وبلاگ آموزش ها و اخبار متلبی
بررسی و شبیه سازی سه مبدل ANPC, CHP و MMC

بررسی و شبیه سازی سه مبدل ANPC, CHP و MMC

بررسی و شبیه سازی سه مبدل ANPC, CHP و MMC

مقدمه

منابع انرژی های سنتی، سوخت های فسیلی و برق حاصل از شکافت هسته ای و انرژی آبی عملاً بر عرضه انرژی جهانی تسلط دارند و دیگر منابع انرژی هنوز به مقدار کافی توسعه پیدا نکرده اند. در بین این انرژی ها، گروهی از انرژی ها هستند که به آن ها عنوان انرژی های نوین و تجدید پذیر داده شده است. به عنوان یک گروه انرژی، مقایسه آن ها با انرژی های معمولی مشکل است؛ زیرا که این انرژی ها بطور وسیع توزیع شده و نسبتاً پراکنده اند. این انرژی ها از لحاظ تجاری هنوز بطور کامل توسعه نیافته اند و مصرف کنندگان این چنین انرژی هایی با مشکلات متفاوتی روبرو هستند. این منابع اساساً نامحدود می باشند لکن با قبول در دسترس بودن ، گران و غیر قابل اعتماد تلقی می شوند. اغلب آن ها از نظر محیط زیستی بی خطر بوده و یا می توانند بی خطر باشند. در این زمینه لازم است استاندارد های زیست محیطی مناسبی در توسعه انرژی های تجدیدپذیر، به صورت جزئی از یک فرایند پیوسته در راستای عرضه و بهره برداری از انرژی در جهان، اعمال شود. از آنجا که تعامل بین محیط زیست و اقتصاد انرژی در حال حاضر و در آینده مورد بحث خواهد بود، بنابراین امکانات بالقوه و سهمی که این منابع تجدیدپذیر در تأمین انرژی جهان خواهند داشت، یک بحث کلیدی می باشد.

نفوذپذیری منابع انرژی های نو و تجدیدپذیر در بازارهای انرژی به سرعت صورت نمی پذیرد. همیشه یک تأخیر زمانی طبیعی بین موفقیت نمونه های اولیه و نمونه های پایدار تجاری وجود دارد و معمولاً با چند مصرف اولیه تجاری، کار آغاز شده و سپس آنچه که آموخته می شود در نسل های بعدی تولید، بکار برده می شود. از طرفی، نیاز به بکارگیری صنایع تولیدی بزرگ و صرف زمانی برای برنامه ریزی، تأمین مالی و آموزش نیز وجود دارد. تجربه نشان داده است که رشد خیلی سریع از طریق تشویق مالیاتی و غیره، شرکت ها و تکنولوژی های حاشیه ای را تشویق به حضور در بازار می نماید که نتایج یاس آوری را در مقایسه با فعالیت قابل اعتماد درازمدت که مورد انتظار بوده است، به بار می آورند.

محدودیت های موجود در بهره برداری گسترده از منابع انرژی های نو و تجدیدپذیر، زیاد و پیچیده است. مشکلات تکنولوژی یکی از مهمترین عوامل ایجاد این محدودیت هاست. بسیاری از تکنولوژی های موجود برای استفاده کارآمد از این منابع انرژی، نارسا بوده و یا نسبتاً گران هستند. این منابع در حالت خام خود از شدت انرژی کمی برخوردار هستند؛ بنابراین به هزینه زیادی برای متمرکز کردن آن ها و یا برای ایجاد سازه هایی که انرژی را به صورت مفیدی به دام اندازند، نیاز دارد. در این سیستم ها، هزینه مواد اولیه درصد بالایی از هزینه سرمایه گذاری، حتی برای طرح های نسبتاً ساده، را به خود اختصاص می دهد.

بنابراین لازم است توسعه بیشتری بر پایه تحقیقات پایه ای انجام شود تا مصرف کنندگان بتوانند با اعتماد، تمام هزینه سوخت آتی خود را سرمایه گذاری کنند. زمینه های توسعه، نه تنها شامل طراحی، بلکه شامل ساخت، نصب، راهبری، و نگهداری این سیستم ها نیز می شود. موفقیت و نفوذ هر چه بیشتر این منابع در بازار تا حدود زیادی بستگی به توسعه تکنولوژی و فناوری این منابع انرژی دارد. یکی از بارزترین مشکلات تکنولوژی و فن آوری در عرصه بهره گیری از منابع انرژی های نو و تجدیدپذیر، علاوه بر خود منابع، مبدل های توان بکار رفته در این منابع می باشند. اغلب منابع انرژی های نو و تجدیدپذیر نیازمند مبدل های توان برای تبدیل توان خروجی به انرژی الکتریکی قابل بهره گیری توسط مصرف کننده می باشند. این مبدل های توان با توجه به نوع منبع انرژی به کار رفته، متفاوت می باشند. اگرچه مبدل های توان، بخش جدایی ناپذیر اکثر این سیستم ها هستند و قسمت کوچکی از آن ها را به خود اختصاص می دهند. اما طبق گزارشات، حدود 41 درصد از هزینه کل سیستم را به خود اختصاص می دهند. بنابراین، با پیشرفت و توسعه این مبدل ها گامی موثر در زمینه بهره برداری از این منابع انرژی برداشته می شود.

