پیشرفت سریع تکنولوژی ساخت پردازنده های دیجیتال و کاهش قیمت آن ها باعث افزایش میزان استفاده از این پردازنده ها در کاربردهای صنعتی شده است. در کاربردهای الکترونیک قدرت نیز که به سرعت نسبتاً بالایی در پردازش اطلاعات نیاز است نیز استفاده از این پردازنده ها رشد قابل توجهی داشته است. برای استفاده از این پردازنده ها، نیاز است تا روش های کنترل مبدل های الکترونیک قدرت به صورت دیجیتالی پیاده سازی شوند. گسسته سازی روش های کنترل مرسوم مبدل ها (که به صورت آنالوگ می باشند) باعث افزایش حجم محاسبات و افزایش تأخیر و در نتیجه عملکرد نامطلوب سیستم کنترلی می شود. بنابراین نیاز به ارایه روش های کنترل دیجیتال می باشد. در این پایان نامه یک روش کنترل دیجیتال برای مبدل های pwm منبع ولتاژی ارایه شده است. در این روش خطای جریان مبدل نسبت به جریان مرجع به عنوان فاکتور اصلی در کنترل مبدل می باشد. روش پیشنهادی علاوه بر دست یابی به خطای حالت دایمی صفر در جریان سمت ac، اعوجاج هارمونیکی حداقل در جریان سمت ac مبدل و فرکانس سوئیچینگ ثابت، دارای حجم محاسباتی کم بوده و پیاده سازی آن در پردازنده های دیجیتال بسیار آسان می باشد. برای تایید عملکرد مناسب روش پیشنهادی، یک مبدل pwm سه فاز منبع ولتاژی با ظرفیت حدود kva 2 ساخته شده است. برای پیاده سازی روش کنترلی پیشنهادی از پردازنده دیجیتال dsp استفاده شده است.

در طی دهه ی گذشته، سیستم های انرژی بادی توجه زیادی را به عنوان یکی از موثر ترین منابع تجدید پذیر انرژی با دلایلی چون کاهش ذخایر، هزینه های بالا، و تاثیرات محیطی منابع انرژی سنتی به خود جلب کرده اند. امروزه، یکی از مسائل چالش برانگیز طراحی کنترلر هایی با عملکرد و کارایی مطلوب برای سیستم های توربین بادی سرعت متغیر می باشد. در این پایان نامه، تکنیک تعقیب نقطه دریافت حداکثر توان با رویکرد کنترل نسبت سرعت نوک برای توربین های بادی مقیاس کوچک ارائه شده است. به علاوه، به منظور سهولت پیاده سازی عملی، حذف سنسور های گران قیمت اندازه گیری سرعت باد و دقت مطلوب، از روشی نوین برای پیش بینی سرعت باد کوتاه مدت استفاده شده است. این روش شامل الگوریتم ترکیبی شبکه عصبی مصنوعی و بهینه سازی ازدحام ذرات می باشد که در آن وزن های شبکه بوسیله ی الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات به روز رسانی می شوند. در این پایا ن نامه پیشنهاد شده است در خصوص بهینه سازی توان (ناحیه دوم کاری)، از کنترلر فازی pi تطبیقی مستقیم برای تعقیب نقطه دریافت حداکثر توان توربین بادی متصل به ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم استفاده شود. کنترلر پیشنهادی با بهره گیری از قاعده تعدیل و تنظیم پارامتر های کنترل کننده فازی، توانسته است با وجود تغییرات سرعت باد به عملکرد مطلوب و بهینه با موفقیت دست یابد، به علاوه نسبت به تغییرات پارامتر های سیستم مقاوم باشد. همچنین، از ویژگی های دیگر روش و مدل پیشنهاد شده، کاهش ریپل نوسانات موجود در توان تحویلی به بار، ضریب توان توربین بادی (شاخص عملکردی حالت تعقیب نقطه حداکثر توان) و خروجی کنترلر (سیکل اشتغال) تحت شرایط تغییرات آزاد موجود در سرعت باد در مقایسه با کنترلر کلاسیک می باشد. برای نشان دادن عملکرد و تحلیل سیستماتیک روش پیشنهادی، توربین بادی متصل به بار در محیط matlab/simulink شبیه سازی شده است.

