بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله، برای کاهش نوسانات ولتاژ مد مشترک و جریان نشتی، یک ترانسفورماتور مد مشترک و ساختار H-bridge و منبع ولتاژی که مقدار آن یک ششم منبع ولتاژ اصلی است به ساختار اینورتر سه فاز تمامپل اضافه شدهاست و با استفاده از مدولاسیون AZSPWM3 ، سطوح ولتاژ جبرانساز از طریق ترانسفورماتور مد مشترک به خروجی اینورتر اعمال گردیدهاست که ضمن بالا نگهداشتن رنج خطی بودن ولتاژ، THD جریان خروجی کاهش مییابد و نوسانات ولتاژ مد مشترک در Vdc/2 ثابت نگه داشته میشود و در نتیجه جریان نشتی تقریبا حذف میشود. به دلیل اینکه در سیستمهای سه فاز سه سیمه جمع جریانهای سه فاز صفر است، هیچ جریان باری از سیمپیچ اولیه عبور نمیکند و تنها جریان مغناطیس کنندگی است که از سیمپیچ اولیهی ترانسفورماتور عبور میکند. بنابراین رنج توان نامی سوئیچها و منبع کمکی نیز پایین است. درستی این روش برای یک نمونهی 1400 واتی، از طریق MATLAB/Simulink نیز نشان داده شدهاست.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر منابع انرژی تجدیدپذیرِ توزیع شده به علت خصوصیاتی مانند نزدیکی توان تولید شده به مصرفکننده، کاهش تلفات ناشی از خطوط انتقال، کاهش مصرف سوختهای فسیلی و در نتیجه کاهش آلودگی محیط زیست توجه زیادی را به خود جلب کردهاند به طوری که تا پایان سال 2016، 24/5 درصد از کل انرژی جهان توسط انرژیهای تجدیدپذیر تأمین شدهاست.[1] در این میان، ماژولهای PV به علت نداشتن قسمت متحرک که موجب طول عمر بیشتر و هزینههای نگهداری پایینتر میشود، مورد توجه قرار گرفتهاند. در سال 2016، مقدار کل ظرفیت خورشیدی به 303 گیگاوات رسیده که نسبت به سالهای گذشته بیشترین رشد را داشته است.
به طور کلی، سیستمهای خورشیدی متصل به شبکه به دو دستهی با ترانسفورماتور و بدون ترانسفورماتور تقسیم میشوند. ترانسفورماتورها میتوانند فرکانس بالا در سمت dc یا فرکانس پایین در سمت ac باشد. در بسیاری از مناطق و کشورها، به منظور ایجاد ایزولاسیون گالوانیک و مسائل ایمنی، حذف جریان نشتی، تطبیق با ولتاژ شبکه و جلوگیری از تزریق جریان dc به شبکه، از ترانسفورماتور استفاده میشود. با این حال وجود ترانسفورماتور موجب افزایش حجم، وزن، هزینه و کاهش بازدهی میشود.
[4-2] برای فائق آمدن بر این مشکلات، سیستمهای خورشیدی بدون ترانسفورماتور معرفی شدند. فقدان ترانسفورماتور موجب اتصال گالوانیک بین آرایهی PV و شبکه میشود که نتیجهی آن بوجود آمدن جریانی موسوم به جریان نشتی است. پدیدارشدن جریان نشتی افزایش تلفات سیستم، افزایش هارمونیک، اختلال در سازگاری الکترومغناطیسی و مسائل مربوط به ایمنی افراد و تجهیزات را به دنبال دارد. بخش عمدهای از تحقیقات به منظور محدود کردن جریان نشتی بر روی سیستمهای تک فاز بدون ترانسفورماتور انجام شدهاست[6 ,5] و توجه کمتری به سیستم-های سهفاز بدون ترانسفورماتور شدهاست. در [7] با اقتباس از ساختارهای تکفاز، یک یا دو سوئیچ به ساختار اینورتر سه فاز تمامپل اضافه شدهاست.