در سال های اخیر مطالعات و تحقیقات در زمینه تولید انرژی از منابع انرژی های تجدیدپذیر، به سمت استفاده از این منابع انرژی سوق داده شده است. با رویکرد به سمت سیستم های منابع انرژی های تجدیدپذیر ، طراحی مبدل های توان متناسب با این سیستم ها نیز مورد توجه قرار گرفتند. تا به امروز مبدل های الکترونیک قدرت متنوعی برای سیستم های انرژی تجدیدپذیر در مقالات و تحقیقات مختلف، ارائه شده اند اما هنوز، خلاء در برخی قسمت های این سیستم ها احساس می شود.

 

مبدل‌های الکترونیک قدرت

مبدل های چند سطحه امروزه به عنوان مبدل های توان بالا برای کاربرد در رنج متوسط و بالا مانند راه اندازهای بزرگ، بهبود دهنده دینامیکی ولتاژ، اجزای توان راکتیو و ادوات FACT کاربرد دارند. مبدل چند سطحه با ترکیب مناسبی از ولتاژهای پله ای قادر به تولید ولتاژ مطلوب می باشد. مهمترین مزیت مبدل های چند سطحه استفاده آنها از ادوات نیمه هادی در رنج ولتاژ پایین می باشد که این به خودی خود باعث کاهش تلفات سویچ زنی و استرس ولتاژ روی ادوات الکترونیک قدرت می شود.

همچنین گام های کوچک ولتاژ منجر به افزایش کیفیت توان، کاهش اجزای هارمونیکی و سازگاری بهتر الکترومغناطیسی می شود. در سال های اخیر مبدل چند سطحه مورد توجه زیادی قرار گرفته است و پیکربندی های مختلفی با تنوع در روش های کنترلی برای آنها ارائه شده است. با افزایش تعداد منابع ولتاژ dc و استفاده از روش کلیدزنی فرکانس پایه، شکل موج ولتاژ خروجی اینورتر تقریباً به شکل سینوسی نزدیک می شود. در این صورت تلفات کلیدزنی پایین بوده و به دلیل استفاده از چندین منابع ولتاژ dc ، کلیدها استرس ولتاژ پایین تری را تجربه می کنند.

در مقایسه با مبدل های مرسوم و با افزایش تعداد منابع ولتاژ dc، گام های ولتاژ کوچک منجر به تولید شکل موج خروجی با کیفیت بالاتر، تلفات کلیدزنی پایین تر، بازده بالاتر، و هم چنین کاهش استرس های dv/dt روی بار می شوند و قابلیت کار با نیمه هادی های با سرعت پایین تر را می دهد.

در دهه ی اخیر، انواع مختلفی از ساختارهای چند سطحی ارائه شده است . در حالت کلی، اینورتر چند سطحی به دسته های دیود کلمپ[1]، خازن شناور[2]، پل آبشاری[3] و مبدل ماژولار چندسطحی[4] تقسیم می شود.

 

مقایسه کلی

اینورترهای چند سطحی معایبی نیز دارند. یکی از مهمترین معایب، نیاز به کلیدهای نیمه هادی قدرت با تعداد زیاد می باشد. هر چند کلید های رنج ولتاژ پایین می توانند در اینورترهای چند سطحی مورد استفاده قرار گیرند، هر کلید به یک مدار گیت راه انداز جداگانه ای نیاز دارد. بنابراین در کاربردهای خاص، کاهش تعداد کلیدها و مدارات گیت راه انداز بسیار مهم است.

 

الف)مبدل NPC

در میان این اینورترها، اینورتر چند سطحی دیود کلمپ به دلیل تعداد زیاد دیود و خازن به کار رفته برای تولید سطوح مختلف ولتاژ در خروجی و تنظیم تعادل هر یک از ولتاژهای لینک dc خازن ها به کنترل های PWM پیچیده ای نیاز دارد. وقتی از اینورتر چند سطحی خازن های شناور استفاده می شود، مدار مبدل شامل المان های نسبتاً کم تری می شود با این وجود به دلیل خازن های زیاد حجم سیستم افزایش می یابد. مهمترین اشکال پیکربندی NPC توزیع نامساوی ولتاژ بین خازن های سری شده می باشد، که منجر به نامتعادلی خازن لینک DC می شود و اینکه برای سطوح ولتاژ بالا به تعداد زیادی دیود برشگر نیاز دارد.

