عنوان

ارائه ساختار بهینه برای اینورتر چند سطحی مبتنی بر ساختارهای خازن کلیدزنی شونده تغذیه شونده از پانل خورشیدی با قابلیت اتصال به شبکه

پ۲۸۵۳۰

per

ارائه ساختار بهینه برای اینورتر چند سطحی مبتنی بر ساختارهای خازن کلیدزنی شونده تغذیه شونده از پانل خورشیدی با قابلیت اتصال به شبکه

طلا همتی شاهسوار

برق و کامپیوتر

۱۴۰۱

۱۳۰ص.

سی دی

دکتری

مهندسي برق گرايش قدرت

۱۴۰۱/۰۹/۲۹

هدف اصلي از ارائه اين رساله بررسي ساختارهاي موجود براي اينورتر‌هاي چندسطحی مبتنی بر مدارهای خازن کلیدزنی شونده و سپس پيشنهاد ساختارهایی با ويژگي‌هاي بهبود يافته است. از جمله شاخص‌هايي که در ارزيابي عمل‌کرد اين مبدل‌ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت، قابلیت تغییر ولتاژ ورودی در سمت خروجی، قابلیت حذف جریان هجومی شارژ خازن، قابلیت کاهش و یا حذف جریان نشتی است. در اين رساله پس از بررسي ساختارها، اینورتر پنج سطحی مبتنی بر مدار خازن کلیدزنی شونده معرفی می¬شود. اینورتر پنج سطحی خازن کلیدزنی شونده پیشنهادی، قادر به تولید پنج سطح مجزا در خروجی است. هم-چنین، این ساختار دارای معماری زمین مشترک است. در این نوع از معماری، جریان نشتی به طور کامل حذف می¬شود که ویژگی مهمی در اینورترهای تغذیه شونده از پانل¬های خورشیدی است که بدون ترانس به شبکه متصل می¬شوند. عیب عمده این ساختار، بهره ولتاژ واحد آن و جریان هجومی گذرا از خازن¬ها برای شارژ آن¬ها است. مدهای کاری این ساختار به طور کامل بررسی می¬شوند. اینورتر پنج سطحی خازن کلیدزنی شونده در محیط PSCAD شبیه¬سازی خواهد شد. در این شبیه¬سازی، اینورتر پیشنهادی از ماژول فتوولتاییکی تغذیه خواهد شد و با اعمال روش کنترل هیسترزیس به شبکه وصل خواهد شد تا عملکرد آن مورد بررسی قرار گیرد. با بررسی مزایا و معایب این ساختار، اینورتر هفت سطحی دیگری معرفی می¬شود که هدف از آن رفع محدودیت¬های معرفی شده در ساختار پیشنهادی اول است. یکی از معایب اینورتر پنج سطحی خازن کلیدزنی شونده پیشنهادی که در اینورتر هفت سطحی خازن کلیدزنی شونده برطرف شده است، حذف جریان هجومی خازن¬ها به هنگام شارژ است. هم¬چنین، برخلاف بهره ولتاژ واحد اینورتر پنج سطحی پیشنهادی، اینورتر هفت سطحی پیشنهادی دارای بهره ولتاژ دینامیکی است. با این حال، اینورتر هفت سطحی پیشنهادی قادر به حذف کامل جریان نشتی به هنگام اتصال به شبکه نیست و نیازمند اعمال روش مدولاسیون برای کاهش جریان نشتی است. حالت¬های کلیدزنی و نحوه طراحی ظرفیت قطعات ذخیره¬کننده انرژی در این ساختار بررسی خواهد شد. سپس، به منظور بررسی برخی از ویژگی¬های اینورتر هفت سطحی پیشنهادی، این ساختار با سایر اینورترهای هفت سطحی مقایسه خواهد شد. در ادامه، این ساختار در محیط MATLAB/Simulink شبیه¬سازی خواهد شد. هدف از این شبیه-سازی، بررسی قابلیت تولید هفت سطح مجزا در خروجی، بررسی قابلیت تقویت ولتاژ، بررسی امکان تغذیه اینورتر هفت سطحی خازن کلیدزنی شونده پیشنهادی از ماژول¬های فتوولتاییکی و امکان اخذ بیشینه توان و بررسی قابلیت اتصال اینورتر پیشنهادی به شبکه و امکان کاهش جریان نشتی است. در نهایت، صحت سنجی عملکرد اینورترهفت سطحی خازن کلیدزنی پیشنهادی توسط نمونه آزمایشگاهی بررسی خواهد شد. در ادامه، مبدل دو منظوره dc-dc/ac دیگری معرفی خواهد شد. شایان ذکر است که اینورترهایی که در سال¬های اخیر معرفی شده¬اند، قابلیت کار در مد dc-dc و مد کاری dc-ac دارند. در این رساله، سعی شده است عملکرد مبدل دو منظوره پیشنهادی به طور مفصل در مد کاری dc-dc و مد کاری dc-ac بررسی شود. این مبدل، مبتنی بر مدار تما¬پل خازنی و مبدل بوست است و دارای معماری زمین مشترک است. مزیت عمده این مبدل نسبت به اینورتر پنج سطحی خازن کلیدزنی شونده پیشنهادی، قابلیت افزایش و کاهش ولتاژ و شارژ نرم خازن¬ها است. هم¬چنین، مزیت عمده آن نسبت به اینورتر هفت سطحی پیشنهادی، معماری زمین مشترک آن است. حالت¬های کلیدزنی این مبدل در دو مد کاری dc-dc و dc-ac بررسی خواهد شد. صحت سنجی عملکرد مبدل دومنظوره پیشنهادی توسط یک نمونه آزمایشگاهی بررسی خواهد شد. این ساختار به همراه چند ساختار دیگر در محیط PSIM شبیه¬سازی خواهند شد تا ویژگی¬های آن¬ها در شرایط یکسان مورد بررسی قرار گیرد.

