طراحي و ساخت  جبران كننده ايستاي توان راكتيو منبع ولتاژي براي جبران بار

 

 

كلمات كليدي: جبران كننده ايستاي توان راكتيو، SVC ، STATCOM، اينورتر چند سطحي.

 

چكيده

هدف، طراحي و ساخت يك جبران كننده ايستاي توان راكتيو از نوع منبع ولتاژي و بصورت چند سطحي بوده‌است،  يك اينورتر سه سطحي از نوع اينورترهاي متوالي با توان نامي +3KVAR  طراحي و ساخته شده‌است، و يك روش كنترلي بر اساس كنترل اختلاف فاز با استفاده از مدولاسيون برنامه‌ريزي و بهينه شده اجر شده‌است.

          مدارات پروژه شامل برد راه‌انداز كليدهاي الكترونيك قدرت، بردهاي اندازه‌گيري ولتاژ و جريانهاي فيدبك، برد پردازشگر اصلي و برد حفاظت از خازنها  بوده‌است.

 

 

 

Designed and Developed of  Voltage Source Static VAR Compensator for Load Compensation

 

 

 

Keyword: Static VAR Compensator, Statcom, Multilevel Inverter

 

Abstract:

 

Designed and Developed result of a Voltage Source Inverter Static VAR Compensator in Multilevel has been the goal of this Paper. One there Level  Cascade Inverter by + 3KVAR designed. A method for the control of phase difference with optimum Stored PWM pattern is also developed.

These boards are Gate drive for power switches , V&I feedback board, Main processor , capacitor protection.

 

 

طراحي و ساخت جبران كننده ايستاي توان راكتيو منبع ولتاژي براي جبران بار

 

 

كلمات كليدي: جبران كننده ايستاي توان راكتيو، SVC ، STATCOM، اينورتر چند سطحي.

 

چكيده

هدف، طراحي و ساخت يك جبران كننده ايستاي توان راكتيو از نوع منبع ولتاژي و بصورت چند سطحي بوده‌است،  يك اينورتر سه سطحي از نوع اينورترهاي متوالي با توان نامي +3KVAR  طراحي و ساخته شده‌است، و يك روش كنترلي بر اساس كنترل اختلاف فاز با استفاده از مدولاسيون برنامه‌ريزي و بهينه شده اجرا شده‌است.

                مدارات پروژه شامل برد راه‌انداز كليدهاي الكترونيك قدرت، بردهاي اندازه‌گيري ولتاژ و جريانهاي فيدبك، برد پردازشگر اصلي، برد حفاظت از خازنها  بوده‌است.

 

1-    مقدمه

                از پيشرفته‌ترين كنترل كننده‌هاي توان راكتيو كه در دو دهة اخير به مدد پيشرفت ساخت ادوات نيمه‌هاديهاي قدرت با توان بالا ارائه شده‌اند جبران كننده‌هاي ايستاي توان راكتيو ( SVC ) مي‌باشند. اين جبران كننده‌ها در مقايسه با جبران كننده‌هاي ديگر مزايايي مانند قابليت انعطاف بيشتر و سرعت پاسخ بالاتر دارند، يكي از آخرين انواع SVC نوع اينورتري آن معروف به STATCOM مي‌باشد كه نسبت به انواع قبلي مزايايي مانند استفاده از حداقل عناصر ذخيره كننده انرژي، فضاي كمتر مورد نياز و سرعت پاسخ بالاتر دارد، در اين جبران كننده‌ها از مبدلهاي DC/AC استفاده مي‌شود كه در حالت كلي مي‌توانند چند سطحي باشند. اينورترهاي چند سطحي نسبت به اينورترهاي متداول قابليت كار در توانها و ولتاژهاي بالاتري دارند و همچنين در فركانس كليدزني مشابه ميزات آلودگي كمتري به لحاظ هارمونيكي ايجاد مي‌كنند.

                از آنجا كه براي نمونه آزمايشگاهي طراحي، ساخت و تست يك سيستم تك فاز راحتتر است، جبران كننده مورد نظر بصورت تكفاز در نظر گرفته شد ولي در طراحي همواره سعي شد تا ملاحظاتي در نظر گرفته شود كه سيستم قابل گسترش به سه‌فاز هم باشد و يا اينكه بتوان براي هر فاز يك جبران كننده مستقل در نظر گرفت.طراحي براساس دو اينورتر متوالي انجام شده كه يك اينورتر پنج سطحي تكفاز را تشكيل مي‌دهد.

                در طراحي سعي شده كه همه متغيرهاي لازم بصورت نرم‌افزاري وجود داشته باشند تا انواع روشهاي مدولاسيون و كنترل قابل پياده سازي باشند و در انتها دو روش مدولاسيون و كنترل اجرا  شده‌است.

 

2- تقسيم بندي

يك جبرانساز ايستاي سنكرون با كنترل ميكروپروسسوري را مي‌توان بصورت شكل 1) تقسيم بندي نمود. هدف از تقسيم بندي مستقل سازي وظايف هر يك از بخشها و ريز كردن پروژه به بخشهاي كوچكتر است. در اينجا به توصيف مختصري از شرح وظايف هر يك از اين بخشها مي‌پردازيم.

