بخشی از مقاله
چکیده
برخی از بارهاي تکفاز در دسته بارهاي حساس قرار دارند که از نظر کیفیت توان الکتریکی میبایست حد مجاز تغییرات ولتاژ و فرکانس و ... را براي آنها رعایت نمود. به همین جهت در این مقاله اینورتر منبع امپدانسی شبه Z-source غیر ایزوله براي سیستم فتوولتائیک - PV - تکفاز با ویژگی هاي هزینه کم، حجم کم و با زمین مضاعف ارائه میگردد. خانواده مبدلهاي منبع امپدانسی در دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از این میان، مقالات منتشره در این حوزه غالبا روي ساختار اصلی این مبدل و در حالت حلقه باز ارائه شده اند. در این مقاله علاوه بر ارائه ساختار مبدل SQZ، کنترل حلقه بسته این مبدل به کمک کنترل کننده هاي PI نیز ارائه شده است. بر اساس نتایج این مقاله مشاهده میشود استفاده از کنترل حلقه بسته در شرایط کاري مختلف و براي بارهاي حساس با توان متفاوت، ایجاد پایداري بیشتر، کیفیت توان بهتر و داشتن شکل موج ولتاژ خروجی با دامنه مجاز را فراهم میکند. علاوه بر این، از دیگر مزایا نسبت به حالت حلقه باز، داشتن ولتاژ AC با دامنه قابل کنترل در خروجی است که میتوان براي تامین بارهایی که به ولتاژ متغیر نیاز دارند استفاده نمود.
کلید واژه- کنترل حلقه بسته، پانل فتوولتائیک PV، منبع امپدانسی، کم هزینه، کم حجم، اینورتر تک فاز شبه Z-source، زمین مضاعف.
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر، به دلیل بحران انرژي، تولیدات پراکنده - DGs - از نوع انرژي هاي تجدیدپذیر، مانند توربین بادي، پانل فتوولتائیک - PV - ، سلول سوختی و ماژولهاي تولید زمین گرمایی - TEG - ، در حال تبدیل شدن به یک گزینه محبوب در برنامههاي کاربردي صنعتی و مسکونی میباشند .[1] بسیاري از تولیدات پراکنده - DGs - از نوع انرژي هاي تجدیدپذیر مانند سلولهاي PV، سلول سوختی، و ماژول TEG تنها میتوانند ولتاژ مستقیم - DC - در خروجی خود تولید کنند، بنابراین به جهت مصارف ولتاژ متناوب - AC - و کاربردهاي اتصال به شبکه باید یک رابط اینورتري مورد استفاده قرار گیرد .[3-2]اینورترها بر مبناي ایزولاسیون به دو دسته اینورترهاي ایزوله و اینورترهاي غیر ایزوله تقسیم میشوند.
اینورترهاي ایزوله معمولا از ترانسفورمرهاي فرکانس بالا براي ایزولاسیون الکتریکی استفاده میکنند .[4] براي ساختارهاي اینورتر با ترانسفورماتور فرکانس بالا، چندین روش معروف وجود دارد. روش اول، اینورترباك-بوست ایزوله یک مرحلهاي یا همان اینورتر فلاي بک است.[5] روش دوم، تبدیل ولتاژ در دو مرحله میباشد، که این تبدیل به کمک یک مبدل DC-DC ایزوله در مرحله اول و یک اینورتر تمام پل در مرحله دوم انجام میگیرد .[6] روش سوم، یک مبدل دو مرحلهاي میباشد، به این صورت که با اینورتر DC به ACفرکانس بالا، ولتاژ AC تولید میشود سپس در مرحله دوم، یک ترانسفورمر فرکانس بالا به همراه مبدل AC-AC قرار دارد .[7]
