشود تا به خروجی با کمترین اعوجاج هارمونیکی (THD) و شکل موجی نزدیک به حالت سینوسی دست یابیم. در نهایت، جبرانسازي کمبود ولتاژ توسط DVR در سه تیپ مختلف (هفت، پنج و سه سطحی) از لحاظ THD ولتاژ تزریقی مورد مقایسه قرار میگیرد. شبیهسازي DVRهاي پیشنهادي در محیط نرم افزاري MATLAB/Simulink انجام شده است.
کلمات کلیدي: بازیاب دینامیکی ولتاژ (DV R)، کمبود ولتاژ، مبدل چند سطحی مدولارشده با اتصال آبشاري (M MCC)، مدولاسیون .SVPWM
مقدمه
با افزایش روزافزون استفاده از دستگاههاي الکترونیکی و کامپیوترها و دیگر تجهیزات حساس به کیفیت توان الکتریکی ساخت تجهیزات مناسب براي فراهم آوردن کیفیت مطلوب انرژي الکتریکی براي مصرفکنندهها اجتنابناپذیر میباشد. به منظور حفظ کیفیت توان در محدوده مشخص که توسط استانداردهاي کیفیت توان تعریف شده است، باید از روش جبرانسازي استفاده کرد. در همین راستا ادوات Custom Power براي بهبود کیفیت توان در دهه 1980 مطرح گردیدند .(Lim, 2009) ادوات Custom Power، یکی از شاخصترین جبرانسازهاي کیفیت توان در شبکههاي توزیع نیروي برق به شمار میروند. در بین این تجهیزات، DVR مناسبترین تجهیز از لحاظ نحوه عملکرد براي جبران کمبود ولتاژ شناخته شده است. یکی از معمولترین مشکلات کیفیت توان کمبود ولتاژ (Voltage Sag) در سیستمهاي توزیع نیروي برق میباشد. کمبود ولتاژ که به کاهش آنی اندازه rms ولتاژ در محدوده 0/1 تا 0/9 پریونیت (p.u) گفته میشود، به عنوان مهمترین مسئله کیفیت توان مطرح است کهمعمولاً به دلیل خطاها در سیستم قدرت، راهاندازي موتورهاي القایی بزرگ، خروج بانکهاي خازنی بزرگ و اشباع ترانسفورماتورها رخ میدهد . این پدیده بدلیل تأثیر روي بارهاي صنعتی حساس و هزینههاي به وجود آورده به خاطر خرابی و تعمیر و نگهداري، توجه شرکتهاي برق و محققان را به خود جلب کرده است. بازیاب دینامیکی ولتاژ (DVR) یکی از تجهیزاتی است که به عنوان راه حل اساسی براي مشکل کمبود ولتاژ به کار میرود DVR .(Nielsen, 2006)اساساً، یک منبع ولتاژ کنترل شده است که بین شین تغذیه و بارهاي حساس نصب میگردد. در واقع در هنگام نوسان ولتاژ، DVR که بصورت سري در سیستم قدرت قرار میگیرد با تزریق ولتاژ میتواند ولتاژ مطلوب را براي بارهاي حساس تولید کند، که این در واقع کارکرد اصلی DVR است. این تجهیز توانایی تولید یا جذب مستقل توان راکتیو قابل کنترل واقعی و ولتاژ خروجی AC که به صورت سري به فیدر توزیع متصل است را دارد. به طور کلی DVR شامل اجزاء زیر است (اکبري، :(1392
(1 اینورتر منبع ولتاژ (VSI)
(2 المان ذخیره ساز انرژي (ESS)
(3 فیلتر هارمونیک (4 ترانسفورماتور تزریق سري (5 استراتژي کنترلی
DVR یک تجهیز مبتنی بر الکترونی ک قدرت است که هسته اصلی آن از یک اینورتر منبع ولتاژ سه فاز تشکیل شده است (اکبري، .(1392 عملکرد این جبرانساز بدین صورت است که با تزریق سه ولتاژ قابل کنترل از لحا ظ دامنه و زاویه به صورت سري به شبکه، ولتاژ شینه بار را در مقدار مطلوب نگه میدارد. DVR علاوه بر تبادل توان راکتیو با شبکه براي جبرانسازي کمبود ولتاژنسبتاً زیاد و همچنین براي بارهایی با ضریب توان بالا باید قابلیت تبادل توان اکتیو با شبکه را هم داشته باشد. بنابراین، المان ذخیره کننده انرژي یکی از اجزاي اصلی یک DVR بشمار میآید. قابلیت ذخ یرهسازي آن، میزان قابلیت جبرانسازي