در توپولوژی NPC با افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجی، محتوای هارمونیکی شکل موج خروجی کاهش خواهد یافت و اندازه فیلتر مورد نیاز کوچک خواهد شد. با توجه به اینکه قطعات در فرکانس اصلی، بدون افزایش در محتوای هارمونیکی کلیدزنی می شوند تلفات کلیدزنی پایین خواهد بود. امکان انتقال توان راکتیو وجود دارد زیرا موجب نامتعادلی در ولتاژ خازن ها نمی شود.  این مبدل پاسخ دینامیکی سریعی دارد. امکان عملکرد پشت به پشت وجود دارد.  همچنین با توجه به اینکه تمامی فاز ها از باس dc مشترک استفاده می کنند تعداد خازن مورد استفاده در این اینورتر کاهش خواهد یافت.

این مبدل معایبی نیز دارد، برای مثال با افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجی تعداد دیود های برشگر مورد استفاده افزایش خواهد یافت و در نتیجه ساخت این اینورتر پیچیده خواهد شد. انتقال توان اکتیو سبب ایجاد نامتعادلی در ولتاژ خازن های باس dc شده و در نتیجه سبب پیچیدگی کنترل آن خواهد شد. از آنجایی که روش های اضافی جهت ایجاد سطوح ولتاژ متفاوت در این نوع اینورتر نسبت به اینورتر خازن شناور وجود ندارد، مشکل تعادل ولتاژ خازن ها افزایش یافته است. بهره وری پایین از منبع ولتاژ موجود زیرا بیش ترین مقدار ولتاژ خروجی به نصف مقدار منبع ولتاژ محدود شده است. توزیع نامتقارن تلفات در بین ادوات نیمه هادی و ضرورت کاربرد فیلتر در خروجی به خصوص برای اینورتر سه سطحی از مشکلات این اینورتر می باشد. مهم ترین عیب ساختاری اینورتر چند سطحی برشگر دیودی سه سطحی توزیع نامساوی تلفات و درنتیجه دمای نامساوی ادوات نیمه هادی می باشد.

 

ب)مبدل CHB

CHB از چندین واحد تکفاز سلول های قدرت پل H با استفاده از دو پایه اینورتر موازی با منابع dc ایزوله شده ترکیب شده است. سلول های پل H معمولاً برای رسیدن به ولتاژ مطلوب و اعوجاج هارمونیکی پایین در طرف AC خودشان به صورت سری متصل می شوند. کنترل و عملکرد این اینورتر نسبت به دو مورد ذکر شده در بالا ساده و دارای ساختاری مقاوم است. به علت تداخل الکترومغناطیسی کم و بازده بالا با روش کنترل کلیدزنی فرکانس پایین، اینورتر چند سطحی CHB ، ساختار رایجی دارد و کاربردهای متنوعی در صنعت از قبیل، کاربرد در درایو با ولتاژ متوسط توان بالا و جبران ساز توان راکتیو  پیدا کرده است.

این مبدل در مقایسه با سایر اینورتر های چند سطحی برای تعداد سطوح ولتاژ خروجی یکسان کمترین تعداد قطعات را دارد. هیچ دیود برشگر و خازن تعادل ولتاژی ندارد. در این اینورتر روش کنترلی و تجهیزات حفاظتی لازم برای هر پل مشابه هم هستند به طوری که امکان بسته بندی هر پل به صورت یک بسته وجود دارد. با افزایش تعداد اینورتر های تمام پل تک فاز می توان تعداد سطوح ولتاژ خروجی را افزایش داد و همینطور این مبدل پاسخ دینامیکی سریعی ایجاد می کند.

ساختار پل H کسکید شده به دلیل پیمانه ای بودن و سادگی کنترل برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب می باشد؛ اما در این پیکربندی به تعداد زیادی منبع مستقیم مجزا نیاز داریم، هر چند ساختارهای جدیدی برای کاهش تعداد منابع ولتاژ مجزا ارائه شده است. مبدل های کسکید پل H معایبی هم دارند از جمله نیاز به تعداد سویچ های الکترونیک قدرت زیاد که منجر به افزایش هزینه ها و پیچیدگی کنترل می شود و قابلیت اطمینان و بازده را کاهش می دهد. با وجود اینکه از کلیدهای ولتاژ پایین هم می توان در این مبدل ها استفاده کرد، هر کلید به یک مدار راه انداز و حفاظتی نیز نیاز دارد که در حالت کلی باعث پرهزینه تر و پیچیده تر شدن سیستم می شود. عیب عمده ی اینورتر چند سطحی سری می تواند هزینه ی آن ها به دلیل منابع ولتاژ dc زیاد به کار رفته در آن ها باشد.

در این مبدل امکان عملکرد پشت به پشت برای این اینورتر وجود ندارد زیرا موجب اتصال کوتاه دو اینورتر می شود. در این نوع اینورتر نسبت به اینورتر های سنتی در سیستم سه فاز تعداد کلید های بیشتری استفاده می شود به طوری که افزایش  در این اینورتر ها منجر به افزایش تلفات، ناحیه نصب، هزینه و پیچیدگی کنترل اینورتر ها می شوند.

 

ج)مبدل MMC

مبدلهای NPC و FCC به علّت پیچیدگی فراوان در اتصال الکتریکی، توزیع تلفات و مشکلات متعادل‌سازی ولتاژ، به راحتی قابل گسترش به توان و ولتاژهای بالا نیستند. امروزه، مبدلهای چندسطحی مدولار MMC به عنوان بهترین مبدل منبع ولتاژVSC  تلقی میشوند که در رنج وسیعی از توان و سطوح ولتاژ بالا با بازده بسیار عالی عمل میکنند. توپولوژی MMC کاربرد اصلی خود را در مبدلهای توان بالا و متوسط پیدا کرده است. این کاربردها به خاطر ویژگیهای خوب آن از جمله مدولاریتی، مقیاسپذیری و عدم وجود لینک DC ولتاژ بالا به علت توزیع انرژی بین خازن سلولها است. همه این دلایل MMC را به توپولوژی بسیار مناسب برای HVDC و FACTS تبدیل کرده است. به علت مدولار بودن، MMC به راحتی با استفاده از مدولهای بیشتر که به صورت سری متصل هستند، قابل توسعه به سطوح توان و ولتاژ بالا است. به علاوه، MMC توانایی مواجهه با توان اکتیو یا راکتیو و همچنین شبکه DC ولتاژ بالا بدون نیاز به ترانسفورمرهای بزرگ و حجیم را دارد. همچنین تلفات کلیدزنی برای این مبدل نسبت به NPC و FCC کمتر است. این ویژگیها باعث شده است که مبدلهای MMC توجه فراوانی را به خود جلب کنند و پتانسیل بسیار خوبی برای کاربردهای آینده نشان دهند. اما تعداد عناصر نیمه هادی به کار رفته در این ساختار نسبت به توپولوژیهای دیگر بیشتر است که البته با توسعه روش مدولاسیون و اصلاح ساختار این تعداد میتواند کمتر شود.

در مبدل های MMC مفهوم مدولاریتی، به راحتی قابل درک است. یعنی با استفاده از تعداد مدولهای موجود در هر شاخه این مبدل به توانهای مختلف و سطوح ولتاژ متفاوت مقیاس پذیر است. این ویژگی مشابه توپولوژی CHB است.

اگر مدولهای موجود در هر شاخه بیشتر از تعداد مورد نیاز باشد، افزونگی به راحتی حاصل و سلولهای معیوب کنار گذاشته میشوند. جریانهای داخلی بازوها بریده نمیشوند بلکه به صورت پیوسته جریان پیدا میکنند. سلفهای حفاظت در هر شاخه قرار داده میشوند. آنها عملکرد مبدل را مختل نمیکنند یا اضافه ولتاژ برای نیمه هادیهای ایجاد نمیکنند، زیرا جریانها بریده نمیشوند. علاوه بر این، سلف های شاخه ها جریان AC را زمانی که باس DC اتصال کوتاه شود محدود میکنند. مدولها تجهیزات دو طرفه هستند. نیازی نیست که خازن سمت DC با منبع انرژی تغذیه شود. این بدان معنا است که انتقال توان اکتیو و راکتیو از مبدل در هر جهتی یا هر ترکیبی امکانپذیر است. همینطور در این مبدل تلفات کلید زنی کم است. هیچ خازن بزرگ و حجیمی مورد نیاز نیست. انرژی بین خازن های مدول ها توزیع میشود. این ویژگی در جلوگیری از نتایج فاجعه آمیز در هنگام بروز خطا مزیت محسوب میشود.

مبدل MMC دارای قابلیت نصب سلولهای اضافه برای استفاده بعد از بروز خطا است و بنابراین قابلیت اطمینان  آن نسبتا بالاتر از سایر مبدل هاست ، همچنین مقاومت آن در برابر خطا افزایش می یابد.

