بخشی از مقاله
چکیده
مبدل استاتکام جهت بهبود کیفیت توان با جبرانسازی افت ولتاژ لحظه ای استفاده می شود . این دستگاه می تواند با کنترل توان راکتیو تزریقی به شبکه به سرعت افت ولتاژ لحظه ای را جبران نماید. جهت بهبود مشخصات استاتکام از یک اینورتر چند سطحی با آرایش معکوس کننده - - RV استفاده می شود. با کمک این مبدل شکل موج ولتاژ خروجی هفت سطحی می شود.
از آنجا که استاتکام تبادل توان اکتیو کمی با شبکه دارد، جهت ایجاد منبع DC در این مبدل از خازن استفاده می شود. با این حال به علت تلفات موجود، ولتاژ خازنها جهت جبران توان اکتیو مورد نیاز استاتکام نیاز به کنترل شدن دارند. در این مقاله چالش اصلی کنترل ولتاژ لینک DC در استاتکام می باشد که با استفاده از روش کنترل فازی عصبی این مشکل مرتفع می شود. نتایج شبیه سازی با استفاده از نرم افزار MATLAB عملکرد این روش کنترلی را تایید می کند.
مقدمه
در سال های اخیر با گسترش الکترونیک قدرت و ورود بارهایی که به تغییرات ولتاژ حساس هستند مسئله کیفیت توان از اهمیت بیشتری برخوردار شده است. سیستم های توزیع باید ولتاژ را به صورت سینوسی و با دامنه و فرکانس معین تحویل مصرف کننده دهند. سیستمهای قدرت به خصوص سیستم های توزیع از تعداد زیادی بارهای غیر خطی تشکیل شده اند که به طور جدی بر روی مسائل کیفیت توان تاثیر می گذارند. جدا از بارهای غیر خطی مسائلی مانند کلید زنی خازن ها، راه اندازی موتورها، اضافه بارهای گذرا و اتصال کوتاه در شبکه نیز بر روی کیفیت توان تاثیر می گذارند.
مشکلات کیفیت توان شامل هر گونه اختلال که بر ولتاژ، جریان با فرکانس شبکه تاثیر می گذارد و موجب عملکرد نا مناسب و یا عدم عملکرد تجهیزت مصرف کننده شود، تعریف شده است. افت ولتاژ در شبکه یکی از مهمترین مسایلی هست که در سیستم های قدرت همیشه رخ می دهد. بانک های خازنی و راکتوری ثابت و یا با قابلیت کلید زنی و همچنین جبران کننده توان راکتیو ایستا از ادواتی هستند که به طور گسترده برای جبران توان راکتیو شبکه و کنترل ولتاژ مورد استفاده قرار گرفته اند. این مدل از تجهیزات دارای معایبی از جمله سرعت پاسخ کم، اندازه بزرگ و همچنین تلفات بیشتر می باشند.
امروزه جبران کننده های مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ از جمله استاتکام به خاطر حجم کمتر، سرعت پاسخ بیشتر و همچنین تلفات کمتر، جایگزین جبران کننده های مرسوم شده اند. هدف اصلی استاتکام کنترل ولتاژ شبکه در نقطه اتصال به شبکه می باشد.
استاتکام یک جبران کننده مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ می باشد که به طور موازی به شبکه وصل می شود. بر خلاف سایر جبران کننده های توان راکتیو از جمله جبران کننده توان راکتیو ایستا، استاتکام در شرایطی خاص قادر به تزریق توان اکتیو به شبکه نیز می باشد .
