بخشی از مقاله

چکیده -

در این مقاله، یک توپولوژی جدید برای بازیاب دینامیکی ولتاژ بر اساس مبدل ماتریسی ارائه شده است. در سیستم مذکور المان ذخیرهساز انرژی و خازن لینک DC حذف شده است. لینک خازنی DC از دیدگاه قابلیت اطمینان لینک ضعیفی محسوب میشود بنابراین حذف آن سبب بهبود قابلیت اطمینان سیستم میگردد از طرفی المان ذخیرهساز انرژی و خازن لینک DC حجیم هستند و حذف آنها به شدت میتواند سایز و وزن سیستم را کاهش دهد به همین دلایل این توپولوژی بازیاب دینامیکی ولتاژ نسبت به سایر توپولوژیهای معمولی که از المان ذخیره انرژی، مبدل منبع ولتاژ و خازن لینک DC استفاده میکنند عملکرد بهتری دارد.

برای کنترل سوئیچهای مبدل ماتریسی از روش مدولاسیون Alesina-Venturini استفاده شده و جهت کنترل بازیاب دینامیکی ولتاژ پیشنهادی از روش پیش از خطا به همراه کنترلر تناسبی-انتگرالی - PI - بهره گرفتهایم. بازیاب دینامیکی ولتاژ ارائه شده، قابلیت جبرانسازی کمبود، بیشبود و هارمونیک ولتاژهای شدید با دوره زمانی نامحدود را داراست. نتایج حاصل از شبیهسازی در محیط نرمافزاری MATLAB/SIMULINK نشان میدهد که بازیاب دینامیکی ولتاژ پیشنهادی عملکرد بسیار خوبی در طول اختلالات مختلف ولتاژی شبکه جهت حفاظت بارهای حساس داشته است.

-1 مقدمه

امروزه یکی از مسائل مهم در صنعت برق، مسئله کیفیت توان برای بارهای حساس است. بارهای حساس مانند کامپیوترها، کنترل کنندههای منطقی قابل برنامهریزی - - PLC، درایوهای سرعت متغیر - - VSD و ... اغلب منابع تغذیه باکیفیت بالا لازم دارند. اغتشاشات کیفیت توان موارد مختلفی مانند، کمبود و بیشبود ولتاژ، وقفه، شیفت فاز، هارمونیک و شرایط گذرا است.

یکی از مسائل مهم در ارتباط باکیفیت توان، کمبود ولتاژ - - Voltage sag، بیشبود ولتاژ - - Voltage swell، هارمونیک ولتاژ - Voltage Harmonic - است. کمبود ولتاژ طبق استاندارد IEEE 1159 -1995، به صورت کاهش در مقدار مؤثر ولتاژ از %10 تا % 90 مقدار نامی، در طول مدت 0/5 سیکل تا 1 دقیقه است. یک مطالعه کیفیت توان که اخراًی انجام شده است، نشان میدهد که %92 از کل اغتشاشات در سیستم قدرت از کمبود ولتاژ ناشی میشود .[1] کمبود ولتاژ میتواند موجب خسارت دیدن تولید، از دست دادن تولید، هزینههای راهاندازی مجدد و خطر از کارافتادگی، گردد. راهاندازی موتورهای القایی بزرگ، برق دار کردن ترانسفورماتور، عیبهای زمین و عیبهای اتصال کوتاه موجب کمبود ولتاژ میشود. بیشبود ولتاژ به صورت افزایش در مقدار مؤثر ولتاژ بین 1/1 و 1/8 پریونیت در فرکانس قدرت و در مدت زمان 0/5 سیکل تا 1 دقیقه، تعریف میشود.

خارج کردن بارهای بزرگ سلفی از شبکه و برق دار کردن بانکهای خازنی بزرگ از دلایل بیشبود ولتاژ است. مطابق با استاندارد IEEE-519 هارمونیک ولتاژ، ولتاژ سینوسی است که دارای فرکانسی با مضرب عددی صحیح از فرکانس اصلی شبکه میباشد.[2] مبدلهای تغذیه سهفاز، کورههای القایی، دستگاههای جوشکاری و لامپهای فلورسنت از دلایل هارمونیک ولتاژ است. با گسترش روزافزون استفاده از دستگاههای الکترونیکی و کامپیوترها و دیگر تجهیزات حساس به کیفیت انرژی الکتریکی ساخت تجهیزات مناسب برای فراهم آوردن کیفیت مطلوب انرژی الکتریکی برای
 مصرفکنندهها اجتنابناپذیر میباشد.