در این مبدل جریانهای بازوهای داخلی 𝐼𝑃 و 𝐼𝑁به شکل پیوسته هستند ولی این جریانها باعث ایجاد جریان چرخشی در داخل مبدل شده که در نوع خود مشکل ساز است.

امروزه کاربرد مبدلهای MMC برای درایوهای ولتاژ متوسط توجه بسیاری به خود جلب کرده است. ماهیت چند سطحی به کاهش ریپل جریان موتور و به تبع آن، ریپل گشتاور منتجه و همچنین کاهش اثرات ولتاژهای مود مشترک مثل جریان نشتی زمین و جریان یاتاقان کمک خواهد کرد.

از طرف دیگر مدار چندین عیب نیز دارد: نسبت به روشهای دیگر تعداد تجهیزات مورد نیاز معمولا بیشتر است. به تعداد مدولها خازن مورد نیاز است که معمولاً سایز قابل توجهی دارند. همینطور برای هر خازن مجزا در هر سلول باید کنترل ولتاژ صورت بگیرد که منجر به الزام محاسبات مهم میشود. باید توجه شود که چون مبدل MMC نوسانات AC در خازن مدولها ایجاد میکند، این توپولوژی برای بارهای گشتاور ثابت که گشتاور نامی در محدوده سرعت پایین نیاز دارند مناسب نخواهد بود.

 

مقایسه شبیه سازی ها

برای بررسی دقیق تر شبیه سازی ها، از بلوک دیاگرام زیر استفاده شده است که با دریافت جریان و ولتاژ، تمام پارامترهای مورد نیاز را محاسبه می کند.

بلوک محاسبه کننده پارامترهای سیگنال

بلوک محاسبه کننده پارامترهای سیگنال

به ازای شبیه سازی 0.2 ثانیه، مقدار خروجی این بلوک را برای شبیه سازی های متفاوت مشاهده می کنید:

خروجی بلوک محاسبه گر برای جریان و ولتاژ خروجی، در شبیه سازی های

خروجی بلوک محاسبه گر برای جریان و ولتاژ خروجی، در شبیه سازی های :   a) MMC    b)  CHB  c) ANPC

خروجی بلوک محاسبه گر برای جریان و ولتاژ ورودی، در شبیه سازی های

خروجی بلوک محاسبه گر برای جریان و ولتاژ ورودی، در شبیه سازی های :   a) MMC    b)  CHB  c) ANPC

 

بررسی شکل موج ها

شکل موج ولتاژ خروجی 3 مبدل را داریم:

شکل موج ولتاژ خروجی 3 مبدل

همانطور که مشخص است، شکل موج خروجی در هر 3 مبدل کاملا سینوسی بوده و عملکرد مناسبی دارند.

همچنین برای THD شکل موج ولتاژ خروجی داریم:

THD شکل موج ولتاژ خروجی

THD نهایی ولتاژ خروجی برای هر 3 مبدل در حدود 1% میباشد ولی THD در حالت گذرا متغیر است. در این بین، کمترین اورشوت را ANPC با 15% THD دارد. پس از آن CHB با حدود 18% و سپس MMC با 90% اورشوت که مقدار نسبتا زیادی می باشد.

شکل موج جریان ورودی 3 مبدل را داریم:

شکل موج جریان ورودی 3 مبدل

شکل موج جریان ورودی بسیار مهم است. در صورت سینوسی نبودن جریان ورودی، توان راکتیو تولید یا مصرف می شود و باعث کاهش ضریب توان می گردد. بدین ترتیب علاوه بر مصرف بیشتر برق، ممکن است از طرف شرکت برق جریمه شوید. همینطور در صورتی که شکل موج سینوسی نباشد، مبدل جریان بیشتری را از شبکه می کشد که ممکن است باعث ایجاد خرابی در المان های حساس مدار مثلا خازن یا کلیدها شود.

همچنین برای THD شکل موج جریان ورودی داریم:

THD شکل موج جریان ورودی

THD در مبدل های ANPC و CHB ثابت و به ترتیب 81% و 238% می باشد. این مقادیر بسیار بیشتر از حد استاندارد بوده و غیر قابل قبول می باشند. ولی مقدار نهایی THD در مبدل MMC پس از یک اورشوت و گذشتن از حالت گذرا در حدود 1.5% ثابت می شود که مقدار بسیار مطلوبی بوده و از این نظر از 2 مبدل دیگر عملکرد بسیار قابل قبول تری دارد.