محققین در سالهای اخیر به صورت گسترده ای به بررسی ساختارها و روش های کنترل پرداخته اند. در سالهای اخیر استفاده از مبدل های چندسطحی به خصوص ساختار چند سطحی کاسکود به خاطر اعوجاجات هارمونیکی و همچنین تلفات کمتر رایج شده است. در حال حاضر 4 نمونه مبدل چندسطحی نوعی وجود دارد. مبدل های چند سطحی دیود کلمپ، مبدل های چندسطحی خازن شناور، مبدل چند سطحی کاسکود و مبدل های ترکیبی
تعداد ادوات زیاد و تجهیزات فرکانس بالا از جمله معایب این ساختار های می باشد. به همین منظور و برای بهبود این مساله ساختار جدید چندسطحی معکوس کننده ولتاژ - RV - ارائه شده است. این ساختار از تجهیزات و ادوات فرکانس بالای کمتری نسبت به سابر مبدل های چند سطحی نیاز دارد و در نتیجه هزینه کمتر و قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به سایر ساختارهای چند سطحی دارد و می تواند جایگزین سایر مبدل های چند سطحی در کاربرد های مختلف بشود.
یکی دیگر از معایب ساختارهای چند سطحی کنترل و بالانس ولتاژ لینک DC می باشد. عدم کنترل مناسب موجب عملکرد نامناسب و یا عدم عملکرد ساختار چند سطحی می شود
دو روش مبتنی بر سخت افزار و نرم افزار بدین منظور استفاده میشود. روش مبتنی بر سخت افزار نتایج مطلوبی دارد اما باعث افزایش حجم و همچنین افزایش هزینه می شود که امری نامطلوب است.
در روش مبتنی بر نرم افزار به طور معمول از کنترل کننده PI بدین منظور استفاده می شود و پارامترهای کنترل کننده طوری تنظیم می شوند که مبدل با دریافت توان اکتیو از شبکه ولتاژ خازنها را در بازه نامی کنترل می کند. تنظیم پارامترهای کنترل کننده PI امری دشوار و زمان بر می باشد و همچنین به مدل سازی ریاضی سیستم تحت مطالعه نیاز است.
همچنین پارامترها برای محدوده ای خاص تنظیم شده اند و در صورت تغییرات در شرایط شبکه از جمله اتصال کوتاه و یا اضافه بار در شبکه بهترین عملکرد خود را نداشته و نیاز به تنظیم مجدد پارامترهای کنترل کننده می باشد. به منظور رفع این مشکل استفاده از کنترل کننده های هوشمند فازی و عصبی بسیار رایج شده است. این کنترل کننده ها نیازی به مدلسازی ریاضی سیستم ندارند و محدوده عملکرد وسیع تری دارند - An et al., - 2009 و همچنین در صورت نیاز به تنظیم مجدد، این امر نسبت به کنترل کننده PI آسان تر می باشد.
در این مقاله در ابتدا ساختار استاتکام مبتنی بر مبدل چندسطحی RV ارائه شده است. تئوری دستگاه مرجع سنکرون برای کنترل استاتکام به کار رفته است. سپس به منظور کنترل ولتاژ لینک DC روش کنترلی مبتنی بر کنترل کننده فازی و عصبی پیشنهاد شده است. در مقایسه با کنترل کننده PI روش پیشنهادی عملکرد بهتری داشته و در بخش شبیه سازی این موضوع تایید شده است.
1 مبدل معکوس کننده ولتاژ - RV -
در دهه اخیر استفاده از مبدل های چند سطحی در همه کاربردها از جمله ادوات FATCS به طور گسترده ای افزایش پیدا کرده است. شکل موج ولتاژ خروجی مبدلهای چند سطحی در مقایسه با دو سطحی به شکل موج سینوسی نزدیکتر است. بنابراین مزیت مهم مبدلهای چند سطحی در مقایسه با دو سطحی، کاهش میزان THD ولتاژ و جریان به ازای فرکانس کلیدزنی یکسان و در نتیجه کاهش هزینه فیلتر کردن در سمت AC میباشد. همچنین افزایش تعداد سطوح موجب کاهش میزان تغییرات ولتاژ و جریان dv/dt - و - di/dt و در نتیجه کاهش میزان نویزهای صوتی و 1 EMIمیشود. یکی دیگر از مزیت-ها، میزان ولتاژ لینک DC بیشتر در مبدلهای چند سطحی میباشد.
