طراحی یک مبدل مادولار dc-dc دوطرفه بهبود یافته با ایزولاسیون الکتریکی برای کاربرد در میکروشبکه های dc

نظر به اهمیت مبدل های dc-dc دوطرفه در کاربردهایی نظیر تولید پراکنده توان، انرژی های تجدیدپذیر و میکروشبکه ها، امروزه تحقیقات وسیعی در حوزه مبدل های dc-dc در حال انجام است بطوریکه در سال های اخیر ساختارهای مختلف و کاربردهای متفاوت برای این نوع مبدل ها ارائه شده است. این رساله نیز به ارائه یک نمونه مبدل dc-dc مادولار دوطرفه با ایزولاسیون الکتریکی پرداخته است. مبدل پیشنهادی این رساله با استفاده از دو پل مادولار که از طریق ترانسفورماتورهای فرکانس بالا بهم دیگر متصل شده اند تشکیل یافته است. اندوکتانس نشتی ترانسفورماتورهای بکار رفته همراه با اندوکتانس های کمکی خارجی به عنوان ذخیره سازهای انرژی برای انتقال توان از یک سمت مبدل به سمت دیگر آن عمل می کنند. ظرفیت انتقال توان بالا یکی از مزیت های مهم مبدل پیشنهادی است که آن را برای کاربردهای مختلفی مستعد می سازد. مبدل پیشنهای قابلیت انتقال دوطرفه توان را تنها با استفاده از تنظیم پس فازی و پیش فازی زاویه شیفت فاز بین دو شکل موج مربعی تولید شده در دو پل مادولار واقع در دو سمت مبدل دارد. با توجه به تعداد زیاد کلیدهای قدرت بکار رفته در ساختار مادولار مبدل و همچنین ظرفیت توان انتقالی بالای آن، کلیدزنی ولتاژ صفر می تواند کاهش قابل ملاحظه ای در تلفات و در نتیجه افزایش بازده مبدل فراهم آورد. به همین دلیل بعد از مطالعه حالت دائمی مبدل پیشنهادی، بررسی کاملی روی شرایط کلیدزنی ولتاژ صفر مبدل انجام یافته است. در ادامه مبدل پیشنهادی با دو نمونه از ساختار های مشابه قبلی مقایسه شده است. نتایج مقایسه نشان می دهند که مبدل پیشنهادی در چند مورد باعث بهبود مشخصات و عملکرد نسبت به ساختارهای قبلی شده است. ترانسفورماتورهای فرکانس بالا و اندوکتانس های خارجی کمکی عناصر مغناطیسی مبدل هستند که نقش مهمی در عملکرد آن دارند به همین دلیل طراحی عناصر مغناطیسی مبدل نیز در رساله ارائه شده است. با توجه به اینکه در روش های مرسوم متوسط گیری فضای حالت از ریپل ولتاژ خازن و جریان سلف مبدل صرفنظر می شود و به دلیل اینکه جریان عبوری از ترانسفورماتور و اندوکتانس های کمکی مبدل پیشنهادی از نوع ac خالص هستند بنابراین نمی توان از چنین روش هایی برای مدلسازی مبدل پیشنهادی استفاده نمود. روش متوسط گیری تعمیم یافته که در آن از تعداد بیشتری از مولفه های سری فوریه متغیرهای حالت برای بسط متغیرها استفاده می شود، برای مدلسازی مبدل پیشنهادی استفاده شده است. در ادامه مدل سیگنال کوچک مبدل مادولار پیشنهادی استخراج و پاسخ دینامیکی آن بررسی شده است و همچنین کنترل کننده pid برای افزایش حاشیه پایداری و بهبود پاسخ های حالت گذرا و حالت دائمی مبدل طراحی شده است. کاربرد مبدل به عنوان واسط مبادله توان بین یک میکروشبکه dc بر پایه منبع تولید توان pv و یک شبکه توزیع dc معرفی شده است. بهره برداری از میکروشبکه که از طریق مبدل پیشنهادی به شبکه توزیع dc متصل است در چند مد عملکردی مختلف تعریف شده است. با توجه به اینکه مبدل پیشنهادی از طریق تنظیم زاویه شیفت فاز جهت و اندازه توان انتقالی را تعیین می کند، مبادله توان بین میکروشبکه و شبکه توزیع dc براحتی صورت می پذیرد. برحسب مدهای عملکردی میکروشبکه استراتژی مدیریت توان برای میکروشبکه موردنظر طراحی شده است. جهت بررسی صحت مباحث تئوری مطرح شده، مبدل پیشنهادی با استفاده از نرم افزار pscad شبیهسازی شده و همچنین یک نمونه عملی آزمایشگاهی آن پیادهسازی شده است. با استفاده از نتایج شبیه سازی و اندازهگیریهای عملی اصول عملکرد مبدل تأیید شده است. عملکرد دینامیکی مبدل و کنترل کننده طراحی شده برای مبدل با استفاده از نرم افزار کامپیوتری شبیه سازی شده است. در این شبیه سازی پاسخ دینامیکی مبدل کنترل شده به افزایش و کاهش مصرف توان در سمت ثانویه مبدل و همچنین کاهش ولتاژ سمت اولیه مبدل بررسی شده است. در نهایت عملکرد مبدل مادولار پیشنهادی به عنوان واسط انتقال توان بین میکروشبکه dc بر پایه pv و شبکه توزیع dc از طریق شبیه سازی کامپیوتری مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی برای گذار عملکرد میکروشبکه از یک مد عملکردی به مد عملکرد دیگر استخراج شده است تا قابلیت های سیستم کنترلی بکار گرفته شده و استراتژی مدیریت توان موردنظر و همچنین نقش مبدل پیشنهادی در مبادله توان بین میکروشبکه dc و شبکه توزیع dc مشخص گردد.