شکل موج ولتاژ خروجی یکسوساز 3 مبدل را داریم:

شکل موج ولتاژ خروجی یکسوساز 3 مبدل

توجه: در شکل بالا، ولتاژ خروجی یک سلول CHB و MMC پلات شده است.

برای بررسی دقیق تر شکل موج خروجی یکسوساز، از ضریب ریپل یا Ripple Factor استفاده می کنیم:

RF=Vac/Vdc

RF (Total) RF (Cell)
0.3112 ANPC
1.28 0.4757 CHB
0.59 0.9524 MMC

با توجه به اینکه مبدل های CHB و MMC ماژولار و سلولی هستند، مقدار RF برای یک سلول و همینطور کل خروجی مبدل محاسبه شده است.

ضریب ریپل مبدل ANPC از مبدل CHB بسیار پایینتر بوده و در حدود یک چهارم آن می باشد. بنابراین از این جهت، این مبدل عملکرد بهتری دارد. ضریب ریپل یک سلول مبدل MMC حدود 2 برابر مبدل CHB و برابر 0.95 می باشد که چندان مقدار مطلوبی نیست. البته RF در حالت کلی، در مبدل MMC پایینتر از مبدل CHB می باشد.

 

شکل موج توان خروجی 3 مبدل را داریم:

شکل موج توان خروجی 3 مبدل

3 مبدل مقدار نهایی یکسانی دارند و در حدود 5000 وات ثابت میمانند اما حالت گذرای MMC کمی متفاوت از CHB و ANPC است. MMC توان خروجی را به یکباره بالا نمیبرد و آرام آرام این کار را انجام میدهد که نکته مثبتی است، اما مقدار پیک توان در MMC در حدود 6500 وات است که 1500 وات از پیک دو مبدل دیگر بیشتر است.

 

شکل موج توان ورودی 3 مبدل:

شکل موج توان ورودی 3 مبدل

توان ورودی مبدل MMC بسیار کمتر از توان ورودی مبدل CHB و همینطور توان CHB بسیار کمتر از توان ANPC میباشد. در این حالت نیز توان مبدل MMC به آرامی افزایش می یابد که نکته مثبتی است.

همچنین با توجه به سینوسی بودن ورودی و خروجی، توان DC در هر دو سمت در تمام مبدل ها تقریبا صفر است.

 

بررسی راندمان

برای راندمان، داریم:

راندمان= Pout/Pin) * 100)

بنابراین برای بررسی راندمان کافی است توان خروجی و ورودی سیستم را محاسبه کنیم.

راندمان Pin Pout
6.26e-5 8100000000 5073 ANPC
5.03e-04 970000000 4885 CHB
0.0102 49200000 5016 MMC

راندمان مبدل MMC بسیار بیشتر از دو مبدل دیگر است، همینطور راندمان CHB حدود 10 برابر مبدل ANPC می باشد.

توجه: مقدار پیک ولتاژ و جریان ورودی در حدود 7200 ولت و 10000 آمپر است در حالی که همین مقادیر برای ولتاژ و جریان خروجی حدود 240 ولت و 50 آمپر می باشد، لذا توان ورودی بسیار بیشتر از توان خروجی می باشد و این امر موجب شده است راندمان سیستم در حد صفر کاهش یابد.

 

برای بررسی دقیقتر راندمان، بار را به صورت اهمی سلفی تغییر میدهیم. مقدار R را 5 اهم و L را 0.007 هانری در نظر میگیریم و تغییرات را مشاهده می کنیم.

 

راندمان Pin Pout
4.26e-5 8100000000 3450 ANPC
3.37e-4 970000000 3269 CHB
0.0085 49200000 4197 MMC

توان ورودی تغییری نکرده است ولی توان خروجی کاهش یافته. بنابراین به همان نسبت بازده نیز کاهش می یابد. بازده مبدل های ANPC و CHB در حدود 33% و بازده مبدل MMC در حدود 15% کاهش یافته است.

  

بررسی ضریب توان

In Power Factor Out Power Factor
0.9949 1 ANPC
0.9999 1 CHB
0.9763 1 MMC

با توجه به مقاومتی بودن بار، ضریب توان خروجی در هر 3 مبدل 1 شده است. اما ضریب توان ورودی در مبدل ها کمی متفاوت بوده و برای مبدل MMC به 0.97 رسیده است. البته تمام مبدل ها از نظر ضریب توان استاندارد هستند.

برای بررسی دقیقتر ضریب توان، بار را به صورت اهمی سلفی تغییر میدهیم. مقدار R را 5 اهم و L را 0.007 هانری در نظر میگیریم و تغییرات را مشاهده می کنیم.