در همین راستا ادوات Custom Power برای بهبود کیفیت توان در دهه 1980 مطرح گردیدند .[3] یک رویکرد جدید و کارآمد که در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرارگرفته استفاده از DVR است. DVR - Dynamic Voltage Restorer - اساساً یک منبع ولتاژ کنترل شده است که بین شین تغذیه و بارهای حساس نصب میگردد. در واقع در هنگام نوسان ولتاژ، DVR که بصورت سری در سیستم قدرت قرار میگیرد با تزریق ولتاژ میتواند ولتاژ مطلوب را برای بارهای 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 بصورت سری به فیدر توزیع متصل است را دارد. مجموعه عناصر اصلی که یک DVR را تشکیل میدهند عبارتند از 

·    مبدل: عموما از یک مبدل منبع ولتاژ با مدولاسیون PWM برای تبدیل ولتاژ سیستم ذخیره انرژی به ولتاژ متناوب مورد نیاز استفاده میشود که در این مقاله از مبدل ماتریسی AC به AC استفاده شده است.

·    المان ذخیره انرژی: انرژی لازم برای جبران توان بار در زمان اغتشاش توسط یک سیستم ذخیره انرژی تامین میشود. از جمله سیستمهای ذخیره انرژی مورد استفاده در DVR میتوان به باتری، چرخ گردان، منبع ذخیره انرژی مغناطیسی فوق هادی - SMES - و خازنها اشاره کرد. در این مقاله به دلیل استفاده از مبدل ماتریسی المان ذخیره انرژی حذف شده است که این امر سبب افزایش قابلیت اطمینان و کاهش هزینه نهایی و حجم سیستم گردیده است

·    فیلتر هارمونیکی: از این فیلتر جهت کاهش هارمونیک-های تولید شده توسط مبدل و جلوگیری از نفوذ آنها به شبکه استفاده میگردد. این فیلتر به صورت پایین گذر طراحی میشود تا هارمونیکهای فرکانس بالای تولید شده ناشی از مبدل را حذف نماید. این فیلتر میتواند قبل از ترانسفورماتور تزریق یا بعد از ان قرار بگیرد. در صورتی که بعد از ترانسفورماتور قرار گیرد میتوان از اندوکتانس پراکندگی ترانسفورماتور نیز به عنوان بخشی از اندوکتانس فیلتر استفاده نمود که حجم فیلتر را کاهش میدهد.

·    ترانسفورماتور تزریق سری: این ترانسفورماتور علاوه بر ایزولاسیون گالوانیکی وظیفه تزریق ولتاژ تولید شده توسط مبدل را به شبکه قدرت بر عهده دارد.

·    استراتژی کنترلی: مهمترین قسمت DVR بخش کنترل آن است که وظیفه تشخیص اغتشاش و محاسبه ولتاژ مورد نیاز برای جبران ولتاژ بار را بر عهده دارد.

شکل 1 مدار شماتیکی DVR را نشان میدهد

شکل :1 مدار شماتیکی DVR

هنگام استفاده از DVR مجهز به منبع ذخیره انرژی و خازن لینک DC برای جبران اختلالات ولتاژ نسبتا شدید و با مدت تداوم زیاد نیازمند بهرهگیری از یک منبع ذخیره کننده انرژی بزرگ و حجیم برای تامین توان اکتیو مورد نیاز DVR میباشیم که این امر منجر به کاهش قابلیت اطمینان و افزایش هزینه نهایی DVR میشود، راه حل مقابله با این مسئله استفاده از مبدل ماتریسی AC به AC و حذف المان ذخیره انرژی و خازن لینک DC و تامین توان اکتیو مورد نیاز از طریق شبکه میباشد.

