ارائه ساختارهای بهبود یافته برای اینورتر های چند سطحی سری

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.