عنوان

طراحی و پیادهسازی ساختار بهبودیافته برای مبدلهای DC-DCدوطرفه چنددرگاهه

شماره

پ۲۴۲۵۸

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

طراحی و پیادهسازی ساختار بهبودیافته برای مبدلهای DC-DCدوطرفه چنددرگاهه

نام نخستين پديدآور

توحید جلیلزاده

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مهندسی برق و کامپیوتر

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۳۹۹

نام خاص و کميت اثر

۱۲۸ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

دکتری

نظم درجات

برق قدرت گرايش الکترونیک قدرت

زمان اعطا مدرک

۱۳۹۹/۱۱/۳۰

متن يادداشت

امروزه بهدليل آگاهي جوامع از محيط زيست و پيشرفتهای فناوری همراه با کاهش هزينههای توليد، کاربردانرژیهای تجديدپذير مانند فتوولتائيک، باد و پيلهای سوختي رواج فزايندهای پيدا کرده است. تبديل توان منابع انرژیتجديدپذير برای تأمين تقاضای بار و نياز شبکه، رديابي نقطه حداکثر توان و ادغام سيستم ذخيرهکننده انرژی برای حلچالشهای ماهيت تناوبي منابع و غيرقابل پيشبينيبودن تقاضای بار توسط مبدلهای الکترونيک قدرت انجام ميگيرد. به-منظور بهبود راندمان و چگالي توان مدار کلي، استفاده از يک مبدل DC-DCچنددرگاهه که شامل يک يا چند درگاهورودی DCبرای منبع تجديدپذير، يک درگاه ورودی دوطرفه DCبرای سيستم ذخيرهکننده انرژی و يک يا چند درگاهخروجي DCبرای تغذيه بارها يک راهحل مطلوب نسبت به روش مرسوم است که در آن يک مبدل برای هر کدام از منابعتجديدپذير و يک مبدل ديگر برای سيستم ذخيرهکننده انرژی لازم است. مبدلهای DC-DCچنددرگاهه در کاربردهایمختلفي همچون خودروهای الکتريکي و سيستمهای قدرت هيبريد که شامل منابع انرژی تجديدپذير (پانل فتوولتائيک، پيلسوختي و ..). و عناصر ذخيرهکننده انرژی (باتری، ابرخازن) ميباشند، از اهميت و جايگاه ويژهای برخوردار هستند.ويژگيهای اين نوع مبدلها باعث شده است تا مطالعات گوناگوني روی اين دسته از ادوات الکترونيک قدرت صورت گيرد کهازجمله آنها ميتوان به تحقيق روی ساختار مبدلهای DC-DCچنددرگاهه و تحقيق روی روشهای کنترلي اشاره کرد. درسالهای اخير بسياری از مبدلهای DC-DCچنددرگاهه در مراجع ارائه شده است. هر يک از اين مبدلها ساختار و اصولعملکرد خود را دارند که منجر به پيچيدگيهای مختلف، تعداد اجزای متفاوت، قابليت اطمينان و راندمان متفاوت شدهاست. اين ساختارها باوجود مزايای زياد همچنان دارای معايب و اشکالاتي هستند. بنابراين هنوز جای تحقيق و توسعه دراين زمينه وجود دارد. ارائه ساختارهای جديد مبدلهای DC-DCچنددرگاهه با روشهای کنترلي مناسب بهمنظورفراهمکردن قابليتهای شارش توان دوطرفه، عملکرد در مدهای کاهنده، افزاينده و کاهنده-افزاينده و استفاده از تعدادعناصر کمتر در اين زمينه همچنان ضروری است.