مبدل ماتریسی یک مبدل ac به ac تمام سیلیکونی می باشد که منبع ولتاژ را به طور مستقیم به بار خروجی متصل می کند. فقدان خازن لینک dc در مبدل های ماتریسی منجر به افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان آن در مقایسه با مبدل هایac/dc/ac معمول گردیده است؛ علاوه بر این، امکان تبادل دو طرفه توان، شکل موج های ورودی و خروجی سینوسی، توانایی کنترل دامنه و اندازه ولتاژ خروجی و ضریب توان ورودی، این مبدل را برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب کرده است. در کنار مزایای زیادی که برای مبدل ماتریسی برشمرده می شود، همواره از عدم توانایی دستیابی به نسبت ولتاژ خروجی به ورودی بزرگ تر از 866/0 به عنوان جدی ترین مشکل این مبدل یاد می شود. در این پایان نامه روشی برای رسیدن به ولتاژ خروجی با نسبت ولتاژ بزرگ تر از 866/0 در مدولاسیون بردار فضایی مبدل ماتریسی ارائه گردیده است. اگرچه به وسیله این روش می توان به نسبت ولتاژ بیشتری دست یافت، اما استفاده از این روش سبب می شود که کمیت های خروجی از حالت ایده آل خارج شوند. علاوه بر این، الگوریتمی برای طراحی یک الگوی کلیدزنی بهینه برای مدولاسیون بردار فضایی مبدل ماتریسی بیان می شود که امکان کاهش هارمونیک در ولتاژ خروجی مبدل ماتریسی را فراهم می آورد. مدولاسیون بردار فضایی در ناحیه فوق مدولاسیون در نرم افزار متلب/ سیمولینک اجرا شده است و بعلاوه بر روی یک نمونه آزمایشگاهی پیاده سازی شده است. نتایج بدست آمده از پیاده سازی عملی مبدل ماتریسی صحت این روش پیشنهادی را تائید می نماید.

در این پایان نامه به کنترل یک فیلتر فعال تک فاز موازی بدون سنسور با خروجی lcl پرداخته شده است. نوآوری های این پایان نامه در روش استخراج انتخابی هارمونیک ها و تخمین مقادیر ولتاژ و جریان با استفاده از فیلتر کالمن و سرانجام طراحی کنترل کننده دو حلقه ای صورت گرفته است. برای استخراج انتخابی هارمونیک ها روش multi dsrf dfoc پیشنهاد شده است. این روش ترکیبی از بلوک های متعدد dsrf dfoc تنظیم شده در هارمونیک های مختلف با بلوک جداکننده هارمونیک ها است. این روش نسبت به روش مشابه دارای مزیت تنظیم بسیار ساده تر و روش مند است در حالیکه روش های دیگر بر اساس سعی و خطا تنظیم میشوند. در بخش بعد با استفاده از یک سری ساده سازی های منطقی که برای فرکانس های نمونه برداری بالا در فیلتر فعال صادق است معادلاتی ساده برای تخمین پارامترهای ولتاژ و جریان فیلتر فعال تک فاز موازی با خروجی lcl با استفاده از فیلتر کالمن ارائه شده است. سادگی این روش تخمین و پاسخ با دقت خوب از مرایای این روش است. سرانجام با استفاده از اصل پایداری حلقه های داخلی یک روش ساده با در نظر گرفتن تأثیر تأخیر در پایداری برای طراحی کنترل کننده دو حلقه ای در فیلتر فعال موازی با خروجی lcl ارائه شده است. این روش نسبت به روش های مشابه دارای مزایایی از جمله سادگی طراحی کنترل کننده و در نظر گرفتن تأثیر تأخیر در پایداری است. علاوه بر این روش پیشنهادی برای طراحی کنترل کننده دو حلقه ای یک روش ضروری است زیرا فیلتر فعال به شدت در معرض ناپایداری در اثر تأخیر است.

