دانلود شبیه سازی مقاله اینورتر چندسطحی سه فاز برای سیستم فتوولتائیکی

پروژه متلب اینورتر چند سطحی

تقاضای انرژی الکتریکی در انواع کاربردهای مختلف آن روز به روز در حال افزایش می باشد و این موضوع رو می توان در زندگی روزمره، به وفور مشاهده کرد. در سالهای گذشته، تولید انرژی الکتریکی عمدتاً به منابع غیرتجدیدپذیر، مانند سوخت های فسیلی، زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت وابسته بود که بدون شک، تاثیرات مضر بسیاری روی محیط زیست و آب و هوای جهان داشتند. در همین راستا، امروزه منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر، مانند انرژی خورشیدی، اقیانوسی و باد برای تولید برق در راستای تامین سطح تقاضا، مورد توجه قرار گرفته اند و کشورهای مختلف، سرمایه گذاری های زیادی را روی آنها انجام داده اند. برای همگام سازی این نوع سیستم های انرژی جدید با ترکیبی از شبکه قدرت، ریزشبکه و بارهای محلی، بخصوص برای اتصال به سیستم های ذخیره انرژی جهت اطمینان یافتن از انعطاف پذیری، انواع مبدلهای قدرت، تاکنون توسط محققان، پیشنهاد شده اند.

معمولاً، تولید، انتقال، توزیع و بهره برداری از برق قدرت از طریق فرآیند تبدیل توان DC به AC، رخ می دهد. مبدل های توان DC به AC، معمولاً اینورتر نامیده می شوند که نقشی اساسی در درایوهای فرکانس متغیر، منابع تغذیه قطع ناپذیر، گرمایش القایی، انتقال قدرت DC فشار قوی، درایوهای خودروهای الکتریکی، سیستم های انتقال AC انعطاف پذیر و سیستم های ذخیره انرژی، ایفا می کنند. براساس شکل موج خروجی، اینورترها را می توان به اینورترهای موج مربعی، اینورترهای موج شبه مربعی، اینورترهای PWM دو سطحی و اینورترهای چندسطحی (MLI ها)، تقسیم بندی نمود. از میان اینها، MLI ها، توجه ویژه ای بخاطر دارا بودن قابلیت کار در همه شرایط شامل شرایط ولتاژ پایین، متوسط و زیاد، به خود جلب کرده اند. مفاهیم اساسی در MLI، در دستیابی به یک شکل موج پلکانی، طبق یک مسیر سینوسی، با افزودن چندین سطح DC ولتاژ پایین تر با بکارگیری کلیدهای نیمه رسانا، نهفته است. معمولاً، چندین سطح DC ورودی، شامل خازن، باتری یا دیگر ذخیره کننده های متداول و منابع ولتاژ انرژی تجدیدپذیر، می باشند. تغییر چیدمان و کنترل کردن کلیدهای قدرت، باعث تجمیع این چندین سطح DC ورودی و بدست آمدن یک ولتاژ بالا در خروجی می شود. بنابراین، در MLI ها، ولتاژ عملیاتی، بسیار بالاتر از ولتاژ تنش برروی یک کلید قدرت است، زیرا منبع ولتاژی که کلید به آن متصل است، ولتاژ اسمی آن را تعیین می کند. MLI ها، مزایای بسیاری مانند پروفایل هارمونیک بهتر، کاهش تنش dv/dt و در نتیجه کاهش قابل توجه اجزای فیلتر و بهره برداری در هر دو کاربرد ولتاژ متوسط و زیاد با کلیدهای اسمی ولتاژ پایین، فراهم می کند. علاوه بر آن، MLI ها نه تنها ولتاژ مد مشترک کمتری تولید می کنند که تنش بر موتورها را کاهش می دهد، بلکه جریان با اعوجاج کمتر می کشد و در نتیجه رسانایی کمتر و تلفات کلیدزنی و بهبود بازده، فراهم می کند. معمولترین و کلاسیک ترین توپولوژی های MLI شامل گیره نقطه خنثی (NPC)، خازن شناور (flying capacitor) (FC) و H-پل آبشاری (CHB) می باشند که بطور گسترده ای در کاربردهای متعدد در سیستم های ذخیره انرژی و تبدیل الکتریکی، جا افتاده اند. اینورترهای NPC و FC، مسئله شارژ متوازن خازن های لینک DC را دارند. توپولوژی CHB نیاز به تعداد زیادی منابع ولتاژ DC ایزوله برای تولید خروجی سطح بالاتر دارد. علاوه بر آن، همه این توپولوژی های کلاسیک، نیاز به تعداد زیادی اجزای نیمه رسانا دارند، هنگامی که تعداد سطوح خروجی افزایش یابد. به این دلایل، کاهش اجزای نیمه رسانا و همچنین عناصر پسیو به یک نگرانی مهم تبدیل شده است که رفع آنها باعث کاهش اندازه و وزن کل سیستم و کاهش تلفات رسانایی و کلیدزنی همراه با بهبود بازده می شود.