در اين رساله ساختارهای جديد و بهبوديافته از مبدلهای DC-DCدوطرفه چنددرگاهه پيشنهاد شده است. قبل از پيشنهادساختارهای دوطرفه، ابتدا دو ساختار يکطرفه چنددرگاهه جديد که ساختارهای دوطرفه پيشنهادی از اين دو ساختار ناشيميشوند، ارائه شده و مورد بررسي و تحليل قرار ميگيرند. يکي از اين ساختارهای بررسيشده يک مبدل DC-DCدوورودیدوخروجي افزاينده است که در آن از سلول سلفهای کليدزنيشده برای افزايش بهره ولتاژ استفاده شده است. ساختاربررسيشده دوم نيز يک مبدل DC-DCدوورودی دوخروجي است بهطوریکه تعداد درگاههای ورودی و خروجي قابلتوسعه به nدرگاه ميباشند. اين مبدل يک مبدل با بهره ولتاژ بالا بوده و منابع ورودی دارای جريانهای پيوسته هستند. درهر دو ساختارهای ذکرشده فوق درگاههای ورودی يکطرفه و غيرقابل شارژ ميباشند.در ساختار پيشنهادی اول يک مبدل DC-DCدوورودی دوخروجي غيرايزوله با قابليت شارش توان دوطرفه ارائه شده است.در اين مبدل يکي از درگاههای ورودی دوطرفه بوده و امکان شارژ و دشارژ باتری را فراهم ميکند درحاليکه درگاه ورودیديگر يکطرفه در نظر گرفته شده است. بهمنظور شارژ عنصر ذخيرهکننده انرژی يکي از درگاههای خروجي نيز دوطرفه درنظر گرفته شده است. در اين ساختار جريانهای ورودی پيوسته بوده بهطوریکه شارژ و دشارژ باتری تحت جريان پيوستهصورت ميگيرد. مزيت ديگر اين ساختار پيشنهادی پايينبودن تنش حداکثر ولتاژ پريونيتشده نيمههادیهاست که امکاناستفاده از کليدهای ماسفت با مقاومت حالت روشن کوچک و ديودهای با ولتاژ نامي پايين را فراهم کرده است که بهنوبه-خود منجر به کاهش تلفات کليدزني و هدايتي ميشود. ساختار پيشنهادی دوم يک ساختار دوطرفه دوورودی تکخروجيبميباشد بهطوریکه يکي از درگاههای ورودی بهمنظور شارژ و دشارژ باتری دوطرفه بوده و درگاه ديگر يکطرفه در نظرگرفته شده است. اين ساختار قابل تعميم به nدرگاه ورودی يکطرفه بوده که جريان تمامي اين درگاهها پيوسته است. ازمزايای ديگر اين مبدل ميتوان به تنش حداکثر ولتاژ پريونيتشده کاهشيافته روی نيمههادیها، پيوستهبودن جريان شارژو دشارژ باتری و قابليت افزايندگي ولتاژ اشاره کرد که برای سيستمهای انرژی فتوولتائيک/باتری مناسب ميباشد بهطوریکهتوان تقاضاشده توسط بار بهصورتمجزا و نيز همزمان توسط منابع قابل تأمين است. از طرفي فرآيند شارژ باتری توسط منبعديگر و نيز توسط انرژی برگشتي از خروجي قابل انجام است.با تحليل ساختارهای پيشنهادی در يک دوره تناوب کامل کليدزني و در مدهای کاری مختلف محاسبات لازم انجام گرفته وروابط اصلي و کليدی استخراج شدهاند. برای طراحي سيستم کنترلي ساختارهای پيشنهادی ابتدا معادلات ديناميکي وسپس مدل سيگنال کوچک مبدلها استخراج شده است. روش کنترلي استفادهشده برای مبدلها روش فيدبک حالتموسوم به جایدهي قطبها است. برای اثبات مزايای ساختارهای پيشنهادی، مقايسهای بين اين ساختارها با ساختارهایموجود در مراجع انجام گرفته است. بهمنظور شبيهسازی ساختارهای پيشنهادی از نرمافزار PSCAD/EMTDCو برای رسمنمودارهای Bodeاز نرمافزار MATLABاستفاده شده است. برای تأييد صحت نتايج تحليل تئوری و شبيهسازی، نتايجآزمايشگاهي ساختارهای پيشنهادی ارائه شده است برای تأييد صحت نتايج تحليل تئوری و شبيهسازی، نتايجآزمايشگاهي ساختارهای پيشنهادی ارائه شده است