شكل1) بلوك دياگرام جبران كننده طراحي شده

 

2-1-  حفاظت  ورودي

وظيفه اين بخش حفاظت كل سيستم شامل جبران كننده و بار در مقابل خطاهاي اضافه ولتاژ يا اضافه جريان است. از آنجا كه اين سيستم در حال تست بوده و به دفعات زياد آزمايش مي‌شود در مقابل وقوع خطا مستعد بوده و حفاظت در مقابل انواع خطاها از جمله اضافه ولتاژ و اضافه جريان بعلت خطاهاي سيستم و ناپايداري آن لازم به نظر مي‌رسد. اين قسمت شامل چهار نوع حفاظت زير مي‌باشد.

-          حفاظت اضافه جريان كم و بلند مدت

-          حفاظت اضافه جريان زياد و لحظه‌اي

-          حفاظت اضافه ولتاژ كم و بلند مدت

-          حفاظت اضافه ولتاژ زياد و لحظه‌اي

 

2-2- فيلتر ورودي

وظيفه اين بخش فيلتركردن جريان كل سيستم شامل جبران كننده و بار است تادرحد ممكن درشبكه برق شهري هارمونيكهاي كمتري تزريق گردد، وجود اين بخش از آن جهت لازم به نظر مي‌رسيد كه بدليل موقعيتهاي مختلف و زياد در تست، تأثير كاركرد سيستم بر شبكه بخصوص مصرف كننده‌هاي نزديك را كاهش دهيم، اين بخش از يك فيلتر LC تشكيل شده است.

شكل 2) فيلتر ورودي

 

2-3- بخش ترانسهاي جريان و ولتاژ

اين بخش از دو عدد ترانسفورماتور جريان و ولتاژ تشكيل شده است تا از جريان و ولتاژ مجموعه بار و جبران كننده اندازه گيري نمايند. ترانسفورماتور ولتاژ جهت تهيه سيگنالي متناسب و ايزوله از ولتاژ ورودي استفاده مي‌شود، نسبت تغييرات ولتاژ صفر تا 250 ولت اوليه به صفر تا 10 ولت ثانويه مي‌باشد.

ترانسفورماتور جريان جهت تهيه سيگنالي متناسب و ايزوله از مجموع جريان بار و  جبران كننده استفاده مي‌شود. نسبت تغييرات صفر تا 100 آمپرجريان اوليه به تغييرات صفر تا 250 ميلي آمپر ثانويه است. اين ترانسفورماتور در حالتهاي خطا و گذرا نبايد به اشباع يا ناحيه غير خطي نزديك گردد و به اين منظور دامنه كاركرد آن بزرگتر در نظر گرفته شده‌است.

 

2-4- بخش اتصال بار

اين بخش جهت اتصال بار امكاناتي را فراهم مي‌نمايد و بطور ساده مي‌تواند فقط شامل ترمينالهايي باشد، اين بخش به اين علت در نظر گرفته شده است تا موقعيت اتصال بار به سيستم مشخص باشد. در اين بخش امكانات ديگري نظير كليد، فيوز و محافظتهاي ديگر مي‌توان در نظر گرفت.

 

2-5- بخش راكتانس

اين بخش شامل يك سلف است كه راكتانس اصلي جبران كننده ايستاي توان راكتيو به منظور فيلتر سازي ولتاژ خروجي اينورتر مي‌باشد. مقدار سلف از رابطه اصلي جبران كننده توان راكتيو و مشخصات مورد نياز بدست آمده است و به صورت زير طراحي شده است:

(1)          

كه  α زاويه آتش پالسهاي اينورتر است ،اگر Vs برابر 220 ولت باشد و توان راكتيو +3KVAR تا –3KVAR  بخواهيم داشته باشيم آنگاه :

(2)                              L=10mH

(3)                                         IMAX=14A

 

2-6- كليدهاي اصلي

اين بخش شامل كليدهاي اصلي اينورتر از نوع IGBT مي‌باشد كه به صورت آرايش تمام پل و تك فاز بسته شده‌اند. همچنين مدارهاي اسنابري، ديودهاي موازي- معكوس، خازنهاي طرف DC در اين بخش هستند.

آرايش اين بخش بصورت دو اينورتر متوالي تك فاز  تمام پل است كه يك اينورتر تك فاز پنج سطحي را تشكيل مي‌دهند. كليدها از نوع IGBT همراه با ديودهاي موازي- معكوس هستند كه با توجه به نيازهاي طراحي  و المان بصرفه موجود در بازار ايران، المان SKM75GD123 از محصولات شركت SEMIKRON انتخاب شده است.

مدار اسنابر : با توجه به پيشنهاد سازندة كليدها و اينكه از نوع IGBT هستند، يك مدار اسنابر خازني ساده براي كليدها كفايت مي‌كند، كه با توجه به اين پيشنهاد از خازنهاي از نوع MKP با سلف بسيار كم در  نزديكترين نقطه به كليدها با اندازه  100nF تا  200nF  استفاده شده است.

مدار محافظت اتصال كوتاه: اين بخش شامل يك فيوز  و يك مدار تشخيص اضافه جريان است كه در صورت عبور جريان بيش از حد از خازن با اصال كوتاه نمودن مدار باعث سوختن فيوز مي‌شود.

محافظت در لحظه راه‌اندازي: چنانچه اينورتر را بصورت شكل 3) در نظر بگيريم در لحظه‌اي كه ولتاژ خازن پائين بوده و مدار به برق شهر متصل مي‌گردد مسيري از طريق ديودهاي موازي- معكوس براي شارژ اوليه خازن وجود دارد كه جريان اين شارژ اوليه مي‌تواند تا چندين برابر جريان نامي كليدها و ديودها باشد و حتي به خازنها نيز صدمه بزند ، براي جلوگيري از اين موضوع همواره مقاومتي با اين خازن سري بوده و در صورتي كه ولتاژ آن از حدي بيشتر شود توسط رله اي اين مقاومت اتصال كوتاه مي‌گردد.

شكل3) اينورتر و مدار محافظت راه‌اندازي

 

-          محاسبه اندازه خازن: اندازه خازن با توجه به مقدار تضاريس قابل تحمل براي بخش مدولاسيون و كنترل كننده بصورت زير محاسبه مي‌شود:

(4)

       

كه در طراحي مورد نظر مقدار ولتاژ خازنها را 310 ولت و مقدار تضاريس آنها را 40+  ولت در نظر گرفته شده‌است.

 

2-7- بخش فيدبك

اين بخش فيدبكهاي لازم را براي پردازشگر اصلي تهيه مي‌نمايد، فيدبكهاي لازم براي سيستم شامل اندازه ولتاژ خازنهاي طرف DC در اينورترها، اندازه و فاز جريان و ولتاژ سيستم مي‌باشند. اين سيگنالها قبل از رسيدن به پردازشگر اصلي و مبدل آنالوگ به ديجيتال بايد ايزوله و مهيا شده باشند كه در اين بخش انجام مي‌گيرد. اين بخش از دو  برد تشكيل شده است، يك برد اندازه‌گيري ولتاژ و جريان ورودي سيستم و برد دوم اندازه‌گيري ولتاژ خازنهاي طرف DC و مدار راه‌انداز رله حفاظت اين خازنها.

 

2-7-1-  برد اندازه‌گيري I و V

اين برد سيگنالهايي متناسب با ولتاژ و جريان سيستم متشكل از بار و جبران كننده را از ترانسهاي جريان و ولتاژ دريافت مي‌نمايد و در انتها اين سيگنالها را مطابق بلوك‌ دياگرام شكل4) براي مبدل آنالوگ به ديجيتال مربوطه در برد پردازشگر آماده مي‌سازد، همچنين سيگنالي هم فاز با فاز ولتاژ شبكه و فركانس 16 برابر آن نيز تهيه نموده و به پردازشگر مي‌دهد، لازم به ذكر است كه تمام وروديهاي اين برد توسط ترانسفورماتورها از بخش قدرت و برق شهر ايزوله شده‌اند و نيازي به ايزولاتور در اين برد نيست.

 

شكل 4) بلوك دياگرام برد اندازه‌گيري جريان و ولتاژ

 

 مدار قفل فاز و سنكرون كننده: اين بخش شامل دو بلوك بصورت شكل 5) مي‌باشدكه جهت تحقق مدار آشكار ساز عبور از صفر از يك تقويت كننده با گين مثبت و مشخصه هيستريزيس  استفاده شده است. در بخش مدار قفل فاز از تراشه LM565 با مدار پيشنهادي سازنده استفاده شده است، در مسير فيدبك آن از يك شمارنده چهار بيتي استفاده شده كه به اين وسيله يك ضرب كننده فركانس ايجاد شده است، از خروجي اين بخش براي سنكرون كردن سيستم با شبكه برق شهري استفاده شده است.

 

شكل 5) بلوك دياگرام مدار قفل فاز

 

شكل 6) مدار قفل فاز و ضرب كننده فركانس

 

2-7-2- ‌ برد اندازه‌گيري ولتاژ خازنهاي اينورترها و حفاظت آنها

وظيفه اين مدارات اندازه‌گيري  ولتاژ خازنهاي طرف DC اينورترها است، از آنجا كه بسته به نوع كليد زني، تلفات مدار و مقدار توان حقيقي جابجا شده ولتاژ طرف اتصال  DC تغيير مي‌كند و امكان افت يا افزايش ولتاژ آن از حد تعيين شده وجود دارد اين بخش ولتاژ خازنها را اندازه گيري نموده و بعد از ايزوله كردن براي مبدل آنالوگ به ديجيتال در بخش پردازشگر اصلي آماده مي‌نمايد.

وظيفه ديگر اين برد تحريك رله اي است كه مقاومت سري با خازن هاي مذكور را اتصال كوتاه مي‌كند، بدليل محدود كردن جريان راه‌اندازي اوليه ( وقتي كه ولتاژ خازنها پائين است ) مقاومتي بصورت عادي با خازن سري است  و چنانچه ولتاژ خازن از حدي بيشتر شد اين مدار رله‌اي را تحريك نموده و مقامت مذكور را اتصال كوتاه مي‌كند. بلوك دياگرام اين بخش بصورت شكل زير است.

شكل 7) بلوك دياگرام برد اندازه‌گير ولتاژ خازنها

 

2-8- منبع تغذيه

اين بخش وظيفه تهيه تغذيه‌هاي لازم براي بخشهاي ديگر را بعهده دارد، بخشهايي كه از اين بخش تغذيه مي‌شوند عبارتند از: بخش  پردازشگر اصلي، بخش فيدبك و بخش راه‌انداز كليدها.

اين بخش تغذيه‌هاي 5+ ، 12+  و12- ولت را براي اين بخشها تهيه مي‌نمايد كه از يكديگر ايزوله نمي‌باشند و زمين يكساني دارند، در مراحل آزمايشگاهي مي‌توان از منابع تغذيه موجود بجاي اين بخش استفاده نمود.

2-9- راه‌انداز كليدها

وظيفه اين بخش راه‌اندازي گيتهاي كليدها مي‌باشد، توسط پردازشگر اصلي زمان خاموش/روشن شدن كليدها به اين بخش اعلام مي‌گردد و اين بخش اين فرمانها را ايزوله نموده و به گيتها اعمال مي‌نمايد، وظيفه ديگر اين بخش حفاظت از كليدها در مقابل خطاهاي احتمالي و فيدبك دادن به پردازشگر اصلي در موقع وقوع خطا است.

اين برد به منظور راه‌اندازي، كنترل و حفاظت چهار كليد الكترونيكي قدرتي از نوع IGBT طراحي شده است كه بصورت دو كليد در يك ساق قرار گرفته‌اند، اين برد دو وظيفه ايزولاسيون سيگنالهاي فرمان و محافظت كليدها را در برابر عدم كاركرد صحيح و ايجاد زمان مرده بين فرمان دو كليد را دارا مي‌باشد. بلوك دياگرام اين بخش بصورت شكل8) مي‌باشد:

 

شكل 8) بلوك دياگرام راه‌انداز كليدها

 

                از آنجا كه همواره در مدارات اينورتري در هر فاز دو كليد وجود دارد كه در يك ساق قرار مي‌گيرند و شرايطي بر نحوه كليدزني و عملكرد آنها وجود دارد اين برد به منظور برقراري اين شرط بصورت ذيل طراحي شده است:

1-       ايجاد زمان مرده بين روشن شدن متوالي كليدهاي يك ساق.

2-       جلوگيري و ممانعت از هر گونه امكان روشن شدن همزمان دو كليد.

3-       اعمال سيگنال فرمان گيت و فرمانهاي كنترلي بصورت ايزوله.

4-       حفاظت از كليدها.

 

2-9-1- جلوگيري از همزماني روشن شدن و ايجاد زمان مرده

براي ايجاد زمان مرده زمانهاي روشن شدن و خاموش شدن كليدها را در نظر بگيريم به زمان td  نياز است تا در آن زمان هر دو كليد خاموش باشند، كه مطابق شكل زمان مورد نظر توسط مدارات RC و معكوس كننده‌ها ايجاد شده است، مقدار RC و سطح آستانه ورودي معكوس كننده، زمان td را تعيين مي‌نمايند.

مطابق شكل 9) در اين بخش، از دو گيت معكوس كننده در وروديها استفاده شده است تا با استفاده از ويژگي اشميت تريگر ورودي آنها استفاده شود و اگر نويزي روي وروديها باشد حذف شوند، و از يك گيت معكوس كننده و يك انتخابگر استفاده شده است تا چنانچه برد بخواهد همواره سيگنال دو كليد بصورت معكوس يكديگر باشند اين امكان وجود داشته باشد.

شكل 9) مدار بخش جلوگيري از همزماني روشن شدن دو كليد و ايجاد زمان مرده

                از گيت AND و يك معكوس كننده نيز براي ايجاد سيگنالهاي EXT-ENABLE و  Power-good استفاده شده‌است، چنانچه هر دو اين سيگنالها يك باشند اين بخش بدرستي عمل خواهد نمود، لازم به ذكر است كه تركيب مدار فوق از هرگونه همزماني روشن بودن دو كليد جلوگيري مي‌كند و روشن شدن هر كليد مشروط به خاموش بودن كليد ديگر و آنهم بعد از سپري شدن زمان  td  از خاموش شدن آن است.