علاوه بر این برای جلوگیری از معلق بودن ولتاژ مد مشترک و کاهش اثر خازن پیوند سوئیچها یک سلول کلمپکننده به این ساختارها اضافه شده است که میتواند پسیو یا اکتیو باشد. این روشها اگرچه دامنهی ولتاژ مد مشترک را نسبت به ساختار سهفاز تمامپل کاهش میدهد ولی باعث افزایش تلفات هدایتی میشود. با اضافه کردن دو سوئیچ و دوازده دیود به ساختار سه فاز تمامپل در [8] ساختار جدیدی به دست آمده است که به طور قابل توجهی هزینه و تلفات را افزایش میدهد و جریان نشتی را به خوبی کاهش نمیدهد. علاوه بر تغییر ساختار، روش-های مدولاسیونی مانند AZSPWM1، NSPWM2، RSPWM3 و همچنین روشهای مبتنی بر تغییر موج حامل در[10 ,9] ارائه شده که از لحاظ رنج خطی بودن ولتاژ، الگوی ولتاژ خط به خط خروجی، ریپل جریان خروجی و لینک DC، تلفات و THD جریان خروجی متفاوت هستند.
در این مقاله با استفاده از ایدهی مطرح شده برای اینورترهای NPC4 که برای درایو موتورهای القایی استفاده شدهاست ,11] [12 ، با اضافه کردن یک مدار کمکی به ساختار سه فاز تمام پل که توان نامی سوئیچها و منیع ولتاژ کمکی آن پایین است و با استفاده از مدولاسیون AZSPWM3 که برای این ساختار سازگار شدهاست با تولید سطوح ولتاژ جبرانساز، ولتاژ مد مشترک ثابت نگه داشته میشود و ضمن بالا نگه داشتن رنج خطی بودن ولتاژ، جریان نشتی را تقریبا حذف میکند و THD جریان خروجی نیز کاهش مییابد. ساختار این مقاله به این شرح است: در بخش2 دلیل ایجاد جریان نشتی و روش حذف آن ارائه شدهاست. در بخش3، روش-های ارائه شده برای کاهش ولتاژ مد مشترک مورد بازبینی قرار گرفته است. در بخش4 روش ارائه شده برای کاهش جریان نشتی و در بخش5 نتایج شبیهسازی ارائه شدهاست و در نهایت در بخش6 نتیجهگیری و دستاوردها ارائه میشود.
-2 جریان نشتی5
پنلهای PV در لایه های مختلفی که شامل شیشه، سیلیکون و صفحهی پشت پنل است، ساخته میشوند. یک اسکلت فلزی این لایهها را در برگرفته است که در اروپا تحت شرایط خاصی و در آمریکا به زمین متصل میشوند.[8] همانطور که در شکل 1 نشان داده شدهاست، ساختار مکانیکی و نحوه نصب ماژول های PV موجب بوجود آمدن یک ظرفیت خازنی نسبت به محیط اطراف میشود. ظرفیت خازنی برای عملکرد پنل PV مورد نیاز نیست و به همین دلیل به آن ظرفیت خازنی پارازیتی گفته میشود.
عوامل متعددی در تعیین مقدار ظرفیت خازنهای پارازیتی تأثیر می-گذارند که میتوان به شرایط آب و هوایی، ساختار PV و نوع مادهی استفاده شده در اسکلت فلزی ماژولها اشاره کرد. مطابق با ,8] [13 خازن پارازیتی بین پنلهای PV و زمین 50-200nF/kWp تخمین زده میشود. در نتیجه یک مزرعهی خورشیدی بزرگ و با توان بالا دارای ظرفیت خازنی بزرگی میباشد که در صورت وجود رطوبت میتواند بیشتر هم شود.
