بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، ساختار اینورتر چند سطحی جهت استفاده در فیلتر اکتیو موازی استفاده شده است . که در آن توان راکتیو بار و هارمونیکهای جریان با وجود شبکه قدرت با هارمونیک ولتاژ جبران می گردد . و به جهت استفاده از اینورتر چند سطحی، ولتاژ خروجی فیلتر دارای هارمونیک کمتری می باشد . ساختار پیشنهادی در محیط نرم افزار PSCAD شبیه سازی شده و نتایج صحت عملکرد مبدل را نمایش میدهد.
مقدمه
یک شبکهی قدرت ایده آل شبکهای است که شکل موج ولتاژ و جریان در تمامی نقاط آن سینوسی و هم فاز بوده و فرکانس و دامنه ی ولتاژ نیز ثابت باشد . هر گونه مشکلی که باعث تغییر در ولتاژ، جر یان یا فرکانس شود، یک مشکل کیفیت توان است. مسائلی از قبیل نامتعادلی، هارمونیک ها، میان هارمونیکها، توان راکتیو، کمبود ولتاژ، بیشبود ولتاژ، افت ولتاژ و اضافه ی ولتاژ جزء مشکلات کیفیت توان می باشند.
هارمونیکها، ولتاژها و جریان های سینوسی هستند که دارای فرکانسهایی با مضرب عددی صحیح از فرکانس اصلی شبکه می باشند. هارمونیکها با مولفه ی اصلی ولتاژ یا جریان ترکیب شده و موجب اعوجاج در شکل موج می گردند. اعوجاج هارمونیکی به علت مشخصه های غیر خطی دستگاه ها و بارهای سیتم قدرت به وجود میآید. همچنین تصحیح ضریب توان یا جبران توان راکتیو به معنی تولید توان راکتیو تا حد ممکن در محلی نزدیک به بار بجای تغذیه کردن آن از منبع توان دور می باشد تا مشکلات ذکر شده کاهش یابد .
حضور بارهای غیر خطی الکتریکی از قبیل یکسوسازهای سه فاز، درایوهای با سرعت قابل تنظیم و منابع تغذیه بدون و قفه سبب تولید هارمونیک ولتاژ و جریان و توان راکتیو در شبکه ی قدرت الکتریکی می شوند که با کاهش کیفیت توان، افزایش تلفات در خطوط انتقال،افزایش تداخل الکترومغناطیسی و اثرات نامطلوب دیگر همراه خواهد بود. از جمله ادواتی که می- توانند کیفیت توان را بهبود دهند فیلترها هستند.
فیلترها میتوانند برای حل مسائلی مانند نامتعادلی، هارمونیک ها و توان راکتیو در شبکههای قدرت بهکار روند وشامل انواع پسیو، اکتیو و هیبرید می باشند. فیلترهای پسیو، فیلترهایی با المان های LC هستند و به عنوان روش سنتی در حذف هارمونیک های سیستم به کار میروند. فیلترهای اکتیو به علت مشکلات بوجود آمده توسط فیلترهای پسیو پیشنهاد شدند . فیلترهای اکتیو برحسب قرار گرفتن در شبکه قدرت الکتریکی به دو دسته ی سری و موازی تقسیم می شوند که فیلترهای اکتیو موازی جریانهای هارمونیکی تولید شده توسط بار را با تزریق جریان هارمونیکی هم اندازه ولی با علامت مخالف آن و همچنین توان راکتیو بار را جبران سازی می کند.
در این مقاله، ساختار اینورتر چند سطحی جهت استفاده در فیلتر اکتیو موازی استفاده شده است . که در آن توان راکتیو بار و هارمونیکهای جریان با وجود شبکه قدرت با هارمونیک ولتاژ جبران می گردد. و به جهت استفاده از اینورتر چند سطحی، ولتاژ خروجی فیلتر دارای هارمونیک کمتری می باشد.
مبدلهای سه فاز مورد استفاده در فیلتر اکتیو موازی پیشنهادی
به طور کلی مبدلهای مورد استفاده در فیلترهای اکتیو را می توان به دو دستهی مبدلهای تغذیه شونده با ولتاژ و مبدلهای تغذیه شونده با جریان تقسیم کرد. از دید شبکهی قدرت و بارهای غیرخطی نظیر درایو موتورها این دو مبدل هیچ تفاوتی با هم ندارند ولی از نظر عملکرد و ساختار تفاوت هایی دارند که سبب برتری و کاربرد بیشتر مبدل های تغذیه شونده با ولتاژ شده است .