روشی برای کاهش خازن متعادل کننده ی توان در لینک dc یک مبدل متصل به شبکه ی تک فاز ارائه شده است. توپولوژی بر مبنای اتصال یک منبع ولتاژ سری در لینک dc برای جبران ریپل ولتاژ خازن لینک dc بنا نهاده شده است، تا در خروجی ریپل ولتاژی نزدیک به صفر به دست بیاید. برای تحقق منبع ولتاژ سری ذکر شده از یک مبدل ماتریسی تک فاز استفاده شده است. مقدار کل عناصر ذخیره کننده ی انرژی مورد نیاز لینک dc ، شامل خازن متعادل کننده ی توان و جبرانساز ولتاژ، کاهش یافته است و این مسئله، جابجایی خازن های الکترولیتی بزرگ را با خازن های انواع دیگری از خازن ها با طول عمر بالاتر و ابعاد و ظرفیت کوچک تر،مانند خازن های فیلمی، اجازه داده است. این موضوع، طول عمر کل سیستم مبدل را که محدود به خازن های الکترولیتی می شود را افزایش می دهد. شبیه سازی توپولوژی در نرم افزار matlab/simulink انجام شده است و نتایج نشان می دهد که مبدل ماتریسی ارائه شده، قادر است ریپل ولتاژ لینک dc را که به دلیل کاهش اندازه ی خازن متعادل کننده ی توان در آن ایجاد شده است را جبران نماید.

با توجه به کاربردهای گوناگون و مزایای زیادی که مبدل¬های منبع ولتاژی pwm متصل به شبکه ارائه می¬دهند، روش-های کنترلی مختلفی برای بهره¬مندی از این کاربردها و مزایا ارائه شده¬اند که از بین آن ها، روش¬های کنترل بدون سنسور ولتاژ شبکه به دلیل مزایای ویژه آن¬ها، مورد توجه زیادی قرار گرفته¬اند. در این راستا در این پایان¬نامه دو روش جدید برای تخمین ولتاژ شبکه در حوزه¬ی زمان ارائه شده و عملکرد آن ها مورد بحث، بررسی و آزمون قرار گرفته است. در روش اول، معادلات مبدل متصل به شبکه به یک مسئله بهینه¬سازی تبدیل می¬شوند که زاویه¬ی توان و دامنه¬ی ولتاژ شبکه را به توان انتقالی، امپدانس فیلتر سلفی و ولتاژ خروجی مبدل مرتبط می¬کند. سپس این مسئله بهینه¬سازی با استفاده از الگوریتم بهینه¬سازی نیوتن-رافسون برای دستیابی به زاویه¬ی توان و دامنه¬ی ولتاژ شبکه حل می¬شود. در نهایت با استفاده از این اطلاعات و فاز ولتاژ خروجی مبدل، ولتاژ لحظه¬ای شبکه در قاب مرجع ساکن به راحتی محاسبه می¬شود. در روش دوم، یک روش ساده و موثر برای تخمین ولتاژ شبکه ارائه شده است. در این روش با استفاده از معادله ولتاژ مبدل در قاب مرجع ساکن یک عبارت ریاضی ساده برای محاسبه¬ی ولتاژ شبکه پیشنهاد شده است. تخمین ولتاژ پیشنهادی فقط شامل عملگرهای ساده ریاضی از جمله جمع و ضرب می¬باشد و در ساختار خود بر خلاف روش¬های مرسوم به انتگرال¬گیر، مشتق¬گیر و هیچ نوع تابع مثلثاتی نیاز ندارد. در کاربردهای مبدل¬های متصل به شبکه، سنکرون¬سازی با شبکه قدرت و محاسبه¬ی جریان مرجع برای حلقه¬ی داخلی کنترل جریان بر مبنای مؤلفه ی اصلی ولتاژ می¬باشد. استخراج مؤلفه ی اصلی ولتاژ در شبکه¬های هارمونیکی و معوج معمولاً با استفاده از فیلتر میان¬گذر یا pll انجام می¬شود. در این پایان¬نامه یک روش ساده و بدون نیاز به هیچ¬گونه فیلتر یا pll برای استخراج مؤلفه ی اصلی ولتاژ شبکه با استفاده از خاصیت فیلترینگ کنترلر تناسبی-رزونانسی پیشنهاد شده است.