 

2-9-2- اعمال فرمانهاي كنترلي و فيدبكهاي ايزوله

در اين بخش براي هر يك از كليدها، از يك مدار مجتمع HPL-316J استفاده شده است، اين مدار مجتمع سيگنال فرمان ورودي را بصورت ايزوله و تقويت شده به كليد اعمال مي‌نمايد، تقويت سيگنال از اين جهت لازم به نظر مي‌رسد كه اولاً دامنه ولتاژ اعمالي به گيت-اميتر كليدها بايد حدود 15 تا 18 ولت باشد و مهمتر آنكه بدليل وجود خازن نسبتاً بزرگ ديده شده از طرف گيت-اميتر سيگنال فرمان گيت-اميتر بايد قابليت شارژ سريع اوليه اين خازن را داشته باشد تا كليد سريع و با تلفات روشن شدن كم روشن گردد.

شكل 10) مدار اعمال فرمانهاي كنترلي و فيدبكهاي ايزوله

 

از اين مدار مجتمع در وضعيت معكوس و  خاموشي/بازنشاني عمومي مطابق مدار پيشنهادي در داده‌هاي سازنده استفاده شده است، در اين حالت فرمان ورودي به پايه معكوس ( پايه دوم) متصل شده است و وضعيت غير فعال به معني روشن بودن كليد است و سيگنال خطاي همه كليدها بصورت OR  سيمي به يكديگر متصل شده‌اند و به ورودي مستقيم (پايه يك) اين مدار مجتمع متصل شده‌اند، همچنين پايه RESET همه مدار مجتمع ها به يكديگر متصل شده‌اند.

با اين آرايش چنانچه مدار مجتمع يكي از كليدها خطايي اعلام نمايد باعث غير فعال شدن عملكرد همه كليدها مي‌شود و تا يك سيگنال RESET اعمال نگردد وضعيت سيستم در همين مرحله خواهد ماند.

 

2-10- پردازشگر اصلي

وظيفه اين بخش پردازش اطلاعات دريافتي از فيدبكهاي گرفته شده و تهيه فرمانهاي لازم براي گيتهاي كليدها مي‌باشد تا توان راكتيو بار را طبق الگوريتم كنترلي ارائه شده جبران نمايد، در اين بخش از يك پردازنده 80196 استفاده شده است و از امكان ارتباط و برنامه پذيري از طريق يك كامپيوتر شخصي نيز برخوردار است، به اين صورت كه يك برنامه ثابت در حافظه فقط خواندني قرار مي‌گيرد و بعد از RESET  شدن برد منتظر دريافت برنامه‌اي از طريق پورت سريال با استاندارد RS232 مي گردد و پس از دريافت كامل برنامه اجرا و پردازش پردازنده را در اختيار برنامه دريافتي قرار مي‌دهد، اين عمل باعث سهولت وتسريع تستهاي مختلف نرم‌افزاري مي‌گردد.

                بطور خلاصه وظايف پردازنده را مي‌توان بصورت محاسبات لازم جهت موارد زير نام برد:

الف) اجراي الگورتم كنترل و جبران توان راكتيو مطابق يكي از روشهاي پيشنهادي.

ب) كنترل و تصحيح ولتاژ خازنهاي طرف DC .

ج) فرمان دادن به گيت كليدها مطابق روش مدولاسيون.

د) لحاظ نمودن استفاده يكسان از كليدها و اينورترها.

ه) حفاظتها و اعلام آلارمهاي لازم.     

و) نمونه برداري و تبديل سيگنالهاي آنالوگ به ديجيتال.

                با توجه به كلاك 16MHz براي پردازنده، در هر سيكل برق شهر حدود 80,000 دستورالعمل را مي‌توان اجرا نمايد، با ملاحظات در نظر گرفته شده براي بخش كنترل و مدولاسيون پردازنده مي‌تواند تا 14 نمونه برداري در هر سيكل از وروديها براي محاسبات اندازه‌گيري و اعمال 32 سيگنال گيت به كليدها در هر سيكل ( فركانس كليدني 1600Hz ) را داشته باشد. براي اطمينان از توانايي پردازنده 12 نمونه برداري از هر چهار كانال ورودي در هر سيكل و فركانس كليدزني 1400Hz  برگزيده شده است

 

2-11-باس‌وسيگنالينگ‌بردهاي‌الكترونيكي

به منظور ماژولار بودن و سهولت طراحي و تست سخت افزار از يك باس اختصاصي استفاده شده است. اين باس از دو بخش تشكيل شده است، بخش اول كه سيگنالهاي قدرتي هر برد را هدايت مي‌كند و بخش دوم كه سيگنالهاي ديجيتال را بين بردها هدايت مي‌كند.

 

3- طراحي سيستم مدولاسيون

بخش مدولاسيون، زاويه  α را از كنترل كننده گرفته و فرامين مناسبي به كليدهاي اينورترهاي A و  Bاعمال مي‌نمايد، همانطور كه در تشريح نحوه كنترل خواهد آمد، در اين طراحي توان راكتيو با كنترل زاويه α كنترل مي‌شود، كه زاويه α مقدار اختلاف زاويه ولتاژ برق شهر و اينورتر است. طراحي بقيه اجزاء سيستم بگونه‌اي صورت گرفته است كه تمام اطلاعات لازم براي كنترل كننده و مدولاتور بصورت نرم‌افزاري موجود هستند از اين رو امكان اجراي الگوريتمهاي مختلف مدولاسيون بصورت نرم‌افزاري وجود دارد. در اين بخش ابتدا آرايشهاي مختلف كليدزني را كه در اين جبران كننده پنج سطحي وجود دارند بيان خواهند شد و سپس روشهاي مدولاسيون پيشنهادي ارائه خواهند شد.

3-1- آرايشهاي مختلف كليدزني: آرايش اينورتر پنج سطحي طراحي شده بصورت تركيب متوالي دو اينورتر سه سطحي تمام پل مي‌باشد كه به اينورترهاي A  و B ناميده مي‌شوند، با اين تركيب چند حالت كليدزني وجود خواهد داشت كه الگوريتم كنترل كننده و مدولاسيون از اين حالتها استفاده مي‌نمايد.

3-2- سطح ولتاژ مورد نظر در خروجي اينورتر: بر اساس اينكه چه سطح ولتاژي از ولتاژهاي 2V، V، صفر، -Vو –2V يكي از اين پنج حالت انتخاب مي‌گردد.

3-3- جهت جريان جبران كننده و ولتاژ خازنها: از آنجا كه سيستم در فركانس پنجاه هرتز و بصورت AC كار مي‌كند منظور از جهت جريان جبران كننده مثبت يا منفي بودن آن در هر لحظه مي‌باشد، جريان جبران كننده در يك جهت باعث افزايش ولتاژ خازنها شده و در جهت ديگر باعث كاهش ولتاژ آنها خواهد شد و اگر جبران كننده بدون تلفات كار كند و جريان آن عمود بر ولتاژش مي‌باشد(اختلاف فاز 90 درجه بين ولتاژ وجريان ) همواره در انتهاي يك سيكل ولتاژ خازن ثابت خواهد ماند و تغييري نمي‌كند اما بدليل وجود تلفات و تغييرات مقدار توان راكتيو جذب يا تزريقي توسط جبران كننده همواره لازم است كه ولتاژ خازنها تغيير كنند كه اين عمل با ايجاد شيفت فاز كوچكي انجام مي‌گردد، حال مقدار شيفت فاز و جهت جريان جبران كننده بايد به نحوي صورت گيرد كه اين عمل به افزايش يا كاهش ولتاژ خازن خواسته شده منجر شود.

3-4- استفاده يكسان از كليدها و اينورترها:از آنجا كه دو اينورتر بصورت يكسان و مشابه طراحي شده‌اند، لازم است بصورت يكسان از آنها استفاده شود بخش مدولاسيون مي‌تواند با استفاده مناسب از روشهاي مختلف و حالتهاي انتخابي از كليدها و اينورترها بصورت يكسان استفاده نمايد.

3-5- كاهش تعداد كليدزنيها: اين نكته را مي‌توان اين چنين بيان كرد كه بعد از اتمام يك حالت كليدزني براي ايجاد حالت بعدي يك تعداد از كليدهاي روشن بايد خاموش شوند و يك تعداد از كليدهاي خاموش بايد روشن گردند و يك تعداد نيز در وضعيت قبلي خود بمانند، حال در اين بين حالتهاي مختلفي وجود دارند كه بخش مدولاسيون مي‌تواند حالتي را انتخاب نمايد كه كمترين تغيير وضعيت كليدها را در پي داشته باشد، اين عمل كليه مزاياي كاهش تعداد كليدزني نظير تلفات كمتر و افزايش طول عمر قطعات را در پي خواهد داشت.

3-6-  بدست آوردن الگوي مدولاسيون

در اينجا الگوريتم مدولاسيون برنامه ريزي شده استفاده مي‌شود، در اين‌ روش زواياي كليدزني و سطوح ولتاژ آنها در يك چهارم دوره كليد زني تعيين مي‌شوند و براي بقيه دوره بصورت  متقارن تكرار مي‌گردند. با توجه به مشخصات سيستم و ملاحظات طراحي، هفت زاويه كليد زني بصورت α1 تا α7 مناسب به نظر  مي‌رسد در ابتدا بايد الگوي PWM مذكور را بدست آورد و پس از آن براي بدست آوردن هفت زاويه، هفت درجه آزادي خواهيم داشت كه بايد به نحو مناسب از آنها استفاده نمود، در تدارك اين شرطها روشهاي متفاوتي پيشنهاد مي ‌شوند كه در بخش بعدي بيان خواهند شد. براي بدست آوردن اين الگو و زواياي تقريبي از چهار روش مدولاسيون استفاده ‌شد. اين روشها بر اساس شكل موج سينوسي و مثلثي مي‌باشند كه براي اينورترهاي چند سطحي توسعه يافته‌اند، براي يك اينورتر M سطحي M-1 موج حامل نياز دارند، براي بدست آوردن اين الگو روشهاي فوق شبيه سازي شدند و الگويي مطابق شكل11) بدست آمد

شكل 11) الگوي مدولاسيون بدست آمده

3-7-  بدست آوردن زواياي كليدزني

همانطور كه بيان شد براي بدست آوردن زواياي  كليدزني هفت درجه آزادي داريم روشهاي مختلف بصورتهاي مختلف از اين موضوع استفاده مي‌كنند اما در اين ميان شرايطي نيز بصورت ذاتي بر اين زاويا بايد رعايت شوند كه عبارتند از:

الف) توالي زوايا بصورت زير                           (5)

ب)رعايت حداقل اختلاف زواياي متوالي كه به دليل محدوديتهاي ذاتي مدارات اعمال زواياي كليدزني با اختلاف كمتر از يك حد امكان پذير نمي‌باشد، اين حداقل اختلاف حدود دو تا سه درجه است.

(6)          

ج) در اغلب روشها شرط انديس مدولاسيون نيز بايد رعايت گردد تا دامنه مؤلفه اصلي ولتاژ در مقدار تعيين شده تضمين گردد.

در تهيه بقيه شروط اغلب از دو روش حذف هارمونيكهاي خاص و روش مينيمم كردن طيف هارمونيكها براي ولتاژ/ جريان استفاده مي شود كه قبل از بررسي اين دو روش بايد بر اساس الگوي بدست آمده تبديل فوريه شكل موج را محاسبه نمود. با توصيفات گذشته در مورد الگوي كليدزني كه داراي تقارن نيم موج است، مؤلفه‌هاي كسينوسي تبديل فوريه آن صفر بوده و مؤلفه‌هاي سينوسي زوج آن نيز بدليل تقارن نيم موج صفر است، در نتيجه تبديل فوريه شكل موج ولتاژ خروجي اينورتر بصورت زير بدست مي‌آيد:

(7)n هاي فرد          

كه مؤلفه اصلي ولتاژ  V1 و مؤلفه هارمونيك nام ولتاژ Vn مي‌باشد و با فرض R< مي‌توان نوشت. مؤلفه اصلي جريان I1 برابر:

(8)                                  

و مؤلفه‌هاي هارمونيك nام جريان، In برابر:

(9)                               

است. بايد اين نكته را در نظر گرفت كه اگر سيستم بصورت سه فاز كار مي‌كرد هارمونيكهاي مضرب سه وجود نداشتند و اين هارمونيكها نيز از محاسبات حذف مي‌شدند. حال دو روش محاسبه زواياي α1  تا α7 را بررسي مي‌كنيم.

الف- مينيمم كردن طيف هارمونيكها: در اين روش طبق تعريف THDV و THDI بصورت زير داريم:

(10)                                     

(11)                                     

 

طبق استانداردها THDI  بايد كمتر از 5% و THDV بايد كمتر از 10% باشد.در نهايت اين روش به مينمم كردن اين دو پارامتر تبديل مي‌شود كه يك مسئله غير خطي بهينه‌سازي است.

ب- حذف هارمونيكهاي خاص: در اين روش هارمونيكهاي خاصي را حذف مي‌كنند و از آنجا كه هارمونيهاي پائين تر مؤلفه‌هاي بزرگتري دارند اغلب شرايط بر اساس مينيمم كردن يا حذف هارمونيكهاي پائين صورت مي‌گيرد، كه در اينجا هارمونيكهاي سوم، پنجم، هفتم و … وجود دارند كه به تعداد درجات آزادي سيستم اين هارمونيكها در نظر گرفته مي‌شوند. در نهايت اين روش به حل معادلات غير خطي زير منجر مي‌شود:

(12)                                        

(13)           

 

4-  طراحي سيستم كنترل حلقه بسته

بخش كنترل كننده بر اساس وضعيت فعلي سيستم و وروديهاي دريافتي، فراميني صادر مي كند تا سيستم با حفظ پايداري به اهداف تعيين شده براي جبران سازي نزديك گردد. جهت طراحي بخش كنترل كننده لازم است تابع تبديل اينورتر را داشته باشيم و سپس بر اساس نحوه كنترل و مشخصات تابع تبديل يك كنترل كننده مناسب طراحي شود براي اين منظور از تعريف توان لحظه‌اي در مختصات d ,q بهره مي‌گيريم.

حال به بررسي معادلات جبران كننده مي‌پردازيم، شكل12) يك جبران كننده ايستاي توان راكتيو منبع ولتاژي را با خازن طرف DC نشان مي‌دهد در اين شكل Ls سلفهاي سري براي اتصال اينورتر به خطوط مي‌باشند كه شامل اندوكتانس نشتي ترانسفورماتورها نيز هستند، مقاومت موازي خازن جهت مدلسازي  تلفات اينورتر در نظر گرفته شده‌است و مقاومتهاي سري سلفها نيز براي مدلسازي تلفات سلفها و ترانسفورماتور در نظر گرفته شده‌اند، مطابق اين شكل مي توان معادلات طرف AC را بصورت زير نوشت كه p=d/dt است،

(14)

شكل 12) مدار معادل جبران كننده ايستاي توان راكتيو

 

با استفاده از تعريف تبديلات در مختصات چرخان ‍dq معادله زير نتيجه مي شود كه dω=dθ/dt است:

(15) (16)                                     

(17)                                        

K فاكتوري است كه رابطه اندازه ولتاژ طرف DC اينورتر را به اندازه ولتاژ AC اينورتر تعيين مي‌كند و α زاويه‌اي است كه بردار ولتاژ اينورتر با بردار ولتاژ خط دارد.