DVR را مشخص میکند. سیستمهاي متفاوتی به عنوان المان ذخیره ساز انرژي میتوانند در ساختار DVR بکار بروند. از المان ذخیره کننده انرژي میتوان به انواع مختلف خازنها و ابر خازنها، باتريها، چرخ طیار و کویل مغناطیسی SMES اشاره کرد . انتخاب المان ذخیره کننده انرژي با در نظر گرفتن عواملی مانند میزا ن نیاز به انرژي ( و یا میزان جبرانسازي)، قیمت، تکنولوژي و در دسترس بوددن انتخاب میشود. در DVR ، براي تولید ولتاژ مطلوبمعمولاً از روش کلید زنی با فرکانس بالا استفاده میکنند. این روش باعث میشود تا در خروجی اینورتر استفاده شده در ساختار DVR، محتواي هارمونیکی فرکانس بالا ( نزدیک فرکانس کلید زنی) تولید شود که باید قبل از تزریق به شبکه حذف شوند. براي حذف محتواي هارمونیکی فرکانس بالا از فیلتر LC پایین گذر استفاده میشود. فیلتر میتواند در طرف اینورتر و یا شبکه نصب شود ولی نصب آن در طرف اینورتر باعث عملکرد مؤثرتر فیلتر میشود، چرا که به منبع هارمونیک نزدیک تر است. هدف از کاربرد DVR، حفاظت بارهاي حساس در مقابل اغتشاشات سیستم است(.( Nielsen, 2006 شکل (1) یک نمونه از مدار شماتیکی DVR را نشان میدهد.
شکل1 .مدار شماتیکی DVR متصل به سیستم قدر ت
اینورترهاي منبع ولتاژ (VSI) با توجه به ولتاژ خروجی مناسب در DVR ها استفاده میشوند . این اینورترها کهمعمولاً دو سطحی میباشند داراي معایب عمدهاي از جمله ولتاژ خروجی با اعوجاج هارمونیکی بالا، نرخ تغییرات ولتاژنسبتاً زیاد و تلفات کلیدزنی بالا میباشد از این رو به فیلترهاي LC بزرگی در ترمینال خروجی اینورتر نیاز است که این فیلتر LC بزرگ علاوه بر افزایش هزینه و حجم DVR، قدرت عملکردي DVR را کاهش میدهد زیرا این دسته از اینورترها قادر به کارکرد در سطوح بالا نمیباشند و به دلیل دو سطحی بودن (تعداد محدود سوئیچ) قابلیت اطمینان کمتري دارند که در کل سبب کاهش قدرت جبرانسازي DVR در کمبود ولتاژهاي عمیق میگردد. براي غلبه بر این مشکل استفاده از اینورترهاي منبع ولتاژ چند سطحی پیشنهاد میگردد. این دسته از اینورترها به دلیل تولید شکل موجهاي خروجی با اعوجاج هارمونیکی بسیار پایین THD%)پایین)، فشار ولتاژ محدود بر روي ادوات کلیدزنی، قابلیت اطمینان بالا، دست یابی به سطوح بالایی از ولتاژ (MV) ، کارکرد در ولتاژ و توانهاي بالا و نرخ تغییرات ولتاژ بسیار کم در سالهاي اخیر مورد توجه قرار گرفتهاند. در این مقاله جبرانسازي کمبود ولتاژ ناشی از خطا در شبکه توزیع نیروي برق توسط DVR مبتنی بر اینورتر چند سطحی با ساختار مدولارشده و اتصال آبشاري (MMCC) مورد بررسی و شبیهسازي قرار گرفته است. در ادامه اینورتر منبع ولتاژ چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصاال آبشاري MMCC تشریح شده و روش کلیدزنی بردار فضایی (SVPWM) براي کنترل ولتاژ پیشنهاد شده است. سپس ساختار و عملکرد DVR در شرایط کمبود ولتاژ در سه ساختار، DVR مبتنی بر اینورتر هفت سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاري (MMCC)، DVR مبتنی بر اینورتر پنج سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاري (M MCC)، DVR مبتنی بر اینورتر سه سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاري (MMCC) مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. شبیهسازيها در نرم افزار M ATLAB/Simulink انجام شده است.