In this thesis, it is aimed to investigate the existing multilevel inverters based on switched capacitor circuits and then to propose new structures. Some features such as the ability to step up and to step down the voltage, the ability to eliminate the inrush currents, and the ability to reduce or eliminate the leakage current are used to design new structures. A new five-level switched-capacitor based inverter is introduced. The proposed inverter is capable of producing five distinct levels in the output side. Also, this structure has a common ground architecture in which the leakage current is completely eliminated. This is an important and positive feature in the transformer-less grid-tied photovoltaic inverters. However, this structure has a unity voltage gain. It also suffers high magnitude inrush currents while its capacitors are being charged. The switching states of this structure are explained. It is also simulated in PSCAD software. In this simulation, the proposed five-level switched-capacitor inverter is fed by the photovoltaic module and is connected to the power grid by applying the hysteresis control method. The second proposed structure is a seven-level switched-capacitor based inverter. In this structure, some of the disadvantages of the proposed five-level switched capacitor-based inverter are tackled. As mentioned before, one of the shortcomings of the proposed five-level switching capacitor inverter is the current spikes of the capacitors while they are being charged. A charging inductor is used in the proposed seven-level inverter to charge the capacitors smoothly and to avoid the current spikes. Also, unlike the unity voltage gain of the proposed five-level inverter, the proposed seven-level inverter has a dynamic voltage gain. However, leakage current appears when it is connected to the grid. As a result, it needs to apply a proper modulation method to reduce the leakage current. The switching states and the designing of the energy storage elements are investigated. The proposed seven-level switched-capacitor based inverter is compared with other seven-level inverters. It is simulated in the MATLAB/Simulink environment. The purpose of this simulation is to examine its ability to produce seven separate levels in the output, its ability to boost the voltage, its performance when it is fed by photovoltaic modules and the possibility of obtaining the maximum power point, and finally to connect the proposed inverter to the grid. The validation of the performance of the proposed seven-level switched capacitor-based inverter is tested by a laboratory prototype.The third proposed structure is a dual-purpose dc-dc/ac converter. It is worth mentioning that the inverters that have been introduced in recent years have the ability to work under dc-dc mode and dc-ac mode. In this thesis, it has been tried to investigate the performance of the proposed dual-purpose converter under dc-dc and dc-ac modes in details. This converter is based on a floating capacitor circuit and has a common ground architecture. The main advantage of this converter compared to the proposed five-level switching capacitor inverter is the ability to step up and to step down the voltage and soft charging of capacitors. Also, its major advantage over the proposed seven-level inverter is its common ground architecture. The switching modes of this converter is described under two dc-dc and dc-ac modes. A laboratory prototype is built to validate of the performance of the proposed dual-purpose. This structure along with several other structures are simulated in PSIM environment to highlight their features.

Improved Grid-Connected Multilevel Inverters for Photovoltaic Applications using Switched-Capacitor based Structures

همتی شاهسوار،

طلا

تهیه کننده

‏بابائي،

صباحی،

آرش خشکبار صدیق،

ابراهيم

مهران

استاد راهنما

استاد راهنما