این مقاله یک توپولوژی MLI سه فاز جدید با کاهش قابل توجه تعداد عناصر مداری و همچنین کلیدهای نیمه رسانای اکتیو برای کاربردهای مرتبط با توان پایین و متوسط در ریزشبکه ها و سیستم های ذخیره انرژی پیشنهاد می کند که باعث شده تا این سیستم، فشرده تر و سبک تر شود. علاوه بر آن، توپولوژی ارائه شده تنها از یک منبع ولتاژ ورودی DC اصلی برای هر فاز و چندین خازن لینک DC به عنوان منابع ولتاژ DC کوچک کمکی استفاده می کند که این امر نیاز به منابع ولتاژ DC ایزوله با ذخیره بارهای الکتریکی و فراهم کردن انرژی لازم را برطرف می کند. همچنین توپولوژی پیشنهادی بهبود بازده با تلفات کمتر و مقدار کمتر TSV حاصل می کند که در نتیجه هزینه کلی تجهیزات را در مقایسه با توپولوژی های موجود، کاهش می دهد. براساس توپولوژی پیشنهادی، هرگونه سطح خروجی مطلوب را می توان در دامنه ولتاژ کم بدست آورد، زیرا حاوی یک واحد H-پل برای تولید نیم سیکل منفی ولتاژ خروجی است. اما، برای اجتناب از مسئله شارژ خازن متوازن، یک مدار شارژ اضافه، در حین اجرای آزمایشی به ترمینال ورودی متصل می شود. توپولوژی پیشنهادی از نظر اجزاء استفاده شده در تک فاز با توپوپولوژی های MLI تک فاز موجود، مقایسه می شود تا عملکرد کاربردهای ولتاژ کم و متوسط، تایید گردد.

این مقاله مربوط به سال 2020 بوده و از مقالات معتبر سایت IEEE می باشد. این مقاله در محیط نرم افزار متلب (MATLAB) شبیه سازی شده و در ادامه نیز تعدادی از تصاویر مربوط به محیط شبیه سازی و خروجی های آن قرار داده شده است:

در این پروژه برای 5 سطحی مدار فاز A به صورت زیر شبیه سازی شده است:

نتایج حاصل از شبیه سازی به صورت زیر می باشند:

شکل موج ولتاژ خط:

شکل موج ولتاژ فاز:

شکل موج جریان بار:

طیف فرکانسی ولتاژ خط:

این نتایج مربوط به حالت 5 سطحی بود. حالات مربوط به 9 سطحی، 13 سطحی و 39 سطحی نیز در این پروژه به طور دقیق شبیه سازی شده اند و نتایج آنها نیز در فایل گزارشکار، ارائه شده اند.

در این پروژه، یک اینورتر چند سطحی سه فاز جدید با استفاده از یک ذخیره انرژی یا باتری به عنوان منبع ولتاژ DC برای هر فاز، معرفی می شود. در توضیحات نظری، محاسبات تعداد کل اجزاء مورد نیاز، یعنی خازن ها و تلفات همراه با اصول کار و طرح مدولاسیون اینورتر پیشنهادی برای یک انشعاب تک فاز، با شکل مدارات و شکل موج های مربوطه، ارائه شدند. عملکرد اینورتر چندسطحی پیشنهادی بوسیله تحلیل شبیه سازی و تجربی برای سطوح ولتاژ خروجی مختلف، از نظر تعداد خازن ها، تایید شد. با توجه به همه جنبه ها، اینورتر پیشنهادی، این مزیت ها را فراهم می کند:

1. نیاز به تعداد اجزاء کمتری نسبت به توپولوژی های اخیراً پیشنهاد شده دارد
2. مقدار کمتری تلفات تولید می کند و در نتیجه بازده افزایش می یابد
3. عملکرد از نظر THD ولتاژ و جریان خروجی بهینه در فرکانس کلیدزنی کم، فراهم می کند
4. مقدار TSV آن برای یک سطح معین، کمتر از توپولوژی های دیگر است که در نتیجه مقادیر اسمی ولتاژ و جریان ادوات را به حداقل می رساند و باعث کاهش هزینه های تجهیزات می شود.

بنابراین، اینورتر پیشنهادی، یک توپولوژی فشرده و سبک وزن حاصل می کند که همه تقاضاهای عمده در حوزه منابع تجدیدپذیر و در سیستم های ذخیره انرژی برای کاربردهای توان و ولتاژ کم و متوسط را برآورده می کند.