نوسانات فرکانس پایین ناپایدار از علل اساسی کاهش امنیت و پایداری برای سیستم های قدرت به هم پیوسته امروزی محسوب می شوند. هرچند با نصب pss بر روی ژنراتور، میرایی این نوسانات تامین شده است ولی بهبود کیفیت میرایی این نوسانات هم چنان یکی از موضوعات مهم مورد تحقیق می باشد. امروزه با ظهور ادوات facts امکان میراسازی این نوسانات در طرف خطوط انتقال نیز فراهم شده است. از طرفی، هم زمان با ورود ادوات کنترلی جدید مثل ادوات facts، روش های کنترلی جدیدی نیز برای مدیریت این ادوات و هماهنگی آن ها با هم دیگر جهت افزایش میرایی نوسانات ارائه شده اند. کنترل کننده منطق فازی به عنوان زیرمجموعه ای از خانواده کنترل کننده های غیرخطی، از روش های کنترلی جدیدی محسوب می شود که از دانش و تجربه بشری جهت کنترل سیستم های غیرخطی و پیچیده استفاده می کند. هدف از این پایان نامه، ارزیابی کارایی کنترل فازی جهت پایدارسازی نوسانات فرکانس پایین سیستم قدرت می باشد. به همین منظور ابتدا مدل هفرون- فیلیپس تعمیم یافته برای سیستم قدرت تک ماشینه مجهز به ipfc/ec و tcsc استخراج می شود. سپس سیگنال های مختلف پایدارسازی از pss، ipfc/ec و tcsc از لحاظ قدرت تاثیرگذاری بر قطب های ناپایدار سیستم با استفاده از تئوری مانده رتبه بندی می گردند. بعد از آن، پایدارسازهای فازی برای ژنراتورها و برای این ادوات facts، هم به صورت تک به تک و هم در حالت های هماهنگ با هم، طراحی شده و با پایدارسازهای بهینه معمولی مقایسه می گردند. در ادامه، در محیط شبیه ساز فازوری سیستم قدرت، پایدارسازهای فازی را به ژنراتورها در سیستم های قدرت دو ماشینه و چهار ماشینه اعمال شده و توانایی آ ن ها ارزیابی و با توانایی پایدارسازهای معمول دیگر مورد مقایسه می شود. هم چنین در این جا جهت بهینه سازی پارامترهای تمامی پایدارسازها، از الگوریتم هوشمند اجتماع ذرات بهره گرفته خواهد شد.

مبدل منبع امپدانسی در سال 2003 پیشنهاد شده است. این مبدل با به کارگیری از یک شبکه امپدانسی منحصر به فرد موجب ایجاد یک مبدل تک-مرحله ای می شود که می تواند ولتاژ خروجی را کاهش و یا افزایش دهد. ساختار اینورتر منبع امپدانسی دارای دو حالت عملکرد کلی یعنی حالت مدار باز صفر (shoot-through) و حالت غیر مدار باز (non-shoot-through) می باشد. هم چنین در ساختار این اینورتر از یک دیود ( یا سوئیچ) ماقبل شبکه lc نیز استفاده شده است. لزوم استفاده از این دیود بدین دلیل است که بتواند ولتاژ بالا در حالت سوئیچینگ shoot-through را تحمل بکند. قابل ذکر است که به دلیل ناپیوسته بودن جریان، وجود این دیود یک حالت عملکرد نامطلوب را در طول دوره حالت سوئیچینگ non-shoot-through به وجود خواهد آورد. از طرفی، شبکه منبع امپدانسی به عنوان ذخیره ساز انرژی، تضمین کننده درجه فیلتراسیون دوبل در ورودی اینورتر، میراکننده ریپل های جریان و نوسانات ولتاژ در مدار dc می باشد. بنابراین ملزومات مورد نیاز برای سلف ها و خازن ها در اینورتر zsi کم تر از ملزومات مربوط به اینورترهای vsi یا csi خواهند بود. یکی دیگر از موارد مورد مطالعه، مربوط به اینورترهای نوع z-npc می باشد. در اینورتر z-npc سه سطحی به جای استفاده از دو منبع ولتاژ یا دو خازن با نقطه مشترک از دو اینورتر منبع امپدانسی با دو ولتاژ ورودی بدون نقطه مشترک استفاده می شود. لذا به عنوان یک نتیجه ، اینورترهای منبع امپدانسی می تواند با اطمینان در اینورترهای چند سطحی مبتنی بر ساختار "برشگر دیودی" به کار برده شود. یک مبدل قدرت جدید دیگر به نام مبدل z-h، با بهره گیری از مفهوم مبدل منبع امپدانسی در سال 2008 پیشنهاد گردید. یکی از ویژگی های منحصر بفرد مبدل z-h این است که می تواند به طور مستقیم و بدون هیچ تغییری در ساختارش برای انواع تبدیل های dc-dc، dc-ac، ac-dc و ac-ac به کار گرفته شود. اصول عملکرد مبدل z-h و اینورتر منبع امپدانسی مشابه بوده و دارای معادلات یکسانی در حالت افزاینده می باشند. ساختار مبدل جدید، متشکل از یک شبکه امپدانسی شبیه به اینورتر منبع امپدانسی بوده اما از لحاظ اتصال دارای تفاوت هایی می باشد. یکی دیگر از تفاوت های موجود در مقایسه با اینورتر منبع امپدانسی، حذف شدن دیود ماقبل شبکه lc می باشد. از طرفی مبدل z-h همانند یک مبدل منبع ولتاژ می باشد، یعنی دیگر هیچ حالت سوئیچنیگ shoot-through در آن وجود ندارد. ویژگی های خاص موجود در مبدل z-h را می توان در ساخت یک اینورتر z-h نیز به کار برد. اینورتر z-h شبیه به یک اینورتر پل- h متداول می باشد با این تفاوت که اینورتر z-h شامل دو سلف و دو خازن در یک ساختار متقارن است. وجود این ساختار متقارن، امکانی را فراهم می کند که مبدل z-h بتواند به آسانی در کاربردهای ac-ac توسعه و گسترش یابد. از لحاظ تئوری در ساختار یک مبدل ac-ac از نوع z-h، می توان ولتاژ ac را تا هر مقدار دلخواهی افزایش داد. یک تفاوت عمده و شاخص مابین مبدل ac-ac از نوع z-h و مبدل ac-ac منبع امپدانسی این است که ولتاژ خروجی مبدل ac-ac از نوع z-h دارای یک شکل موج سینوسی بوده و به همین جهت دیگر هیچ نیازی به استفاده از فلیتر اضافی در مدار نخواهد بود. بنابراین مبدل ac-ac از نوع z-h دارای ساختار بسیار ساده ای خواهد بود.

اینورتر های چند سطحی به دلیل مزایای زیاد از جمله کیفیت بالای شکل موج خروجی (ولتاژ و جریان خروجی) نسبت به اینورتر های دو سطحی، کاربرد وسیعی در بخش های مختلف سیستم قدرت و هم چنین صنعت یافته اند. ساختارهای مختلفی برای اینورتر های چند سطحی در مراجع مختلف ارائه شده است و هر کدام از آن ها از زوایای متفاوت به بررسی اینورتر های چند سطحی پرداخته اند. سه ساختار پایه برای اینورتر های چند سطحی وجود دارد که عبارتند از اینورترهای چند سطحی با استفاده از اینورترهای تمام پل سری شده (chb) ، اینورتر های چند سطحی با برش نقطه خنثی (npc) و اینورتر های چند سطحی با خازن های شناور (fc). ساختارهای دیگری نیز با استفاده از این ساختارهای پایه به وجود آمده اند. در این رساله چندین ساختار جدید و بهبود یافته برای اینورترهای چند سطحی سری ارائه شده است. ساختارهای پیشنهادی عمدتاً از واحدهای پایه سری شده تشکیل یافته اند. رویکرد اتخاذ شده در این رساله در حقیقت پیشنهاد واحدهای پایه جدید برای اینورترهای چند سطحی، بسط آن ها با سری کردن و در نهایت بهینه کردن ساختار کلی به دست آمده برای اهداف مشخص می باشد. از جمله این اهدف می توان به استفاده از کم ترین تعداد کلیدهای الکترونیک قدرت، کم ترین تعداد مدارهای راه انداز کلیدهای الکترونیک قدرت، کم ترین مقدار مجموع ولتاژ بلوکه شده توسط کلیدها و کم ترین تعداد منابع ولتاژ dc اشاره کرد. برای هر یک از ساختارهای پیشنهادی، تعداد igbtها، تعداد مدارهای راه انداز کلیدهای الکترونیک قدرت، مجموع ولتاژ بلوکه شده توسط کلیدها، تعداد منابع ولتاژ dc و تنوع اندازه منابع ولتاژ dc (برای ساختارهای نامتقارن) در حالت کلی بر حسب تعداد سطوح ولتاژ با معادلات ریاضی بیان شده اند. برای اکثر ساختارهای پیشنهادی چند الگوریتم تعیین اندازه منابع ولتاژ dc ارائه شده است. این الگوریتم های تعیین اندازه منابع ولتاژ dc نوعی کلیت و انعطاف پذیری در طراحی برای ساختارهای پیشنهادی به بار می آورند. بنابراین، ساختارهای پیشنهادی عموماً ساختارهای جامعی می باشند که ساختارهای متقارن و نامتقارن chb را می توان به عنوان حالت های خاصی از آن ها دانست. با مقایسه ساختارهای پیشنهادی با ساختارهای مرسوم و ساختارهای مشابه که قبلاً در مراجع ارائه شده اند، مشخص می شود که ساختارهای پیشنهادی از مشخصات خوبی نسبت به سایر ساختارها برخوردار است. شاخص های مختلفی برای مقایسه استفاده شده است که از آن جمله می توان به تعداد igbtهای استفاده شده، تعداد مدارهای راه انداز کلیدهای الکترونیک قدرت، تعداد منابع ولتاژ dc، مجموع ولتاژ بلوکه شده توسط کلیدها و تعداد تنوع اندازه منابع ولتاژ dc (برای ساختارهای نامتقارن) اشاره کرد. از نقطه نظر هر کدام از این شاخص ها و در هر یک از دو گروه ساختارهای ساختارهای متقارن و نامتقارن، ساختاری پیشنهادی وجود دارد که در مقایسه با بقیه بهترین مشخصه را دارد. البته باید توجه کرد که برخی از ساختارهای پیشنهادی هم زمان در چند شاخص بهترین مشخصه را دارد. در بحث مدولاسیون نیز برای یکی از ساختارهای پیشنهادی روشی ساده و عملی ارائه شده است که بتوان با استفاده از آن تاثیر منفی غیر ایده آل بودن منابع ولتاژ dc (داشتن ریپل و نوسان) روی کیفیت شکل موج ولتاژ و جریان خروجی را کاهش داد. علاوه بر موارد فوق، بعضی از کاربردهای ساختار پیشنهادی مانند کاربرد به عنوان واسط فتوولتائیک (pv) مورد بررسی قرار گرفته است. برای این کاربرد یکی از ساختارهای پیشنهادی در حالت 5 سطحی تک فاز متصل به شبکه در نظر گرفته شده است. هم چنین، طراحی فیلتر lcl خروجی اینورتر برای این کاربرد و مقایسه با اینورتر تمام پل تک فاز ارائه می شود که بهبود چشم گیری در کیفیت شکل موج های خروجی قابل مشاهده می باشد. یکی از کاربردهای جالب توجه اینورتر های چند سطحی، کاربرد آن ها در ساختار تجهیزات بهبود کیفیت توان می باشد. از این تجهیزات می توان به بازیاب دینامیکی ولتاژ (dvr) و بازیاب دینامیکی ولتاژ میان خطی (idvr) اشاره کرد که بیش تر برای جبران کم بود ولتاژ در سیستم های توزیع به کار می روند. ساختارهای مختلف اینورتر های چند سطحی در ساختار dvr به کار رفته است. در این رساله روش جدیدی برای استفاده از اینورتر چند سطحی (در حالت کلی و نه فقط برای ساختار پیشنهادی) در ساختار dvr اتخاذ شده است. در این روش، برخلاف روش های مرسوم تعداد سطوح ولتاژ خروجی در برابر تغییرات مقدار کم بود ولتاژ ثابت مانده و باعث بهبود قابل توجه کیفیت ولتاژ خروجی می شود. محاسبات ریاضی حدود تغییرات مقدار کم بود ولتاژ که در داخل آن تعداد سطوح ولتاژ خروجی برابر با بیش ترین مقدار ممکن می باشد نیز ارائه خواهد شد. غیر از این مورد، کاربرد یکی از ساختارهای پیشنهادی به عنوان idvr نیز بررسی شده و نتایج به دست آمده موفقیت این کاربرد را تایید می کند. به منظور بررسی و تایید عمل کرد ساختارهای پیشنهادی، نتایج شبیه سازی آن ها در نرم افزار pscad/emtdc ارائه می شود. غیر از نتایج شبیه سازی، نتایج آزمایشگاهی ساختارهای پیشنهادی عمل کرد آن ها را تایید می کند. در حوزه کاربرد، نتایج شبیه سازی برای همه کاربردهای ذکر شده ارائه شده است ولی نتایج آزمایشگاهی نیز برای کابرد اینورتر چند سطحی در ساختار dvr ارائه شده است. در فصل اول رساله بررسی منابع ارائه می شود که شامل ساختارهای مرسوم و ساختارهایی است که اخیراً در مراجع مختلف ارائه شده است. در این فصل هم چنین به روش های مدولاسیون و کنترل و کاربردهای اینورترهای چند سطحی نیز اشاره شده است. در فصل دوم ساختارهای پیشنهادی به همراه معادلات ریاضی مربوطه و بهینه سازی ساختارها ارائه می شود. به دلیل این که تعداد ساختارهای پیشنهادی زیاد می باشد برای تسهیل مطالعه رساله، بعد از تشریح هر ساختار در این فصل نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی مربوط به آن نیز آورده شده است. فصل سوم رساله به محاسبه تلفات برای هر یک از ساختارها اختصاص داده شده است و در فصل چهارم مقایسه ساختارهای پیشنهادی با یکدیگر و ساختارهای ارائه شده در مراجع آورده شده است. در فصل پنجم رساله کاربردهای بررسی شده به همراه نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی ارائه می شود. نتیجه گیری رساله و پیشنهادات برای ادامه کار در فصل ششم ارائه خواهد شد.

چکیده: در این پایان نامه سه ساختار جدید برای اینورتر افزاینده کلیدزنی شده (سوئیچ شده) پیشنهاد می شود.

یکی از موارد مهمی که در جهان امروز تأثیر بسیار زیادی بر روابط بین المللی و پیشرفت کشورها دارد تأمین انرژی مورد نیاز می باشد. در حال حاضر مهم ترین منابع تأمین انرژی که حدود 90% از انرژی مورد نیاز جهان را تأمین می نماید، منابع انرژی فسیلی می باشد. در دو دهه اخیر با توجه به مشکلات ناشی از منابع فسیلی از قبیل افزایش دمای زمین و آلودگی های ناشی از تولید گازهای مضر، سیستم های تولید پراکنده بر مبنای منابع انرژی های تجدیدپذیر بسیار گسترش پیدا کرده اند. برخی از سیستم های انرژی های نو مانند سیستم های فوتوولتائیک و پیل های سوختی دارای ولتاژ dc خروجی پائینی هستند. بدین منظور قادر به ساختن اندازه ولتاژ مطلوب ac برای تزریق توان به شبکه و یا هر کاربرد ac دیگری را ندارند. در بعضی از کاربرد ها با سری کردن منابع dc ورودی، مانند سری کردن سلول های خورشیدی، سطح ولتاژ خروجی را به مقدار لازم افزایش می دهند ولی این کار مستلزم هزینه های عملیاتی بالایی می باشد و هم چنین باعث کاهش راندمان در هنگام دنبال کردن حداکثر توان در شرایط سایه افکنی می شود. از مبدل افزاینده مرسوم نیز می توان برای افزایش دامنه ولتاژ خروجی این منابع استفاده کرد ولی در این صورت برای به دست آوردن بهره ولتاژ بالا باید مبدل مرسوم با چرخه کاری بسیار بالا کار کند. این کار عملاً به دلیل تاثیر کلیدهای قدرت، دیودها و نیز مقاومت معادل سری سلف ها و خازن ها محدود می شود. هم چنین در چرخه کاری بالا ریپل جریان عبوری از ادوات قدرت افزایش یافته و باعث افزایش تلفات هدایتی مبدل می شود. به علاوه کنترل پایداری در چرخه های کاری بالا کار دشواری می باشد. بنابراین از مبدل های dc/dc با بهره بالا جهت افزایش سطح ولتاژ خروجی اینگونه منابع استفاده می کنند، که در مقایسه با روش های گذشته دارای بهره بالا، بازده زیاد و بخصوص حجم کوچک می باشد. در این مطالعه به بحث و بررسی انواع مبدل بهره بالای dc/dc غیر ایزوله پرداخته می شود که مکانیزم عمل کرد آن بر مبنای سلف تزویج و تکنیک های شارژ خازنی می باشد. از جمله مزایای این ساختارها، کم بودن تعداد کلیدهای قدرت، بالا بودن بهره ولتاژ و کم بودن تلفات، بالا بودن راندمان و استفاده مناسب از خواص القایی و ظرفیتی عناصر پسیو می باشد. غیر ایزوله بودن ورودی از خروجی یکی از معایب مهم این نوع مبدل هاست.