در DVR پیشنهادی در این مقاله، ظرفیت ذخیره انرژی داخلی وجود ندارد و در عوض انرژی از خود شبکه در زمان اغتشاش گرفته میشود. مزیت این توپولوژی آن است که DVR توانایی جبران اغتشاشات با زمان ماندگاری بالاتری را دارد چرا که انرژی از خود شبکه تامین میشود در حالی که در توپولوژی معمولی - دارای سیستم ذخیره انرژی و لینک خازنی - DC مدت زمان تامین انرژی بار به ظرفیت سیستم ذخیره انرژی بستگی دارد. بهرهگیری از مبدل ماتریسی سبب این مزیت برای DVR پیشنهادی شده است.

در قسمت دوم این مقاله به تشریح ساختار مبدل ماتریسی به همراه روش مدولاسیون Alesina-Venturini پرداخته میشود. در قسمت سوم بازیاب دینامیکی ولتاژ - DVR - مبتنی بر مبدل ماتریسی - Matrix Converter - و روش کنترلی پیش از خطا - Per-sag - به همراه کنترلر تناسبی - انتگرالی - PI - تشریح خواهد شد. در قسمت چهارم نیز جهت تأیید مباحث تئوری ارائه شده در سه قسمت قبل و نمایش کارایی DVR پیشنهادی، جبرانسازی کمبود، بیشبود و هارمونیک ولتاژ بر روی شبکه توزیع نمونه در محیط نرمافزاری MATLAB/SIMULINK مورد شبیهسازی قرار خواهد گرفت. که نتایج حاصل از شبیهسازیها درستی عملکرد سیستم را نشان میدهد.

مدولاسیون Alesina-Venturini، روشن و خاموش میشوند. به دلیل سوئیچ زنی در مدار مبدل ماتریسی، ولتاژ خروجی ناپیوسته خواهد بود و با قرار دادن خازن در ورودی مبدل این مشکل برطرف میگردد.

-2 ساختار مبدل ماتریسی - Matrix converter -

مفهوم مبدل ماتریسی - MC - ابتدا توسط Gyugyi در سال 1976 پیشنهاد شد و توسعه ان توسط Alesina و Venturini در سال 1980 آغاز گردید. [6] مبدل ماتریسی تجهیزی است که میتواند ولتاژ AC را به ولتاژ AC دیگری با دامنه، فاز و فرکانس مورد نیاز تبدیل نماید و نیازی به عناصر پسیو - خازن و یا سلف - برای لینک DC ندارد. لینک خازنی DC از دیدگاه قابلیت اطمینان لینک ضعیف در سیستم الکترونیک قدرت محسوب میشود. بنابراین حذف ان باعث بهبود قابلیت اطمینان سیستم میگردد حذف لینک DC این قابلیت را میتواند فراهم کند که سلولهای مبدل ماتریسی به صورت مجتمع در یک ماژول واحد نیمههادی قرار گیرند. این بلوک واحد - مازول - قابلیت کنترل و حفاظت مدار را سادهتر میکند. از مزایای مبدل ماتریسی میتوان به موارد زیر اشاره نمود:

-1توانایی انتقال توان دو طرفه، -2 شکل موجهای ورودی و خروجی تقریبا سینوسی، -3 توانایی کنترل ضریب توان ورودی، -4 ساختار فشرده و کم حجم به جهت فاقد لینک DC بودن.

از معایب ان میتوان به پیچیدگی توپولوژی و استراتژی سوئیچینگ آن اشاره کرد. مبدل ماتریسی در حالت کلی میتواند n فاز از یک سیستم الکتریکی را به m فاز از سیستم الکتریکی دیگری متصل نماید. این دو سیستم میتوانند دارای ولتاژ با اندازه، فاز و حتی فرکانس الکتریکی متفاوتی باشند. ساختار یک مبدل ماتریسی سه فاز به سه فاز و نیز ساختار هر یک از سوئیچهای ان در شکل 2 نشان داده شده است. هر یک از سوئیچهای مبدل ماتریسی شامل دو سوئیچ نیمههادی که عموما IGBT هستند و دو دیود میباشد

شکل :2 ساختار مبدل ماتریسی سه فاز به سه فاز

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید