بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک ساختار جدید برای اینورترهای چندسطحی ارایه گردیده است که در سیستمهای فتوولتاییک به کار میرود . مهمترین عنصر در اینورترها، کلیدها میباشد. هرچه تعداد کلیدها کمتر باشد، هزینهها کمتر میشود و تلفات ناشی از کلیدزنی کاهش مییابد و همچنین باعث بالا رفتن قابلیت کنترل سیستم و کنترل آسان کلیدها میشود. برای این منظور یک ساختار اینورتر پایه طراحی شده است. برای بالا بردن تعداد سطوح ولتاژ، چندین ساختار پایه با یکدیگر سری شده است. این ساختار در مقایسه با ساختارهای مرسوم، نیاز به تعدادکلیدها و منابع ولتاژ dc کم تری دارد که منجر به کاهش حجم، قیمت نهایی و ساده شدن روش کنترلی اینورتر می شود. برای کنترل کلیدهای قدرت از روش مدولاسیون فرکانس باند پایه استفاده گردیده است و از نرمافزار MATLAB/Simulink برای اثبات مطالب و روابط استفاده شده است.
واژههای کلیدی: اینورتر چندسطحی، فتوولتاییک، مدولاسیون فرکانس پایه، مبدل، کانورتر
-1 مقدمه
با توجه به افزایش روز افزون نگرانی های جهانی در مورد آلودگی آب و هوا و کاهش منابع انرژی های سوخت فسیلی، تحقیقات در مورد انرژی های تجدیدپذیر روز به روز افزایش می یابد. در مورد منابع انرژی های تجدیدپذیر نظیر انرژی های خورشیدی، بادی، پیلهای سوختی و ... مشکلات عدیده ای نظیر ردیابی توان ماکسیمم، بازدهی کم و مشکلات اتصال به شبکه و بار وجود دارد. یکی از مشکلات اساسی دیگر مربوط به کانورترهای الکترونیک قدرتی میباشد که با هزینه بالایی همراه می باشند ( Abdalla, Corda, .(& Zhang, 2013; Yuan &Barbi, 2000 شکل((1 شماتیکی از اتصال منابع انرژی تجدیدپذیر به بار مصرفی نمایش داده شده است. منابع انرژی تجدیدپذیر (مانند سیستم فتوولتاییک یا پیل سوختی)، به عنوان منبع ولتاژ ورودی به مبدلها استفاده شده است. این منبع با استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت به بار مصرفی وصل شده است. چنانکه در شکل دیده میشود ابتدا با استفاده از مبدل DC/DC مقدار ولتاژ خروجی کنترل میشود و ولتاژ خروجی کانورتر DC/DC با استفاده از مبدل DC/AC، توان به بار مصرفی انتقال مییابد. هدف این مقاله طراحی این دو مبدل میباشد، به نحوی که تعداد سطوح ولتاژ خروجی به سینوسی نزدیکتر باشد.
اینورتر چندسطحی یک سیستم الکترونیک قدرت است که می تواند با استفاده از چندین منبع ولتاژ dc به عنوان ورودی، یک شکل موج ولتاژ سینوسی را در خروجی تولید کند .(Corzine &Familiant, 2002; Rodriguez, Lai, & Peng, 2002) اینورترهای چندسطحی در مقایسه با اینورترهای دوسطحی و سه سطحی دارای مزایایی از قبیل تولید شکل موج خروجی با کیفیتبالا، اعوجاج هارمونیکی کم، تلفات کلیدزنی کم، کاهش استرس روی کلیدها میباشند Banaei& Salary, 2012تا به امروز سه ساختار مرسوم برای اینورترهای چندسطحی شناخته شده است که عبارتند از: .1 اینورترهای چند سطحی برشگر دیودی .(Nabae, Takahashi, &Akagi, 1981; Pan, Peng, Stefanovic, &Leuthen , 2004)2 اینورتر چند سطحی خازن های شناور، (Feng , Liang, &Agelidis, 2007)، .3 اینورتر چند سطحی کاسکاد((Li & Wu, 2008
اینورتر چندسطحی برشگر دیودی برای اولین بار توسط Nabae و همکاران مطرح شد(. (Nabae et al., 1981 اینورتر چندسطحی برشگر دیودی به کمک خازن های سری ولتاژ باس dc را تقسیم کرده و بنابراین سطوح ولتاژ مختلف را تولید می کند. برای تولید سطوح ولتاژ خیلی بالا به ادوات الکترونیک قدرت زیادی نیاز دارد که از مشکلات اساسی این اینورتر به شمار می آید.