همانطورکه در شکل 2 نشان داده شدهاست به علت وجود خازنهای پارازیتی بین آرایهی PV و زمین جریانی بین شبکه و آرایهی PV جاری میشود که به آن جریان مد مشترک میگویند. مقدار این جریان نشتی متأثر از نوع مدولاسیون و ساختار اینورتر میباشد. استفاده از مدار معادل مربوط به ولتاژ مد مشترک می-تواند نقش ولتاژ مد مشترک در تولید جریان نشتی را تشریح کند. در سیستمهای سه فاز تمامپل نشان داده شده در شکل 2 ولتاژ مد مشترک - - CM میتواند با تحلیل بین هر دو فاز بدست آید.[15]
همانطور که در شکل 3 نشان داده شدهاست وجود منبع مد مشترک موجب شارژ و دشارژ خازن پارزیتی و در نتیجه ایجاد جریان نشتی میشود. هرچه دامنه و نوسانات ولتاژ دو سر خازن پارازیتی بیشتر باشد جریان نشتی بالاتری تولید میشود. مطابق با استاندارد DIN VDE 0126-1-1 حداکثر جریان نشتی باید به 300 میلی آمپر محدود شود. ایدهی محدود کردن جریان نشتی، حذف منبع مد مشترک در فرکانس سوئیچینگ است که میتواند بوسیلهی ساختار یا روشهای مدولاسیون مشخصی بدست آید. مطابق با نتایج بدست آمده در مدل تحلیلی جریان نشتی، یکی از راههای محدود کردن جریان نشتی ، ثابت نگه داشتن ولتاژ مد مشترک در ساختارهای قدرت متقارن است.[15 ,4]
-3 روشهای کاهش ولتاژ مد مشترک1
اینورترهای سه فاز تمامپل، به علت سادگیشان در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال، مطابق با جدول 1، استفاده از مدولاسیون پهنای پالس سینوسی2 یا مدولاسیون پهنای پالس بردار فضایی3 به علت دامنهی بالای نوسان مد مشترک و در نتیجه تولید جریان نشتی بالا برای اینورترهای سه فاز تمامپل بدون ترانسفورماتور مناسب نیستند.[16 ,2] از این رو ساختارهای تبدیل و روشهای مدولاسیون مختلفی ارائه شدهاند تا جریان نشتی را کاهش دهند.
-1-3 ساختارهای تبدیل
در سیستمهای سه فاز با استفاده از روشهایی که در سیستم-های تکفاز وجود دارد، برای کاهش ولتاژ مد مشترک از دو روش جداساز dc و ac استفاده شدهاست تا در طول دورهی هرزگردی آرایههای PV و شبکه را از هم جدا کند.[17 ,7 ,3] همانطور که در شکل 4 نشان داده شدهاست، برای کاهش بیشتر جریان نشتی و اثرات مربوط به خازن پیوند سوئیچها، در طول دورههای هرزگردی ولتاژ مد مشترک به نصف ولتاژ لینک dc کلمپ شده-است. در نتیجه دامنهی نوسان ولتاژ مد مشترک به جای نوسان از صفر تا Vdc بین Vdc/3 تا 2Vdc/3 تغییر میکند که منجر به کاهش جریان نشتی میشود. با این حال به علت وجود دو سوئیچ در مسیر اصلی انتقال توان تلفات هدایتی افزایش مییابد.
شکل -4ساختار H8 با دو دیود کلمپ کننده [7]
در [8] برای کاهش دامنهی نوسانات ولتاژ مد مشترک دو سوئیچ و 12 دیود به اینورتر سه فاز تمامپل اضافه شده است که در شکل 5 نشان داده شدهاست. برای جلوگیری از اتصال کوتاه خازنهای لینک dc از دو دیود Dz1 و Dz2 استفاده شدهاست. یکسو کنندهی A زمانی بردار صفر تولید میکند که از بردارهای فرد V1، V3 و V5 استفاده میشود. در طرف مقابل، زمانی که از بردارهای زوج V2، V4 و V6 استفاده میشود، یکسوکنندهی B بردار صفر تولید میکند.