یکی دیگر از مزایای مبدلهای چند سطحی کاهش تنش ولتاژ کلیدها و در نتیجه انتخاب کلیدهایی با ولتاژ نامی کمتر میباشد. به طور مثال ولتاژ نامی کلیدهای مبدل دو سطحی برابر با ولتاژ لینک DC است، در حالیکه ولتاژ نامی کلیدهای یک مبدل سه سطحی فقط نیمی از این مقدار میباشد. بنابراین امکان افزایش ولتاژ لینک DC و ظرفیت مبدل فراهم میشود.
استفاده از مبدلهای چند سطحی موجب کاهش تلفات کلیدزنی و افزایش تلفات هدایتی نسبت به مبدل دو سطحی میشود. کاهش تلفات کلیدزنی به علت کاهش تنش و ولتاژ نامی کلیدها و افزایش تلفات هدایتی ناشی از افزایش تعداد عناصر هادی جریان میباشد. در مجموع در شرایط یکسان تلفات کلی مبدلهای چند سطحی کمتر از دو سطحی است. در واقع کاهش تلفات به عنوان مهمترین دستاورد ساختارهای چند سطحی مطرح میباشد. با وجود تمام مزایای فوق، مشکل اصلی مبدلهای چند سطحی افزایش تعداد ادوات نیمههادی میباشد. این امر منجر به افزایش اندازه و قیمت مبدل، پیچیدگی مدارهای کنترل، کنترل و بالانس خازنهای DC و همچنین کاهش قابلیت اعتماد آن میشود. اما میتوان ساختار چند سطحی را طوری طراحی کرد که تعداد کلیدهایی که در ولتاژ نامی و فرکانس بالا کار میکنند، کمتر باشد. در نتیجه هزینه آنها در مقایسه با مبدلهای دو سطحی رایج، قابل قبول و منطقی میشود.
در مبدلهای چند سطحی کلیدها برای تولید شکل موج با فرکانس بالا و پلاریتههای مثبت و منفی با هم ترکیب میشود. ولی در واقع نیاز به استفاده از تمام کلیدها برای تولید سطوح دو قطبی - مثبت و منفی - نمیباشد. این موضوع ایده اصلی ساختار جدیدی با عنوان معکوس کننده ولتاژ - RV - 2 میباشد
این ساختار در واقع یک ساختار چند سطحی ترکیبی است که ولتاژ خروجی در آن به دو بخش تقسیم شده است. بخش اول با عنوان تولید سطح، موظف به تولید سطح با پلاریته مثبت میباشد. این بخش نیاز به کلیدهای فرکانس بالا برای تولید سطوح دارد. بخش دیگر تولید پلاریته نام دارد که موظف به تولید پلاریته ولتاژ خروجی میباشد و در فرکانس خط کار میکند. این دو قسمت - فرکانس بالا و فرکانس پائین - برای تولید ولتاژ خروجی چند سطحی ترکیب میشود. به منظور تولید ولتاژ خروجی چند سطحی کامل، سطح مثبت ولتاژ توسط قسمت فرکانس بالا - تولید سطح - تولید میشود و سپس خروجی به بخش مبدل پل کامل - تولید سطح - که پلاریته لازم برای خروجی را تولید میکند، میرود. این امر موجب میشود که تعداد بسیاری از کلیدها برای تولید پلاریته مثبت و منفی فعال نشوند.
آرایش هفت سطحی این ساختار در شکل ذیل نشان داده شده است. همان طور که در شکل مشخص است، به ده کلید و سه منبع برای این ساختار نیاز است. سمت چپ شکل، قسمت تولید سطح با پلاریته مثبت و سمت راست شکل موج خروجی با پلاریته مثبت و منفی را نشان میدهد.