این مبدلها کارایی بهتر، قیمت و حجم کمتری نسبت به مبدل های تغذیه شونده با جریان دارند و از طرفی ساختار IGBT های موجود در بازار به علت قرار گیری دیودها به صورت موازی-معکوس با IGBT بیشتر مناسب این مبدل ها می باشد . البته این ساختار کلید قدرت سبب می شود که IGBT نیازی به انسداد ولتاژ معکوس نداشته باشد ولی در مبدل های تغذیه شونده با جریان ساختار کلید قدرت به گونهای است که نیازمند به مدارات اضافی برای انسداد ولتاژ معکوس میباشیم که سبب پیچیدگی و قیمت بیشتر مبدل می شود. البته مبدلهای تغذیه شونده با جریان نیز مزایایی از قبیل کارکرد مناسب در حضور بارهای سبک و کنترل مدار باز آسان جریان دارند . از مشکلات مبدل های تغذیه شونده با ولتاژ نیز میتوان به ریپل کلید زنی در جریان خروجی و عمر کم لینک DC آن اشاره کرد
در این مقاله به جهت داشتن هارمونیک ولتاژ کم در خروجی فیلتر، ساختار اینورتر چند سطحی استفاده شده است . که در آن توان راکتیو بار و هارمونیکهای جریان جبران می گردد . در بین توپولوژی های مختلف مبدل های چند سطحی، معروفترین آن ها عبارتند از : ] neutral-point-clamped - NPC - ٌٍ-َ[، مبدل های flying capacitor - FC - و مبدل های ] cascade H-bridge - CHB - َ.[ مبدلهای NPC نیاز به دیودهای کلمپ دارند و در معرض نامتعادلی ولتاژ در خازن های dc خود قرار دارند
ساختارهای جدید برای مبدل های چند سطحی، در ]ٌِ-ٌُ[ ارائه شدهاند. محدودیتهای مبدل های H-bridge نیاز به تعداد زیاد اینورترهای تکی و نیاز به تعداد زیاد منابع dc ایزوله شده هستند. عیب مهم مبدل های FC این است که تعداد خازنها با افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجی افزایش می یابند. به هر حال، این مبدل ها انعطاف بیشتری نسبت به انتخاب ترکیبهای مختلف کلیدزنی نشان داده و از این طریق امکان کنترل بهتری را برای کنترل شارژ متقارن خازن ها فراهم میکنند. علاوه بر آن، گسترش تعداد سطوح ولتاژ خروجی به بیشتر از سه سطحی آسان تر از مبدل NPC است.
در مقایسه با مبدل های چند سطحی با دیود های برش - diode-clamped - ، مبدل های چند سطحی H-bridge میتوانند بر مشکلاتی نظیر مقادیر نامی متفاوت اجزا و هم چنین مقدار ولتاژ متفاوت خازن های dc غلبه کند و در مقایسه با مبدل های چند سطحی FC، این مبدل ها تعداد خازن های کم تری داشته و کنترل ساده تری دارند. در نهایت این مبدل ها میتوانند به صورت ماجول هایی طراحی بشوند که طراحی آسان تری را می طلبد. ساختار استفاده شده در این اینورتر از نوع چند سطحی آبشاری می باشد که در آن منابع DC ایزوله به اینورترهای تمام پل یا نیم پل متصل هستند . سطح ولتاژ خروجی هر کدام از این اینورترها ، +Vdc و 0 و -Vdc هستند که توسط ترکیب های مختلف چهار کلید S3، S2، S1 و S4 ایجاد خواهند شد
ولتاژ های AC حاصل از هر اینورتر که به صورت سری به هم متصل هستند ، با هم ترکیب شده و شکل موج خروجی را پدی می آورند. تعداد سطوح ولتاژ خروجی یک اینورتر آبشاری برابر است با - m=2S+1 - ، که در آن S برابر با تعداد منابع DC ایزوله می باشند، به عنوان مثال ولتاژ فاز خروجی نشان داده شده در شکل ٍ مربوط به یک اینوترسطحی آبشاری با ِ منبع ولتاژ ایزوله می باشد - S=5 - که ولتاژ فاز برابر است با :
Van = Va1+ Va2+ Va3+ Va4+ Va5