اینورتر چند سطحی خازن شناور به صورت یک مدار نردبانی از خازنهای شناور با ولتاژهای متفاوت است. اندازه افزایش ولتاژ بین دو خازن، اندازه سطوح ولتاژ را در خروجی تعیین میکند. یک اینورتر خازن شناور جهت ایجاد سطح ولتاژ به خازن باس dc احتیاج دارد. در این مبدل از خازن های شناور به منظور تولید ولتاژ مورد نظر در خورجی استفاده می کنند ( AnChiu, Xian, & .(Moss, 2008
اینورتر چندسطحی کاسکاد شامل یک سری واحدهای متناوب ساز پل H است. وظیفه کلی متناوب ساز پل، ساخت ولتاژ مورد نظر از چند منبع dc مجزا می باشد . (Li &Wu , 2008)
علاوه بر ساختارهای مرسوم فوق، در سالهای اخیر ساختارهای متفاوتی در مراجع مختلف نیز ارائه گردیده است ( Babaei, .(2008; Hinago& Koizumi, 2010 ; Najafi&Yatim, 2012; Su, 2005 در تمامی این ساختارها استفاده از ادوات الکترونیک قدرت نظیر تعداد کلیدهای الکترونیک قدرت و تعداد مدارهای راهانداز زیاد باعث افزایش هزینه و حجم ساختار و پیچیدگی کنترل ساختار گردیده است.
هرچند اینورترهای چندسطحی مطرح شده در قسمت فوق توانایی تولید سطوح ولتاژ مختلف را دارند ولی معایبی نیز دارند، از جمله اینکه برای ایجاد سطوح ولتاژ بیشتر در خروجی، تعداد ادوات الکترونیک قدرت افزایش می یابد. هر چندکه در اینورترهای چندسطحی از کلیدهای با ولتاژ نامی کم استفاده می شود، اما هر کلید به مدار راه انداز و مدار محافظ نیاز داردکه این منجر به افزایش هزینه، پیچیدگی مدار کنترلی، کاهش قابلیت اطمینان و افزایش اندازه مدار شود. از این رو در این مقاله مبدل اینورتری جدیدی با هزینه کمتر طراحی شده است.
-2 ساختار پیشنهاد شده
در شکل((2 ساختار اینورتر -7 سطحی مبدل الکترونیک قدرت پیشنهادی نشان داده شده است. این ساختار از دو مبدل کانورتر DC/DC و اینورتر DC/AC تشکیل شده است. نوع کانورتر DC/DC، کانورتر ZETA میباشد. این مبدل قابلیت افزایش و کاهش سطح ولتاژ ورودی (منبع تجدیدپذیر) را دارد. رابطه ی بین ولتاژ ورودی و خروجی کانورتر ZETA به صورت زیر بیان میگردد:
در این رابطه ، D ضریب سیکل کاری میباشد و با تنظیم آن، ولتاژ خروجی کانورتر کنترل میگردد. ضریب سیکل کاری D، نسبت زمان هدایت کلید به دوره تناوب کلیدزنی میباشد که به ازای D>0.5 کانورتر افزاینده ولتاژ خواهد بود و برای D<0.5 کاهنده ولتاژ ورودی خواهد بود.
در ساختار پیشنهادی، از روش تقسیم ولتاژ خازنی برای اینورتر استفاده شده است. برای تفهیم بهتر ابتدا از سه خازن جهت تقسیم ولتاژ (V) استفاده شده است. در واقع، مقدار ولتاژ خروجی کانورتر DC/DC با استفاده از سه خازن تقسیم کننده ولتاژ و کلیدهای الکترونیک قدرتو کانورتر تمام پل، به ولتاژ AC تبدیل شده است. مقدار ولتاژ هر خازن V/3 میباشد.
برای ساختار پیشنهاد شده، میتوان 7 سطح ولتاژ در خروجی تولید کرد، به طوریکه سطوح ولتاژ تولیدی در شکل((3 در قسمت-های (الف) تا (ز) نشان داده شده است. در این شکلها خطوط قرمز نشاندهنده مسیر جریان و کلیدهای روشن شده میباشند. به طور مثال در شکل()(3الف) میتوان با روشن کرده کلیدهای T1 و T3 سطح ولتاژ 0 را تولید نمود. برای بقیه سطوح ولتاژ نیز می-توان مشابه تولید سطح 0 کلیدها را با روشن و خاموش کردن، تولید نمود.
شکل((3 حالتهای مختلف قطع و وصل کلیدها برای تولید سطوح ولتاژ مختلف
یکی از اهداف مهم در طراحی کبدلهای اینورتری، افزایش سطوح ولتاژ خروجی با تعداد المانهای الکترونیک قدرت کمتر می-باشد؛ زیرا با افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجی، هارمونیک کلی کاهش مییابد و میتوان بدون استفاده از فیلترهای خازنی اینورتر را به شبکه یا بار وصل نمود. از این رو میتوان اینورتر پیشنهادی را بسط داد و به سطوح ولتاژ بالاتر رسید. شکل((4 ساختار بسط داده شده اینورتر پیشنهادی را نشان میدهد. این ساختار قادر است تمام سطوح ولتاژ را تولید نماید. در این ساختار تعداد سطوح ولتاژ خروجی برابر است با:
