طراحی، مدلسازی و کنترل مبدل جدید تک-طبقه توان dc-ac چند-ورودی برای سیستمهای pv/fc/battery

امروزه در مراجع علمی و عملی، انرژی خورشیدی در قالب سیستمهای فتوولتاییک(pv) برای کاربردهای کم توان شهری و مصرف کننده-های دور از شبکه برق بسیار تحقیق شده است. اما از آنجاییکه تولید توان الکتریکی از این انرژی به دلیل صفر شدن تولید در شب و وابستگی آن به شدت روشنایی و دمای محیط در روز دارای قابلیت اطمینان پایینی است، استفاده از یک منبع انرژی تکمیلی جهت افزایش قابلیت اطمینان تولید احساس می شود. در این میان پیل سوختی (fc) به عنوان یک منبع انرژی الکتریکی سبز و با قابلیت اطمینان بالا در قالب یک سیستم هیبرید در کنار منبع pv قرار می گیرد. منبع fc نیز به نوبه خود دارای مسائل بهره برداری از جمله زمان راه اندازی بالا، دینامیک پایین در تولید توان و همچنین ریپل وسیع نقطه کار است. بنابراین، یک سیستم هیبرید اولیه جهت جبران نقص توان بین منابع pv، fc و بار نیازمند یک سیستم ذخیره ساز انرژی (ess) با دینامیک بالا است. در سیستمهای مستقل از شبکه تجهیزات باتری و یا ابر خازن (uc) برای جبران نقص توان به کار می روند. نتیجه اینکه، یک سیستم هیبرید pv/fc/battery-uc شکل خواهد گرفت. تحقیقات بسیاری در زمینه سیستمهای هیبرید و مبدل های الکترونیک قدرت به کار رفته در آنها صورت گرفته است. در این تحقیقات، امروزه مبدلهای چند-ورودی (mic) برای محققان جالب، مهم و مورد بحث و مطالعه قرار گرفته اند. تمامی این نوع مبدل ها تاکنون از نوع dc-dc طراحی شده و لذا ذاتاً برای تامین بارهای dc مناسب هستند. بنابراین، چنانچه هدف تامین یک بار ac باشد از یک طبقه اینورتر dc-ac دیگر نیز استفاده می شود. این اینورتر مجدداً سیستم هیبرید را متحمل هزینه، تلفات، حجم و وزن بیشتر نموده و ساختار مبدل آن را به صورت دو-طبقه توان معرفی می کند. بنابراین، هر طرح جدیدی از مبدلهای چند-ورودی تک-طبقه توان غیر ایزوله که مستقیماً از نوع dc-ac بوده و نسبت به مبدلهای دو-طبقه توان در تعداد قطعات، هزینه و حجم سیستم هیبرید صرفه جویی به عمل آورد، ارزشمند شناخته می شود. امروزه در مراجع علمی و عملی، انرژی خورشیدی در قالب سیستمهای فتوولتاییک(pv) برای کاربردهای کم توان شهری و مصرف کننده های دور از شبکه برق بسیار تحقیق شده است. اما از آنجاییکه تولید توان الکتریکی از این انرژی به دلیل صفر شدن تولید در شب و وابستگی آن به شدت روشنایی و دمای محیط در روز دارای قابلیت اطمینان پایینی است، استفاده از یک منبع انرژی تکمیلی جهت افزایش قابلیت اطمینان تولید احساس می شود. در این میان پیل سوختی (fc) به عنوان یک منبع انرژی الکتریکی سبز و با قابلیت اطمینان بالا در قالب یک سیستم هیبرید در کنار منبع pv قرار می گیرد. منبع fc نیز به نوبه خود دارای مسائل بهره برداری از جمله زمان راه اندازی بالا، دینامیک پایین در تولید توان و همچنین ریپل وسیع نقطه کار است. بنابراین، یک سیستم هیبرید اولیه جهت جبران نقص توان بین منابع pv، fc و بار نیازمند یک سیستم ذخیره ساز انرژی (ess) با دینامیک بالا است. در سیستمهای مستقل از شبکه تجهیزات باتری و یا ابر خازن (uc) برای جبران نقص توان به کار می روند. نتیجه اینکه، یک سیستم هیبرید pv/fc/battery-uc شکل خواهد گرفت. تحقیقات بسیاری در زمینه سیستمهای هیبرید و مبدل های الکترونیک قدرت به کار رفته در آنها صورت گرفته است. در این تحقیقات، امروزه مبدلهای چند-ورودی (mic) برای محققان جالب، مهم و مورد بحث و مطالعه قرار گرفته اند. تمامی این نوع مبدل ها تاکنون از نوع dc-dc طراحی شده و لذا ذاتاً برای تامین بارهای dc مناسب هستند. بنابراین، چنانچه هدف تامین یک بار ac باشد از یک طبقه اینورتر dc-ac دیگر نیز استفاده می شود. این اینورتر مجدداً سیستم هیبرید را متحمل هزینه، تلفات، حجم و وزن بیشتر نموده و ساختار مبدل آن را به صورت دو-طبقه توان معرفی می کند. بنابراین، هر طرح جدیدی از مبدلهای چند-ورودی تک-طبقه توان غیر ایزوله که مستقیماً از نوع dc-ac بوده و نسبت به مبدلهای دو-طبقه توان در تعداد قطعات، هزینه و حجم سیستم هیبرید صرفه جویی به عمل آورد، ارزشمند شناخته می شود. در این رساله ابتدا با روش تفاضلی تولید ولتاژ دو-قطبی آشنا شده و سپس با ساماندهی ساختاری انواع مبدل های dc-dc باک، بوست و باک-بوست به طور عمومی به ارائه طرح جدید پیشنهادی برای تشکیل ساختار مبدل های چند-ورودی تک-طبقه توان dc-ac پرداخته می شود. در قسمت مرکزی طرح پیشنهادی دو پورت دو-جهته اول و دوم برای اتصال منبع ذخیره کننده انرژی و بار خروجی ac تشکیل می یابد. بقیه پورت ها تک-جهته بوده و برای استحصال انرژی از منابع dc ورودی مختلف به صورت های مختلف باک، بوست و باک-بوست قابل برنامه ریزی و استفاده هستند. این طرح به صورت عمومی طراحی شده و مبدل های مختلفی از آن قابل استخراج و استنباط است. از انواع مختلف مبدل های تک-طبقه توان قابل تولید با طرح پیشنهادی، مبدل n-ورودی بوست برای کاربرد در سیستم های هیبرید از انرژی های تجدید پذیر مناسب تشخیص داده می شود. ولتاژ بار در پورت خروجی به صورت تفاضلی از دو مولفه ولتاژخروجی مبدل تولید می گردد. بدون تغییر در ساختار مبدل، هرگاه دو مولفه ولتاژ خروجی مبدل بر دو مقدار dc تنظیم شوند مبدل در مد dc-dc و هرگاه بر دو مقدار سینوسی dc بایاس شده تنظیم شوند مبدل در مد dc-ac عمل خواهد کرد. مبدل پیشنهادی از حداقل تعداد کلیدها و عناصر پسیو کوچکتر نسبت به مبدل های دو-طبقه توان بهره می گیرد. مرهون از ساختار مداری و با هدف تنظیم ولتاژ خروجی مبدل، عنصر ذخیره کننده انرژی به صورت بلادرنگ در حالت های شارژ، دشارژ و بدون مبادله توان مفید در مدار بهره برداری شده و به متعادل ساختن پخش توان در سیستم هیبرید می پردازد. پارامترهای مداری مبدل و استرس جریان و ولتاژ کلیدهای آن تعیین و در جهت کمینه کردن آنها بحث شده است. با استخراج معادلات فضای حالت متوسط شده و مدل سیگنال کوچک مبدل در نقطه کار متوسط ولتاژهای خروجی و جریانهای ورودی، به استنباط روابط استاتیکی، دینامیکی و طراحی سیستم کنترل به روش فیدبک حالت و جایدهی قطب ها پرداخته می-شود. در نتیجه این طراحی از سیستم کنترل، دو حلقه کنترلی خروجی برای تنظیم ولتاژهای خروجی مبدل و به تعداد منابع dc حلقه کنترل جریان ورودی لحاظ می شود. حلقه های کنترلی ولتاژ از سیگنالهای کنترل کننده زمانهای وظیفه دو مبدل دو-جهته و حلقه های کنترل جریان ورودی از سیگنالهای زمان وظیفه مبدلهای تک-جهته ورودی جهت تنظیم ولتاژهای خروجی و توانهای ورودی مبدل استفاده می کنند. منحنی حاشیه پایداری مبدل و حساسیت آن نسبت به تغییرات نقطه کار و همچنین نادقیق بودن پارامترهای مداری و یا تغییر در مقدار آنها تعیین شده و سپس پاسخ حالت گذرا مدار به ورودی پله و پاسخ فرکانسی آن به ورودی سینوسی در تمامی نقطه کارهای ممکن ولتاژ خروجی مبدل مورد مطالعه قرار می گیرد. با طراحی مداری و کنترلی ساختار سه-ورودی از مبدل پیشنهادی، به طور کمی وکیفی و با انجام مطالعات شبیه سازی و آزمایشگاهی به تایید مسائل و روابط تئوری پیش بینی شده برای سیستم پیشنهادی پرداخته شده است. نتیجه اینکه، عملکرد مبدل پیشنهادی در مد dc-ac به لحاظ دستیابی به بازده بالاتر نسبت به مد dc-dc ارجح تشخیص داده شده و برای کاربرد در سیستمهای هیبرید