آموزش مبدل الکترونیک قدرت

مبدل‌های الکترونیک قدرت، دستگاه‌هایی هستند که برای تبدیل ولتاژ، جریان یا فرکانس بین سیستم‌های الکترونیک قدرت استفاده می‌شوند. این مبدل‌ها در صنایع مختلفی مانند صنعت خودروسازی، صنعت نیروگاهی، صنعت راه‌آهن و سایر برنامه‌های قدرت استفاده می‌شوند.

برای آموزش مبدل‌های الکترونیک قدرت، شما باید به عناصر و مفاهیم پایه این مبدل‌ها آشنا شوید. در ادامه، برخی از عناصر و مفاهیم پایه مبدل‌های الکترونیک قدرت را برایتان توضیح می‌دهم:

1. ترانزیستورها: ترانزیستورها به عنوان کلیدهای الکترونیکی در مدارات مبدل قدرت استفاده می‌شوند. آن‌ها به صورت مخابراتی، کنترل جریان یا ولتاژ را از ورودی به خروجی مبدل کنترل می‌کنند.

2. دیودها: دیودها به عنوان تحریک کننده‌های تغییر جهت استفاده می‌شوند. آن‌ها برای تبدیل جریان AC به DC و برعکس استفاده می‌شوند.

3. کپاسیتورها و باتری‌ها: کپاسیتورها و باتری‌ها برای ذخیره انرژی در مدارات مبدل استفاده می‌شوند و می‌توانند به عنوان منابع تغذیه استفاده شوند.

4. ترانس‌ها: ترانس‌ها برای تغییر مقدار ولتاژ و جریان بین اینورتر و نیازهای بار استفاده می‌شوند.

5. IC (مدارهای مجتمع): مدارهای مجتمع الکترونیکی قدرت شامل تعداد زیادی قطعه الکترونیکی مختلف هستند که توسط یک پوسته مشترک به هم متصل شده‌اند. این مدارها برای کاهش حجم، هزینه و افزایش کارایی مبدل‌های الکترونیکی قدرت استفاده می‌شوند.

علاوه بر این، برای آموزش مبدل‌های الکترونیک قدرت، نیاز به دانش در زمینه تئوری سیستم‌های قدرت، الکترونیک قدرت و کنترل قدرت است. برای درک عمیق‌تر این مبدل‌ها، مطالعه کتب و منابع مرجع در زمینه الکترونیک قدرت و مبدل‌های قدرت می تواند مفید واقع شود. همچنین، دوره‌های آموزشی و دانشگاه‌ها می‌توانند به شما در درک و آموزش مبدل‌های الکترونیک قدرت کمک کنند

تحقق نیاز LVRT در توربین بادی DFIG متصل به شبکه قدرت به کمک DVR مبتنی بر مبدل چند سطحی MMCC-DSCC

امروزه بهره­ برداری از ژنراتور دو سو تغذیه در نیروگاه ­های بادی در حال گسترش می­ باشد، علت این امر راندمان بالای آن­ها نسبت به سایر ژنراتورها و انعطاف ­پذیری­ شان در کنترل توان­های اکتیو و راکتیو می­ باشد. یکی از مهم­ترین موضوعات در توربین­های بادی مجهز به ژنراتور القایی دو سو تغذیه (DFIG)، قابلیت عبور از ولتاژ پایین (LVRT) در هنگام وقوع خطا یا افت ولتاژ ناگهانی شبکه می ­باشد. نیاز LVRT به­ منظور عبور از ولتاژ پایین و متصل ماندن واحد تولیدی به شبکه، در هنگام هر نوع خطا مطرح می­ شود. در طی بروز خطا در شبکه الکتریکی، جریان سیم­ پیچی­های استاتور افزایش می­ یابد و به دلیل تزویج مغناطیسی میان سیم­ پیچی­ های روتور و استاتور این جریان در سیم ­پیچ­ های روتور و مبدل الکترونیک قدرت طرف روتور نیز ظاهر می­گردد و منجر به آسیب دیدن سیم­پیچ­ های روتور و مبدل طرف روتور و از مدار خارج شدن DFIG می­ شود، در نتیجه باید با اعمال روش­هایی مانع از صدمه دیدن مدار روتور و مبدل آن و خروج DFIG از شبکه شد. در این مقاله به منظور بهبود قابلیت عبور از ولتاژ پایین توربین بادی مجهز به DFIG از بازیاب دینامیکی ولتاژ (DVR) مبتنی بر اینورتر چند سطحی مدولار شده با اتصال آبشاری بر پایه ساختار نیم سلولی با اتصال ستاره دوبل (MMCC-DSCC) استفاده شده است. با جبران­ سازی افت ولتاژ توسط DVR پیشنهادی، امکان عملکرد عادی DFIG در حین وقوع خطا (افت ولتاژ) فراهم می­ شود. با توجه به عملکرد DFIG در شرایط خطا مقدار ولتاژ تزریقی توسط DVR بسیار حائز اهمیت بوده زیرا افزایش بیش از حد ولتاژ، عملکرد سیستم را تحت تاثیر قرار می­ دهد. به منظور رفع این مشکل و افزایش قابلیت پایدار ماندن پس از وقوع خطا، از سیستم کنترل تناسبی-انتگرالی (PI) استفاده شده است و جهت کاهش هارمونیک­های ولتاژ تزریقی DVR از اینورتر چند سطحی (MMCC-DSCC) در ساختار DVR بهره گرفته­ ایم. نتایج به دست آمده از شبیه­ سازی­ها در محیط نرم­ افزاری MATLAB/SIMULINK نشان می­ دهد که DVR پیشنهادی تاثیر بسیار خوبی در بهبود LVRT توربین بادی مجهز به DFIG دارد.

بهبود بار پذیری شبکه انتقال با استفاده از ادوات FACTS

سیستم های قدرت مدرن برای عرضه توان قابل اطمینان به مصرف کننده و بارهای مختلف طراحی شده اند. نیروگاه های تولید برق به دلیل مسائل زیست محیطی، اقتصادی و ایمنی در مکانهایی دورتر از مصرف کننده قرار گرفته اند. بنابراین، شبکه خطوط انتقال برق در ولتاژهای خیلی بالایی برای انتقال توان به بهره برداری می رسند. علاوه بر انتقال توان به مصرف کننده، خطوط انتقال ممکن است باعث اتصال چندین شبکه قدرت بزرگ شوند که اصطلاحا به آن سیستم های قدرت بهم پیوسته می گویند. این امر جدا از پیچیدگی که در سیستم به وجود می آورد، باعث افزایش قابلیت اطمینان و همچنین مسائل مربوط به بازار برق می شود.

۲-۱- اساس کارکرد شبکه های انتقال توان

اکثر خطوط انتقال که بصورت AC هستند، تحت ولتاژهای مختلفی عمل می کنند. شبکه های توزیع در ولتاژهای پایین عمل میکنند در حالیکه شبکه های بزرگ دارای ولتاژهای بالایی هستند. خطوط انتقال با ولتاژهای مختلف توسط ترانسفورماتورها به یکدیگر متصل می شوند. خوشبختانه خطوط انتقال ac دارای خاصیت کنترل توان ذاتی هستند که توسط توان در ابتدا و انتهای خط تعیین می شود. بعنوان مثال، یک خط انتقال توان را در نظر بگیرید که بین یک نیروگاه و مصرف کننده قرار گرفته است که در شکل ۱ نشان داده شده است. با فرض اینکه خط بدون تلفات باشد (R=0) روابط زیر بر مدار حاکم است.

​

در رابطه بالا، X راکتانس سری خط است. V1 و V2 به ترتیب ولتاژ سمت ارسال و ولتاژ سمت دریافت می باشند. در رابطه بالا اختلاف زاویه ولتاژها میزان توان اکتیو انتقالی را مشخص می کنند و اختلاف دامنه ولتاژها میزان توان راکتیو انتقالی در خط را تعیین می کنند.

قابلیت اطمینان در سمت باسبار با اضافه کردن یک منبع تولید توان همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است قابل بهبود است. همانطور که در شکل ۱ مشاهده می شود، در صورتی که یکی از منابع یا خطوط انتقال از مدار خارج شود، تقاضای بار مصرف کننده توسط خط انتقال دیگر تامین می شود.

در کنار سیستم های انتقال ac، سیستم های انتقال توان HVDC نیز وجود دارند. سیستم های HVDC نیاز به مبدل های الکترونیک قدرت دارند که این باعث گران شدن این سیستم ها می شود. علاوه بر این، سیستم های HVDC برای فاصله های خیلی طولانی و سیستم های خیلی بزرگ استفاده می شوند. این سیستم انتقال توان از مبدل های پشت به پشت استفاده میکند. به این صورت که توان ac را ابتدا به dc تبدیل کرده و سپس این توان dc را به محل مورد نظر (انتهای خط HVDC) منتقل میکند و سپس دوباره در آنجا به ac تبدیل می کند.

۳-۱- کنترل سیلان توان در شبکه های انتقال ac

ما تمایل داریم سیلان توان در خطوط انتقال را برای افزایش ظرفیت انتقال توان کنترل کنیم و یا سیلان توان را تحت شرایط دینامیکی برای تضمین پایداری و امنیت سیستم تغییر دهیم. پایداری سیستم متأثر از افزایش یا کاهش کمی در فرکانس سیستم، نوسانات توان و فروپاشی ولتاژ می باشد. با توجه به شکل ۱، ماکزیم توان انتقالی در حالتی اتفاق می افتد که اختلاف زاویه ولتاژهای ابتدا و انتهای خط ۹۰ درجه باشد که در این صورت رابطه زیر برای انتقال توان ماکزیمم صادق است.

​

بطور مرسوم، جبرانسازی سری توسط خازن های سری در خط ماکزیمم توان انتقالی Pmax را افزایش می دهد. در این حالت مقدار خازن مورد نیاز برای جبرانسازی توسط رابطه زیر تعیین می شود.