In Power Factor Out Power Factor
0.9949 0.915 ANPC
0.9999 0.915 CHB
0.9763 0.915 MMC

ضریب توان ورودی تغییری نکرده است اما ضریب توان خروجی برای هر 3 مبدل کاهش یافته و به عدد 0.915 رسیده است. مقدار نهایی ضریب توان برای هر 3 مبدل ثابت است ولی در حالت گذرا، با یکدیگر تغییراتی دارند:

ضریب توان

مبدل های ANPC و CHB تقریبا PF ثابتی دارند در حالی که PF در مبدل MMC حتی تا 0.85 نیز کاهش می یابد و در نهایت پس از نوسانات به مقدار نهایی 0.915 می رسد.

 

بررسی تغییرات ناگهانی بار

برای تغییر دادن ناگهانی بار، از سیستم زیر استفاده می کنیم:

بار RLC

بدین ترتیب بعد از گذشت t ثانیه، بار RLC شماره 2 با بار شماره 1 سری می شود.

t را 0.2 ثانیه، بار اول را اهمی با R1=5 اهم و بار دوم را نیز اهمی با R2=5 اهم در نظر میگیریم. زمان شبیه سازی را نیز 0.4 ثانیه تنظیم می کنیم.

 

شکل موج جریان ورودی:

شکل موج جریان ورودی

ورودی تغییراتی نکرده است. توان، جریان و ولتاژ ورودی بدون تغییر مانده اند و مانند قبل هستند.

شکل موج ولتاژ خروجی در لحظه تغییر بار

شکل موج ولتاژ خروجی در لحظه تغییر بار

ملاحظه می شود پس از یک ریپل کوچک و با گذشت یک سیکل، شکل موج به حالت عادی باز می گردد و نوسانات شدیدی در ولتاژ مشاهده نمی کنیم.

شکل موج THD ولتاژ خروجی

در شکل بالا شکل موج THD ولتاژ خروجی را مشاهده میکنید. طبق شکل، پس از گذشت 1 سیکل شکل موج به حالت سینوسی باز میگردد و پس از 3 سیکل یعنی 0.06 ثانیه THD به مقدار نهایی 1% می رسد.

موارد مشابه:

شکل موج توان خروجی

شکل موج توان خروجی

در لحظه 0.2 ثانیه توان دچار نوسانات شدیدی شده و به شدت افزایش می یابد. توان تا بیش از 2 برابر مقدار خود در لحظه 0.2 ثانیه افزایش یافته و پس از آن با شیب آرامی کاهش می یابد و به مقدار نهایی 5800 وات در لحظه 0.4 ثانیه می رسد.

در کل، هر 3 مبدل عملکرد قابل قبولی در حین تغییرات بار داشتند و به سرعت در طی 1 سیکل به حالت نرمال بازگشتند. علاوه بر این، طبق شکل موجها هر 3 مبدل در حین تغییرات بار عملکرد نسبتا یکسانی دارند.

نمونه ای از خدمات متلبی:

و انجام تمامی خدمات نرم افزاری توسط متخصصین مربوطه قابل انجام است.

 

بررسی تغییرات پس از مدار باز شدن یک کلید

اولین کلید از هر مبدل را پس از گذشت 0.2 ثانیه مدار باز میکنیم تا تغییرات را مشاهده کنیم.

برای مدار باز کردن از یک تابع پله و گیت اند استفاده شده است:

تابع پله و گیت اند

بدین ترتیب که پس از گذشت 0.2 ثانیه خروجی تابع پله صفر شده و پالسی به کلید قدرت نمی رسد و عملا کلید مدار باز می شود.

 

برای ولتاژ خروجی داریم:

ولتاژ خروجی

در کل شکل موج های خروجی تغییری نکرده اند و پایدارند و این نشان از عملکرد مناسب هر 3 سیستم دارد. البته دلیل اصلی این امر، وجود مبدل های بعد از یکسوساز می باشد که سیستم را متعادل می کنند.

مهم ترین شکل موجی که تغییر می کند شکل موج ولتاژ خروجی یکسوساز است

شکل موج ولتاژ خروجی یکسوساز

مشخصا شکل موج های ANPC و MMC تغییرات زیادی کرده اند ولی مبدل MMC ناپایدار شده و روند افزایشی پیدا کرده است. این موضوع بدین معناست که از نظر قابلیت اطمینان، مبدل MMC بسیار ضعیف عمل کرده و می تواند کل سیستم را به نقطه خطرناکی هدایت کند.