pv/fc/battery توصیه می گردد. در این راستا با طراحی ولتاژی منابع pv و fc در بدترین شرایط محیطی ابتدا پایداری مبدل تضمین شده و منبع pv در مد کنترل ولتاژ و منبع fc در مد کنترل جریان مورد بهره برداری قرار می گیرد. اضافه بر این، یک واحد کنترل، مدیریت و پخش توان جهت ردیابی حداکثر توان منبع pv، تنظیم بهینه توان fc و کنترل شارژ/دشارژ منبع باتری طراحی و تحقیق شده است. با توجه به نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی، سیستم پیشنهادی با ویژگی های زیر برای عملکرد در این سیستم ها مناسب تشخیص داده می شود: - توان های سه منبع pv، fc، و باتری را تنها پس از یک طبقه پردازش توان در پورت ac خروجی به بار تحویل داده می شود. در نتیجه این ویژگی، بازده مبدل در کلیه شرایط عملکرد، چه برای سیستم شبیه سازی شده و چه برای سیستم آزمایشگاهی، بیش از 84% به دست آمد که در مقایسه با بازده سیستمهای دو-طبقه قابل قبول است. - سطوح پایین ولتاژ منابع pv و fc در رنج وسیعی توسط مبدل قابل پشتیبانی بوده و به ولتاژ بالای ac خروجی افزایش داده می شود. - حضور همزمان و یا مستقل منابع ورودی توسط مبدل پیشنهادی به سهولت پشتیبانی می شود. - سیستم کنترل به صورت یکپارچه و مقاوم در برابر تغییرات پارامتری مبدل به روش فیدبک حالت طراحی شده و دسترسی به پاسخ گذرای مطلوب در برابر انواع تغییرات پله ای متغیرهای مرجع را ممکن ساخته است. - ولتاژ ac خروجی با thd کمتر از 3% و منابع pv، fc به ترتیب با ریپل ولتاژ کمتر از 2v و ریپل جریان کمتر از 1a در کیفیت توان بالایی مورد بهره برداری قرار می گیرند. با طراحی مداری و کنترلی ساختار سه-ورودی از مبدل پیشنهادی، به طور کمی وکیفی و با انجام مطالعات شبیه سازی و آزمایشگاهی به تایید مسائل و روابط تئوری پیش بینی شده برای سیستم پیشنهادی پرداخته شده است. نتیجه اینکه، عملکرد مبدل پیشنهادی در مد dc-ac به لحاظ دستیابی به بازده بالاتر نسبت به مد dc-dc ارجح تشخیص داده شده و برای کاربرد در سیستمهای هیبرید pv/fc/battery توصیه می گردد. در این راستا با طراحی ولتاژی منابع pv و fc در بدترین شرایط محیطی ابتدا پایداری مبدل تضمین شده و منبع pv در مد کنترل ولتاژ و منبع fc در مد کنترل جریان مورد بهره برداری قرار می گیرد. اضافه بر این، یک واحد کنترل، مدیریت و پخش توان جهت ردیابی حداکثر توان منبع pv، تنظیم بهینه توان fc و کنترل شارژ/دشارژ منبع باتری طراحی و تحقیق شده است. با توجه به نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی، سیستم پیشنهادی با ویژگی های زیر برای عملکرد در این سیستم ها مناسب تشخیص داده می شود: - توان های سه منبع pv، fc، و باتری را تنها پس از یک طبقه پردازش توان در پورت ac خروجی به بار تحویل داده می شود. در نتیجه این ویژگی، بازده مبدل در کلیه شرایط عملکرد، چه برای سیستم شبیه سازی شده و چه برای سیستم آزمایشگاهی، بیش از 84% به دست آمد که در مقایسه با بازده سیستمهای دو-طبقه قابل قبول است. - سطوح پایین ولتاژ منابع pv و fc در رنج وسیعی توسط مبدل قابل پشتیبانی بوده و به ولتاژ بالای ac خروجی افزایش داده می-شود. - حضور همزمان و یا مستقل منابع ورودی توسط مبدل پیشنهادی به سهولت پشتیبانی می شود. - سیستم کنترل به صورت یکپارچه و مقاوم در برابر تغییرات پارامتری مبدل به روش فیدبک حالت طراحی شده و دسترسی به پاسخ گذرای مطلوب در برابر انواع تغییرات پله ای متغیرهای مرجع را ممکن ساخته است. - ولتاژ ac خروجی با thd کمتر از 3% و منابع pv، fc به ترتیب با ریپل ولتاژ کمتر از 2v و ریپل جریان کمتر از 1a در کیفیت توان بالایی مورد بهره برداری قرار می گیرند.