پیشرفت تکنولوژی انرژی های تجدیدپذیر و ریز شبکه ها و کاهش قیمت آن ها، سبب توجه روز افزون و افزایش میزان کاربرد این سیستم ها در مناطق دورافتاده یا بارهای حساس شده است. به طور عمده، در این سیستم ها، برق به صورت dc تولید می گردد و برای اتصال به بار، نیازمند یک رابط برای تبدیل برق تولیدی به برق ac با فرکانس مطلوب می باشد. بدین منظور از مبدل های الکترونیک قدرت جدا از شبکه (مبدل ups) با فیلتر خروجی lc استفاده می شود. با توجه به کاربردها و مزایای بسیاری که مبدل های جدا از شبکه ارائه می دهند، روش های کنترلی مختلفی ارائه شده اند که از بین آن ها، روش های کنترل چند حلقه ای به دلیل مزایای ویژه آن ها، مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. بدین منظور در این پایان نامه، دو روش کنترل چند حلقه ای اصلاح شده ارائه شده و عملکرد آن ها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در روش اول، جریان اندوکتانس فیلتر و جریان بار به جهت کاربرد حفاظتی به صورت مستقیم اندازه گیری می گردند و ولتاژ خروجی با استفاده از الگوریتم فیلتر کالمن تخمین زده می شود. همچنین در حلقه های پس خور طرح کنترل پیشنهادی از کنترلرهای تناسبی جهت تنظیم ولتاژ خروجی و میرایی فعال استفاده شده است. روش دوم، طرح کنترل چند حلقه ای با حداقل سنسور را ارائه میدهد. در این روش، تنها به جریان اندوکتانس فیلتر نیاز است و ولتاژ و جریان خروجی با استفاده از الگوریتم های فیلتر کالمن و کنترل تطبیقی تخمین زده می شوند. این روش علاوه بر دست یابی به مزایای کنترلرهای چند حلقه ای همچون دینامیک سریع و اعوجاج هارمونیکی حداقل، مزایای حذف سنسورهای اضافی همچون افزایش قابلیت اطمینان و کاهش هزینه و ابعاد مبدل را نیز به دنبال دارد. درنهایت برای تائید عملکرد مناسب روش های پیشنهادی، مطالعات شبیه سازی و پیاده سازی عملی آن ها انجام شده است.

تا به امروز ساختارهای زیادی برای اینورترهای چندسطحی مطرح شده است. ساختارهای رایج اینورترهای چندسطحی عبارتند از: اینورتر تمام پل آبشاری، اینورتر دیود قفلی و اینورتر خازن معلق. اینورتر آبشاری در کاربردهایی که چندین منبع ولتاژ ثابت در دسترس است، به کار می رود. دو ساختار دیگر از چندین خازن برای ایجاد ولتاژ پله ای استفاده می کنند که مشکل اصلی این اینورترها برقراری تعادل ولتاژ در این خازن ها می باشد. اخیرا گروه جدیدی از اینورترهای چندسطحی ارائه گردیده است که از ایده ی سلف های تزویج شده ی برابر استفاده می کنند. وجود سلف های تزویج شده باعث بهبود کیفیت شکل موج های خروجی در این مبدل ها می شود. بعلاوه این اینورترها به چندین منبع و/یا خازن مانند ساختارهای قبلی نیاز ندارند. در همه ی این ساختارها اندوکتانس خودی سلف های مورد بحث برابرند. مشکل همه ی اینورترهای چندسطحی با سلف های تزویج شده که تاکنون مطرح شده اند، محدود بودن تعداد سطوح ولتاژ خروجی آنها است، به نحوی که حداکثر تعداد سطوح ولتاژ قابل حصول در مبدل های موجود پنج می باشد. در این پایان نامه، پنج ساختار جدید برای این شاخه از اینورترهای چندسطحی پیشنهاد شده است که از این میان ، دو مبدل قابلیت گسترش به هر تعداد سطح ولتاژ خروجی را دارند و بقیه مبدل های پیشنهادی نه سطحی هستند. این مبدل ها، همچون سایر مبدل های چند سطحی با سلف های تزویج شده، به ادوات الکترونیک قدرت و منابع dc کمتری نسبت به اینورترهای چندسطحی متداول نیاز دارند و بعلاوه در ساختار آنها به خازن برای تقسیم و کلمپ ولتاژ نیازی نیست. نتایج شبیه سازی و عملی نیز برای اثبات تحلیل های انجام گرفته، ارائه گردیده است.

