مدل سازی، کنترل و بهبود هارمونیکی اینورترهای چند سطحی
چکیده
یکی از مبدل¬های مهم در الکترونیک قدرت اینورترها یا مبدلهای dc-ac می¬باشند. وظیفه اینورترها تبدیل ولتاژ ورودی مستقیم به یک ولتاژ خروجی متناوب و متقارن با دامنه و فرکانس مطلوب می¬باشد. شکل موج ولتاژ خروجی در اینورتر باید سینوسی باشد ولی در عمل این شکل موجها غیر سینوسی بوده و دارای هارمونیک می¬باشند. هارمونیک¬ها مشکلات بسیاری را برای سیستم قدرت و تجهیزات الکتریکی مانند ایجاد تلفات در سیستم قدرت و ادوات الکتریکی، ایجاد حرارت نامطلوب و غیر¬مجاز، ایجاد جریان بار بالا، ایجاد نویز القایی در سیستم¬های کنترل و عملکرد نامطلوب ماشینهای گردان و تجهیزات اندازه گیری و رله هاو.... بوجود می¬آورند. وجود هارمونیک¬های ولتاژ در خروجی اینورترها به¬خصوص در ولتاژها و توانهای بالا قابل قبول نمی¬باشد. از سوی دیگر کاربرد اینورترها در توان و ولتاژ بالا نیازمند ساخت اینورترها با قطعاتی است که قابلیت کار در ولتاژ و توان بالا را داشته باشند که این مسئله باعث محدودیت کاربرد اینورترها و افزایش بسیار زیاد هزینه می¬گردد. راه حلی که می¬تواند هردوی این مشکلات را بهبود بخشد استفاده از اینورترهای چندسطحی می¬باشد که باعث گردیده است که مقادیر نامی ادوات الکترونیک قدرت مورد استفاده پایین بیاید و محتوای هارمونیکی شکل موجهای خروجی اینورتر کاهش یابد. در نتیجه در سالهای اخیر اینورترهای چند¬سطحی مورد توجه زیادی بوده¬اند. یکی از مهمترین مشخصات اینورترهای چند¬سطحی کاهش سطح هارمونیکی ولتاژ خروجی می¬باشد، اما کمتر به بررسی تحلیلی و جامع این هارمونیک¬ها پرداخته شده است. این تحقیقات به علت پیچیدگی بحث¬های هارمونیکی بیشتر مبتنی بر نتایج شبیه¬سازی بوده و کمتر نتایج تحلیلی و محاسباتی به¬دست آمده¬است. همچنین تحقیقات انجام گرفته اکثرا در حالت ایده¬آل می¬باشد یعنی مدار و کلیدزنی آن کاملا به¬صورت متقارن در نظر گرفته¬شده¬است، منابع dc یکسان و بدون ریپل در نظر گرفته¬شده¬اند و شرایط کاربردهای عملی در نظر گرفته¬نشده¬است.ولی در مدارات عملی معمولا حالت¬های غیر ایده¬آل وجود دارند و هریک از آنها می¬تواند تاثیر بسیار زیادی بر روی هارمونیک¬های ولتاژ خروجی گذاشته و مقادیر این هارمونیک¬ها را تا حد غیر¬قابل قبولی بالا ببرند. در این رساله هدف مدل سازی و بهبود هارمونیکی مبدل¬های چند سطحی می¬باشد. به¬خصوص این هارمونیک¬ها در برخی حالت¬های غیر¬ایده¬آل محاسبه می¬گردند زیرا هارمونیک¬های اینورترهای چندسطحی در حالت¬های غیر¬ایده¬آل افزایش قابل ملاحظه¬ای می¬یابند. نمونه¬هایی از حالت¬های غیرایده¬آل دارای ریپل بودن ورودی dc در صورت استفاده از منابع انرژی¬های تجدید پذیر مثل سلولهای خورشیدی(pv) و...در سمت ورودی اینورتر و یا نامتعادلی در کلید¬زنی در اینورترهای چندسطحی می¬باشد. هارمونیک¬ها در این حالت¬های غیر¬ایده¬آلی اینورترها، با فرمول¬های ریاضی محاسبه گردیده¬است. برای بررسی تحلیلی مدل مناسبی برای اینورترهای چندسطحی در نظر گرفته شده و به کمک این مدل روابط تحلیلی برای هارمونیک¬های خروجی به دست آورده شده¬است. با استفاده از این روابط تحلیلی، هارمونیک¬های تولیدی به طور دقیق قابل محاسبه می¬باشند. بنابراین از این محاسبات می¬توان در کاربردهای طراحی و بهینه¬سازی استفاده کرد. با استفاده از این روابط تحلیلی روشی برای کاهش هارمونیک¬های خروجی در حالت کلید¬زنی نامتقارن ارائه¬شده ¬است. همچنین در این رساله در حالت ولتاژهای ورودی نامساوی، روش کلید زنی انتخابی به اینورتر چند سطحی و مدولار اعمال شده و زوایای کلید¬زنی با استفاده از روش بهینه¬سازی جستجوی هارمونی محاسبه گردیده¬است.