 

برای بررسی دقیق تر، ضریب ریپل مبدل های CHB و ANPC محاسبه شده است:

 

RF (Total) RF (Cell)
0.2342 ANPC
1.08 0.4217 CHB

طبق جدول، ضریب ریپل برای تمامی مقادیر کاهش و طبق شکل موج مقدار DC آن کمی افزایش یافته است. بنابراین تحت خطای مدار باز یک کلید، مبدل های ANPC و CHB عملکرد خوبی دارند اما مبدل MMC ناپایدار شده و امکان خرابی در کل سیستم وجود دارد.

شکل موج جریان ورودی پس از مدارباز شدن یک کلید:

شکل موج جریان ورودی پس از مدارباز شدن یک کلید

شکل موج THD جریان ورودی پس از مدارباز شدن یک کلید:

شکل موج THD جریان ورودی پس از مدارباز شدن یک کلید

شکل موج THD جریان ورودی پس از مدارباز شدن یک کلید:

شکل موج THD جریان ورودی پس از مدارباز شدن یک کلید

طبق شکل موج ها مبدل MMC با اینکه دارای THD بسیار پایینی بود این THD در حال افزایش است و ناپایدار به نظر می رسد. ناپایدار بودن این مبدل از شکل موج توان ورودی نیز مشخص است که دائما در حال کاهش بوده و به سمت صفر میل می کند.

مبدل ANPC پس از یک سیکل به حالت عادی برگشته و THD جریان آن نیز افزایش نمی یابد. همینطور توان ورودی نیز در این مبدل ثابت است. شکل موج CHB پس از قطع کلید دچار نقص شده و در نیم سیکل دوم قسمتی از جریان ها را از دست می دهیم. در این حالت نه تنها THD حدود 40% افزایش می یابد، بلکه جریان دیگر سینوسی نیست و مقدار DC دارد. مقدار DC جریان ورودی برابر با 60000 آمپر بوده که مقدار نسبتا زیادی هست. بنابراین مبدل CHB نیز تحت قطع یک کلید عملکرد خوبی نداشته و تنها مبدلی که عملکرد قابل قبولی دارد مبدل ANPC می باشد.

 

بررسی تغییرات پس از نوسانات منبع

برای ایجاد تغییرات در اندازه ولتاژ منبع، از سیستم زیر استفاده می شود:

ولتاژ منبع

بدین ترتیب در زمان 0.2 ثانیه، منبع ولتاژ 2 وارد مدار شده و ولتاژ ورودی را به اندازه 25% منبع ولتاژ اصلی یعنی 1800 ولت کاهش می دهد و به اندازه 5400 ولت میرساند. سپس در لحظه 0.4 ثانیه منبع سوم وارد مدار شده و و ولتاژ ورودی را به اندازه 25% منبع ولتاژ اصلی یعنی 1800 ولت افزایش می دهد و به اندازه 9000 ولت میرساند.

 

شکل موج ولتاژ ورودی:

شکل موج ولتاژ ورودی

شکل موج جریان ورودی و THD جریان ورودی

شکل موج جریان ورودی و THD جریان ورودی

شکل موج جریان ورودی و THD جریان ورودی

اندازه جریان ورودی با تغییر ولتاژ تغییر می کند ولی THD آن ثابت می ماند. THD پس از 1 سیکل به مقدار نهایی می رسد و نوسانات زیادی نیز ندارد.

شکل موج ولتاژ خروجی و THD ولتاژ خروجی

شکل موج ولتاژ خروجی و THD ولتاژ خروجی شکل موج ولتاژ خروجی و THD ولتاژ خروجی

طبق شکل موج ها، ولتاژ خروجی مبدل MMC و ANPC بسیار پایدار بوده و تغییری نمی کند. در حالی که مبدل CHB بسیار تغییر می کند و حتی THD تا 20% نیز افزایش می یابد.

شکل موج توان ورودی:

شکل موج توان ورودی

توان ورودی هر سه مبدل نسبتا پایدار بوده و دقیقا مطابق کاهش و افزایش ولتاژ، کم و زیاد می شود.

توان خروجی مبدل های ANPC و MMC در کل ثابت است ولی در لحظه 0.4 در زمانی که ولتاژ ورودی به 9000 ولت می رسد، توان خروجی مبدل CHB در حدود 100% افزایش می یابد که نشان از عملکرد نامطلوب این مبدل تحت اضافه ولتاژ را دارد.

شکل موج ولتاژ DC

شکل موج ولتاژ DC

مطابق انتظار ما، ولتاژ خروجی یکسوسازها دقیقا مطابق با افزایش یا کاهش ولتاژ ورودی تغییر می کنند.

[1] Neutral-Point Clamped (NPC)

[2] Flying Capacitor (FC)

[3] Cascaded H-Bridge (CHB)

[4] Modular Multilevel Converters (MMC)

 

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.