​

در رابطه فوق Kse درجه جبرانسازی سری است. ماکزیمم مقدار Kse به عوامل زیادی بستگی دارد که مقاومت هادی یکی از آنها می باشد. بطور کلی Kse بیشتر از ۰٫۷ انتخاب نمی شود. استفاده از خازن های سری برای جبرانسازی در خطوط انتقال و افزایش ظرفیت خط انتقال از سال های دور استفاده شده است. با این وجود ۱۰ الی ۱۵ سال بعد، کنترل جبرانسازی سری با استفاده از تریستور برای کنترل سریع سیلان توان در خطوط انتقال معرفی شد. استفاده از راکتورهای کنترل شده تریستوری TCR که به صورت موازی با خازن های جبرانساز Xc قرار داشتند، علاوه بر کنترل جبرانسازی بر مشکلاتی از قبیل نوسانات زیرسنکرون غلبه می کرد. زیرا یکی از مشکلاتی که جبرانسازی سری در خطوط انتقال ایجاد می کند، نوسانات زیر سنکرون یا SSR است.

سیلان توان در خطوط با طول کوتاه توسط ترانسفورماتور شیفت فاز PST کنترل می شود که یک نسبت دور با دامنه واحد دارد. سیلان توان در یک خط انتقال بدون تلفات با یک PST بصورت زیر بیان می شود.

​

PST کنترل شده بصورت دستی تحت شرایط دینامیکی به اندازه کافی سریع نیست. کلیدهای تریستوری می توانند کنترل سریع مقایر گسسته  را با توجه به ساختار PST استفاده شده تضمین کنند. همچنین، ماکزیمم توان انتقالی خط می تواند توسط ولتاژ سمت دریافت خط ac افزایش یابد. زمانیکه یک ژنراتور یک بار با ضریب توان واحد را تغذیه می کند، ماکزیمم توان زمانی اتفاق می افتد که مقاومت بار با مقاوت خط انتقال برابر باشد. قابل ذکر است که V2 با تغییر بار تغییر میکند و بصورت زیر بیان می شود.

​

با ارائه جبرانسازی دینامیکی توان راکتیو در باس بار (باس ۲)، همانطور که در شکل ۳ قابل مشاهده است، دامنه ولتاژ باس نیز قابل تنظیم است.

​

​

اینورتر منبع امپدانس

در الکترونیک قدرت، مبدل‌ها یا اینورترها دو نوع رایج و سنتی دارند: مبدل یا اینورتر منبع ولتاژ (یا تغذیه شده با ولتاژ) و مبدل یا اینورتر منبع جریان (یا تغذیه شده با جریان). این دو نوع مبدل معایبی دارند که منجر به معرفی یک پیکربندی جدید به نام مبدل یا اینورتر منبع امپدانس شده است. در این آموزش، اینورتر منبع امپدانس را معرفی خواهیم کرد.

اینورترهای منبع ولتاژ و جریان

شکل ۱ اینورتر منبع ولتاژ (V-Source Inverter) سه فاز را نشان می‌دهد. یک منبع ولتاژ DC با یک خازن نسبتاً بزرگ موازی شده که مدار مبدل اصلی (پل سه فاز) را تغذیه می‌کند. منبع ولتاژ DC می‌تواند باتری، پیل سوختی، یکسوساز دیودی و یا خازن باشد.

۱

در مدار اصلی از شش سوئیچ یا کلید استفاده شده است که هر کدام معمولاً از ترانزیستورهای قدرت و دیودهای هرزگرد تشکیل شده‌اند. اینورتر منبع ولتاژ در کاربردهای فراوانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته این مبدل معایب و محدودیت‌هایی نیز دارد:

• ولتاژ AC خروجی کمتر از ولتاژ لینک DC است و نمی‌تواند از آن بیشتر شود. به عبارت دیگر، ولتاژ‌ DC ورودی باید بزرگتر از ولتاژ‌ خروجی AC باشد. بنابراین می‌توان گفت که اینورتر منبع ولتاژ در تبدیل DC به AC یک اینورتر کاهنده و در تبدیل AC به DC یک یکسوساز افزاینده است. در صورت لزوم، معمولاً قبل از اینورتر یک مبدل افزاینده یا بوست قرار داده می‌شود و به این ترتیب مقدار خروجی مطلوب AC به دست می‌آید. البته این مبدل هزینه سیستم را افزایش داده و بازده آن را کم می‌کند.
• قطعات سوئیچینگ بالا و پایین هر یک ساق (Leg) فاز نمی‌توانند با هم یک عمل (روشن یا خاموش) را انجام دهند. زیرا اتصال کوتاه رخ خواهد داد و ممکن است به قطعات آسیب جدی وارد شود. همین زمان مرده برای جلوگیری از اتصال کوتاه، سبب مواردی چون اعوجاج شکل موج می‌شود.
• لازم است از یک فیلتر LC در خروجی استفاده کرد تا شکل موج خروجی سینوسی باشد. این مورد سبب تلفات توان و کنترل پیچیده‌تر سیستم می‌شود.