ساختار اینورتر MMCC
شکل (2) ساختار اینورتر چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاري (MMCC) سه فاز را نشان میدهد که شامل سه اینورتر تک فاز است که هر ساق از این اینورتر متشکل از تعدادي سلول تمام پل (H-Bridge) میباشد که با یکدیگر سري شدهاند و در نهایت هر سه ساق این اینورتر با اتصال ستاره به یکدیگر متصل شدهاند و اینورتر پیشنهادي را به وجود میآورند (Akag i, 2011) و .(Akagi, 2010)
2
این ساختار از اینورتر، نسل جدیدي از اینورترهاي چند سطحی هستند که مشکلات دیودهاي مس دودکنندهي زیاد یا مشکلات متعادلسازي ولتاژ خازنها را دارا نمیباشند(.(Jacobson, 2008 همان طور که در شکل (2) مشاهده میشود هر سلول از این اینورتر داراي ساختار تمام پل میباشد. سلولهاي H-Bridge باهدف دسترسی به ولتاژ عملکرد بالا و کاهش اغتشاشات هارمونیکی، بصورت سري بسته میشوند . استفاده از سلولهاي مشابه باعث مدولار (Modular ) شدن این ساختار شده و بطور مؤثر منجر به کاهش هزینه خواهد شد . این اینورتر به دلیل مدولار بودن قابلیت اطمینان بالاي دارد همچنین در این اینورتر (MMCC) بر خلاف سایر اینورترهاي چند سطحی که از IGBT یا IGCT با ولتاژ بالا استفاده میکنند، اینورتر پیشنها دي از IGBTهاي ولتاژ پایین به عنوان ادوات کلیدزنی ( سوئیچینگ) در هر سلول استفاده مینماید .(Hiller, 2012) بنابراین با اتصال سري این سلولها میتوان به ولتاژ بالایی دست یافت. از مهمترین مزیتهاي اینورتر MMCC میتوان به موارد زیر اشاره نمود :(Akagi, 2011)
(1 ساختار مدولار شده :(M odular) یکسان بودن سلولها در نتیجه کاهش هزینه
(2 افزایش قابلیت اطمینان سیستم
(3 پایین بودن THD% ولتاژ خروجی و عدم نیاز به فیلتر LC در ترمینال خروجی
(4 پایین بودن نرخ تغییرات ولتاژ
(5 کاهش تنش بر روي سوئیچها و کاهش مقادیر نامی سوئیچها
(6 دستیابی به سطوح ولتاز بالا
(7 بازده بالا
(8 حداقل تعداد ادوات سوئیچینگ ، نسبت به مبدل چند سطحی کلمپ دیود و خازن شناور در سطوح ولتاژ برابر
(9 کنترل آسان و عدم پیچیدگی اینورترهاي کلمپ دیود و خازن شناور
از اینرو استفاده از این دسته اینورترها سبب بهبود عملکرد DVR در جبرانسازي خواهد شد.
روش مدولاسیون بردار فضایی (SVP WM)
در پالس دهی به روش مدولاس یون بردار فضایی، سیگنال ایجاد شده از تفریق ولتاژ تزریقی مرجع و ولتاژ تزریقی، توسط ماتریس تبدیل، به V ، V و V 0 تبدیل میشود .(Donald, 2007) نسبت به مقادیر V ، V و V 0 پالسهاي آتش به اینورتر اعمال میشود. در شکل (3) بلوك دیاگرام روش پالس دهی ترسیم شده است. معادله (1) ولتاژ سه فاز را به سیستم سه فاز در دستگاه مختصات ساکن تبدیل میکند که با مختصات تعریف میشود .(G upta, 2011)
شکل.3 بلوك دیاگرام پالس دهی به روش بردار فضایی
براي ایجاد پالسهاي آتش باید مراحل زیر صورت گیرد (Karatsivos, 2010) و :(Kelly, 2009)
(1 تبدیل V abc به V
(2 مشخص کردن سکتور مورد نظر (3 تعیین مدت زمان اعمال هر حالت سوئیچینگ
در این مقاله مراحل فوق براي تولید پالس جهت کلیدزنی اینورتر MMCC براي تولید ولتاژ در DVR پیشنهادي به صورت برنامه نویسی در محیط MATLAB انجام شده است که بلوك دیاگرام روش مدولاسیون S VPWM در شکل (4) نشان داده شده است و در شکل (5) سکتورها جهت عملیا ت پالس دهی در اینورتر مورد نظر نشان داده شده است. شکل (6) ولتاژ خط به خط اینورتر هفت سطحی MMCC استفادهشده در DVR را بر مبناي مدولاسیون SVPWM نشان میدهد و شکل (7) تحلیل طیف هارمونیکی ولتاژ خروجی اینورتر مذکور را نشان میدهد.