در برخی کاربردها از جمله کنترل سرعت موتورهای الکتریکی، کنترل روشنایی، کنترل گرمایش صنعتی و ... نیاز به ولتاژ ac با دامنه متغیر می باشد. از آنجا که ولتاژ ac در دسترس دارای دامنه و فرکانس ثابت است، لذا مبدل های مختلفی برای تبدیل یک مرحله ای ولتاژ ac به ac معرفی شده اند. برخی از این مبدل ها از توانایی تغییر دامنه و فرکانس برخوردار هستند اما دسته ای دیگر فقط توانایی تغییر دامنه را دارند. در این میان چاپرهای ac تنها قابلیت تغییر دامنه را دارند و به دلیل دارا بودن ساختار و کنترل ساده مورد توجه قرار دارند. در این پایان نامه سعی می شود تا چاپر ac باک بوست طوری کنترل شود که کیفیت ولتاژ خروجی در آن بهبود یابد. برای این کار روشی پیشنهاد می شود تا بتوان اثر هارمونیک های ولتاژ ورودی را بر ولتاژ خروجی کاهش داد. زیرا که با روش های کنترل رایج این هارمونیک ها به ولتاژ خروجی انتقال یافته و کیفیت آنرا کاهش می دهد. همچنین برای کاهش نویز emi )برای اولین بار در چاپرهای ac) از مدولاتور آسنکرون سیگما-دلتا به جای pwm استفاده می شود. برای رفع مشکل کموتاسیون جریان سلف در چاپر باک بوست از روش سوئیچینگ چهار مرحله ای که در مبدل های ماتریسی کاربرد دارد بهره گرفته می شود. در روش های رایج از اسنابر rc دو سر سوئیچ ها برای تامین مسیر جریان در مدت زمان مرده استفاده می شود که باعث کاهش راندمان مبدل شده و در توانهای بالا قابل پیاده سازی نیست. با روش کلیدزنی چهار مرحله ای این مشکلات حل می شود.

در سال های اخیر، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و تولید پراکنده در مناطق دورافتاده یا بارهای حساس به دلیل پیشرفت تکنولوژی، کاهش هزینه های انتقال برق و وابستگی به سوخت های فسیلی و درنتیجه کاهش انتشار گازهای گلخانه ای موردتوجه بسیاری قرار گرفته است. به طور عمده، در این سیستم ها، برق به صورت dc و یا ac با فرکانس متفاوت از فرکانس مطلوب تولید می گردد و برای اتصال به بار و رعایت استانداردها، نیازمند استفاده از مبدل های الکترونیک قدرت هستند. از دیگر کاربردهای متداول این مبدل ها، می توان به استفاده در محرکه های ac و dc، منابع تغذیه ac و dc، کوره های برقی، فیلترهای فعال قدرت و قطارهای برقی و نسل جدید ادوات facts و خطوط hvdc اشاره کرد. به لحاظ کنترل و کاربرد، اکثر این مبدل ها با یک شکل موج مرجع متناوب سروکار داشته که عموما سینوسی می باشد. هدف اصلی سیستم کنترل، ردیابی کامل و دقیق سیگنال مرجع و حذف کامل اغتشاش متناوب است؛ به نحوی که خطای حالت دائم صفر گردد. تاکنون روش های متنوعی در این زمینه ارائه شده اند. بدین منظور در این پایان نامه، یک روش جدید ردیابی شکل موج مرجع ac برای کنترل مبدل های الکترونیک قدرت ارائه شده و عملکرد آن موردبحث و بررسی قرار گرفته است. الگوریتم کنترل پیشنهادی که بر مبنای روش آرایه کنترل هارمونیکی (hca) می باشد، دارای مزایای سادگی، پیاده سازی آسان، ردیابی دقیق مرجع ac با خطای حالت دائم صفر، عدم نیاز به تبدیل قاب مرجع و ... می باشد. مفاهیم این روش ابتدا بیان شده و سپس پیاده سازی دیجیتال آن وهمچنین توسعه و بهبود آن برای کاربردهای الکترونیک قدرت صورت گرفته است. درنهایت برای تائید عملکرد مناسب روش پیشنهادی، مطالعات شبیه سازی آن بر روی سه مبدل و پیاده سازی عملی آن بر روی یک مبدل الکترونیک قدرت انجام شده است.