متن يادداشت

Today, due to communities' awareness of the environment and technological advances, along withreducing production costs, the application of renewable energy sources such as photovoltaics, wind, and fuelcells has become increasingly popular. power conversion of Renewable energy sources to meet load demandand grid needs, maximum power point tracking, and integration of the energy storage system to solve thechallenges of the alternative nature of resources and unpredictability of load demand are done by powerelectronic converters. To improve the efficiency and power density of the overall circuit, use a multi-port DCDC converter that includes one or more DC input ports for the renewable source, a bidirectional DC input portfor the energy storage system, and one or more DC output ports for supplying the load is often a bettersolution than the conventional method, in which one converter is needed for each renewable source andanother for the energy storage system. Multi-port DC-DC converters have a special place in variousapplications such as electric vehicles and hybrid power systems, which include renewable energy sources(photovoltaic panel, fuel cell, etc.) and energy storage elements (battery, supercapacitor). The characteristicsof this type of converters have led to various studies on this category of power electronics, including researchon the structure of multi-port DC-DC converters and research on control methods. In recent years, manymulti-port DC-DC converters have been introduced in the references. Each of these converters has itsstructure and principles of operation, which has led to different complexities, the different number ofcomponents, different reliability, and efficiency. Despite their many advantages, these structures still havedisadvantages and drawbacks. So there is still room for research and development in this area. It is alsoessential to provide new structures for multi-port DC-DC converters with suitable control methods to providebidirectional power flow capabilities, operation in buck, boost, and buck-boost modes, and using fewerelements in this field.In this paper, new and improved structures of multi-port DC-DC converters are proposed. Before proposingbidirectional structures, at first two new multi-port unidirectional structures from which the proposedbidirectional structures arise are presented and examined, and analyzed. One of these structures studied is aDC-DC dual-input, dual-output step-up converter in which the switched-inductor cell is used to increase thevoltage gain. The second structure under consideration is a dual-input dual-output DC-DC converter so thatthe number of input and output ports can be expanded to n ports. This converter is a converter with highvoltage gain and the input sources have continuous currents. In both structures mentioned above, the inputports unidirectional and non-rechargeable.In the first proposed structure, a non-isolated dual-input dual-output DC-DC converter with bidirectionalpower flow capability is presented. In this converter, one of the input ports is bidirectional and allows thebattery to be charged and discharged, while the other input port is considered unidirectional. To charge theenergy storage element, one of the output ports is also considered bidirectional. In this structure, the inputcurrents are continuous so that the battery is charged and discharged under continuous current. Anotheradvantage of this proposed structure is the low normalized peak voltage stress of the semiconductors, whichmakes it possible to use MOSFET switches with small ON-state resistance and low-rated voltage diodes,which in turn reduces the switching and conduction losses. The second proposed structure is a bidirectionaldual-input single-output structure, in which one of the input ports is bidirectional for battery charging anddischarging, and the other is unidirectional. This structure can be generalized to n unidirectional input ports,that current of all these ports is continuous. Other advantages of this converter include the reduced normalizedpeak voltage stress of the semiconductors, the continuous charging and discharging current of the battery, andthe ability to increase the voltage, which is suitable for photovoltaic/battery energy systems so that the powerrequested by the load can be provided separately and simultaneously by the sources. besides, the process ofcharging the battery can be done by another source as well as by the energy returned from the output.By analyzing the proposed structures in a complete switching period and different operating modes, thenecessary calculations have been performed and the main and key relationships have been extracted. Todesign the control system of the proposed structures, first the dynamic equations and then the small-signalmodel of the converters are extracted. The control method used for converters is the feedback method calledpole placement. To prove the advantages of the proposed structures, a comparison has been made betweenthese structures and the existing structures in the references. PSCAD/EMTDC software was used to simulatethe proposed structures and MATLAB software was used to draw Bode diagrams. To confirm the results oftheoretical analysis and simulation, laboratory results of proposed structures are presented.

عنوان گونه گون

Design and Implementation of the Improved Structure for Multi-Port Bidirectional DC-DC Converters

عنصر شناسه اي

‏‏جلیل زاده،

ساير عناصر نام

‏ توحید

کد نقش

تهيه کننده

عنصر شناسه اي

‏رستمی،

عنصر شناسه اي

‏بابایی،

عنصر شناسه اي

‏حسینی،

ساير عناصر نام

‏‏ نقی

ساير عناصر نام

‏‏ ابراهیم

ساير عناصر نام

‏ سید حسین

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد مشاور

تاريخ

استاد مشاور

عنصر شناسه اي

‏ تبریز