ساختارهاي ترانسفورمر ایزوله معمولا بهره ولتاژ و ایمنی بالاتري دارند، اما نیاز به کلید-هاي بیشتري با هزینه نسبتا بالا و پیچیدگی بیشتر دارند، در عین حال که بازده سیستم را نیز کاهش میدهند.در برخی از کشورها، در شبکه ولتاژ پایین یا سطوح توان کمتر از 20 کیلووات، موضوع ایزولاسیون یک مسئله ضروري نیست .[8] در نتیجه این موضوع منجر به توسعه ساختارهاي اینورترهاي بدون ترانسفورمر و کم هزینه میگردد. ساختارهاي اینورتري بدون ترانسفورمر به دو دسته ساختارهاي اینورتري دو مرحلهاي و ساختارهاي اینورتري تک مرحله اي، طبقهبنديمیشوند.[9] در این میان، براي سادهسازي هرچه بیشتر و به منظور کاهش هزینه و کاهش حجم، ساختارهاي اینورتري تک مرحلهاي اهمیت پیدا میکنند.[7]
براي ساختارهاي اینورتري بدون ترانسفورمر، در صورتی که منبع DC ورودي و قسمت ACخروجی، زمین یکسانی نداشته باشند، در منبع DC ورودي به ویژه براي سیستمهاي فتوولتائیک جریان نشتی بزرگی حاصل میگردد که مشکلات ایمنی و تداخل الکترومغناطیسی را به وجود خواهد آورد .[10] به منظور حل این مشکل، یا باید کلیدهاي اضافی به ساختار موجود اضافه گردد که به ناچار افزایش هزینه و پیچیدگی سیستم را در پی خواهد داشت و یا از ساختارهاي داراي زمین مضاعف استفاده گردد .[10] بنابراین، به دلیل ملاحظات ایمنی، هزینه، حجم مبدل و سادگی سیستم، ساختارهاي اینورتري غیر ایزوله و داراي زمین مضاعف، براي تولیدات پراکنده تجدیدپذیر در کاربردهاي AC ترجیح داده میشوند. این ساختار در کاربرد اتصال به شبکه نیز سودمند میباشد.
به منظور کاهش هزینه و افزایش قابلیت اطمینان سیستم، اینورتر Z-Source و شبه Z-Source به عنوان ساختار اینورتري بدون ترانسفورمر تک مرحلهاي پیشنهاد شده است .[11] در ساختار اینورتر Z-Source با استفاده از شبکه LC منحصر به فرد، یک حالت صفر از طریق شلیک به جاي حالت صفر سنتی اینورتر، اضافه میگردد تا خاصیت افزایش ولتاژ خروجی حاصل گردد. روشهاي PWM مختلف زیادي براي کنترل اینورتر Z-Source یا اینورتر Z-Source چند سطحی بر مبناي روشهاي مختلف حالت صفر از طریق شلیک ارائه شده است .[12] به طورمرسوم، اینورتر و شبه در کابردهايفتوولتائیک سه فاز و یا انرژي باد متصل به شبکه و یا درایو موتور سه فاز براي وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدي - HEV - قابلاستفاده میباشند.
اخیرا از ساختارهاي و شبه Z-Source در کاربرد هاي تک فاز براي سیستم فتوولتائیک، درایو موتور و کاربرد UPS استفاده شده است .[13]در شکل 1 به منظور بررسی ولتاژ مناسب و مجاز براي بارهاي الکتریکی با ولتاژ 120 ولت تکفاز بر اساس استانداردANSI C84 مشاهده میشود فقط دامنه تغییرات بین مثبت و منفی %5 به صورت پریونیت در ترمینال مصرف کننده مجاز است.بنابراین براي بارهاي تکفاز حساس میبایست این ناحیه حتما رعایت شود. به عبارت دیگر در مبدل هاي حلقه باز به دلیل جریانکشی هاي مختلف، افت ولتاژهاي مختلفی در مسیر ایجاد میگردد و از طرفی به علت اینکه ضریب مدلاسیون عدد ثابتی است ممکن است در شرایط افت ولتاژ زیاد، در ترمینال بار، دامنه ولتاژ خارج از حد مجاز بوجود آید که مطلوب نیست.
-2 ساختار Boost-Inverter
در کاربردهاي AC از سیستم فتوولتائیک به طور مرسوم از یک مبدل DC-DC که معمولا مبدل Boost میباشد، قبل از اینورترهاي تک فاز یا سه فاز استفاده میگردد. در شکل2 ساختار کلی این روش نمایش داده شده است.
اینورتر تکفاز
در این ساختار، در یک مرحله توسط مبدلافزایش ولتاژ رخ میدهد و در مرحله بعد توسط اینورتر ولتاژ DCبه AC تبدیل میگردد. در این ساختار، با کنترل چرخه کار مبدل Boost، ردیابی نقطه بیشترین توان انجام میپذیرد. اما از معایب این ساختار میتوان به تبدیل ولتاژ در 2 مرحله، هزینه زیاد، تلفات زیاد، راندمان پایین، راهاندازي نسبتا مشکل و استفاده از تجهیزات و مدارات کلیدرنی اضافی براي هر مبدل به طور جداگانه اشاره کرد.
-1-2 ساختار مبدل Z-Source Inverter مرسوم
شبکه Z-Source یک شبکه از سلف و خازن است که بصورتZ در مدار قرار میگیرند، 2 سلف به صورت افقی و 2 خازن به صورت ضربدري این شبکه را تشکیل میدهند. شکل3 شبکه Z-Source به همراه اینورتر تکفاز نمایش داده شده است.شکل3 الف: شبکه Z-Source به همراه اینورتر تکفازنمیگردد، ولی وقتی از شبکه در قبل از اینورتراستفاده میشود میتوان یک ساق را اتصال کوتاه کرد که اصطلاحا به این حالت اتصال کوتاه، Shoot-Through میگویند، این حالت خاصیت افزایندگی ولتاژ را بوجود میآورد. در شکل3نحوه تولید فرمان کلیدهاي اینورتر به روش نیزنمایش داده شده است. در این روش موج مرجع به صورت سینوسی تعریف میشود که با موج حامل مثلثی و خطوط صاف ضریب مدلاسیون در طرفین آن، تلاقی میکند و فرمان کلیدهاي اینورتر تولید میگردد. .[14]
-2-2 روابط حاکم بر ساختار Z-Source inverter
در یک اینورتر معمولی ولتاژ خروجی بر حسب ولتاژ ورودي مطابق رابطه 1 بیان میشود. دامنه ولتاژ خروجی فاز با Voنمایش داده شده است.استفاده از اینورتر به همراه شبکه Z-Source نسبت به ساختار Boost-Inverter مزایایی از قبیل خاصیت افزایش ولتاژDC - خاصیت - boost، تبدیل ولتاژ در یک مرحله، پایداري بیشتر جریان و ولتاژ، تلفات کمتر، بازده بیشتر، هزینه کمتر و اجزاي مداري کمتر اشاره کرد. همچنین در صورت بروز اتصال کوتاه در سمت اینورتر به منبع آسیبی نمی رسد و قابلیت اطمینان بالاتري دارد. یکی از روشهاي رایج جهت کنترل این مبدل، روش کلیدزنی Simple Boost Control میباشد، که با کلیدزنی به روش خاصی بر روي این ساختار، بدون نیاز به مبدل DC-DC، افزایش ولتاژ رخ میدهد.
در یک اینورتر معمولی که به صورت ولتاژي تغذیه میشود هیچ گاه یک ساق اتصال کوتاهاز طرفی ساختار Z-Source به تنهایی نیز یک ضریب افزایندگی دارد که طبق رابطه 2 بدست میآید. از طرفی ساختار Z-Source به تنهایی نیز یک ضریب افزایندگی دارد که طبق رابطه 2 بدست میآید.در رابطه2، T0 زمان shoot-through و T همان زمان دوره کلیدزنی است و در نهایت D0 را چرخه کار حالت شلیک مینامند. ضریب M نیز ضریب مدلاسیون میباشد. رابطه نهایی بین ولتاژ ورودي و خروجی مبدل نیز مطابق رابطه 3 بدست میآید. ضریب افزایندگی کل این ساختار با G نمایش داده شده است که در این حالت G بین 1 تا ∞ قابل تغییر است که خاصیت افزایندگی ولتاژ در این ساختار را نمایش میدهد. .[15]
-3 ساختار مبدل اینورتري شبه - SQZ - Z- source
شکل 4 ساختار مبدل اینورتري شبه Z-Source که به اختصار - semi quasi Z-source - SQZ نامیده میشود را نمایش