                حال به يكي از نكات اساسي درطراحي كنترل كننده براي جبران كننده رسيديم و‌ آن اين است كه اين جبران كننده‌ها بر اساس نحوه كنترل به دو دسته تقسيم مي شوند كه در نوع اول متغيرهاي K  و α هر دو توسط كنترل كننده كنترل مي شود، در نوع دوم فاكتور K ثابت مي‌باشد و كنترل كننده فقط α را كنترل مي‌كند كه در ادامه به جزئيات بيشتر اين دو نوع مي‌پردازيم.

 

4-1- كنترل اينورتر نوع اول

            در اين نوع از اينورترها براي كنترل مستقل i`d و   i`q با توجه به روابط قبلي خواهيم داشت:

 (18)                   

(19)                              

و با عمال معادلات فوق داريم:

(20) معادله فوق بيان مي‌كند كه i`d  و i`q به متغييرهاي x`1 و x`2 از طريق يك معادله درجه اول مرتبط هستند و مي‌توان با تعريف كنترل كننده‌اي بصورت زير حلقه فيديك را تكميل نمود:

(21)                        

(22)                        

مرجع جريان راكتيو  i*q  توسط حلقه بيروني جبران كننده تعيين مي‌شود و مقدار توان حقيقي توسط i*q كنترل مي‌شود تا خطاي ولتاژ طرف DC جبران شود بلوك دياگرام اين نوع كنترل كننده در شكل 13) آمده است.

شكل13) جبران كننده با كنترل نوع اول

 

4-2- كنترل اينورتر نوع دوم

                در كنترل اين نوع اينورتر معادلات طرف DC نيز لازم است، توان لحظه‌اي طرف AC و DC برابر مي‌باشند و رابطه تساوي (8-56) را و  در طرف DC داريم:

(23)                        

(24)                        

ومعادلات حالت زير را براي جبران كننده بدست مي‌آيد:

(25)             

(26)               

حل معادله اين كنترل كننده در حالت دائمي در شكل14)  رسم شده است كه انديس صفر بيانگر حالت دائمي سيستم است. توجه شود كه i`q0 تقريباً بطور خطي با α0 تغيير مي‌كند و براي تغييرات يك واحد i`q0  تغييرات α0 بسيار كم است.

شكل 14) نقاط كار حالت دائمي جبران كننده

 

معادلات حالت فوق غير خطي هستند و  α  متغيير ورودي  آن مي‌باشد، مي‌توان به ازاء تغييرات كوچك α  معادلات را بصورت زير خطي نمود:

(27)

با روشهاي استاندارد آناليز در حوزه فركانس مي‌توان تابع تبديل را بدست آورد ولي با فرض صرفنظر از تلفات  مي‌توان بلوك دياگرام كنترلي زير را داشت:

 

شكل 14) بلوك دياگرام رفتار ديناميك جبران كننده

 

تابع تبديل متناظر شكل 14) بصورت زير است:

 

(27)             

كه

                                         

اين تابع يك زوج صفر مختلط روي محور موهومي دارد ، در شكل 15) و 16) فاز و دامنه اين تابع با  اعداد نمونه اي رسم شده است.

K=4/π  , L=10 mH ,   C=.47 mf,    Rs=8 ohm,   Rp=100K

 

شكل 15) منحني دامنه تابع تبديل اينورتر نوع دوم

 

شكل 16)  منحني فاز تابع تبديل اينورتر نوع دوم

 

يك كنترل كننده بايد طراحي گردد تا محدوده كوچك فاز را در حالت بار كامل سلفي جبران نمايد كه كنترل كننده غير خطي زير مناسب به نظر مي‌رسد:

(29)        

بلوك دياگرام كنترلي اين اينورتر در شكل17) نشان داده شده است.

شكل 17) بلوك دياگرام كنترل كننده نوع دوم

 

5- نتايج حاصل از طراحي و شبيه سازي

                در اينجا يك SVC از نوع اينورتري منبع ولتاژي نج سطحي طراحي شده‌است كه شامل بخشهاي راه‌انداز كليدها، حفاظت قسمتهاي مختلف، پردازنده اصلي، كليدها و خازنها اندازه‌گيري و فيدبك مي‌باشند و ساخت اين بردها شروع شده و برد راه‌انداز كليدها با موفقيت ساخته شده و تست گرديده‌است.

براي بخش مدولاسيون و كنترل روشهايي پيشنهاد شده‌است. مدولاسيون بر اساس شبيه‌سازي با روش مدولاسيون برنامه‌ريزي شده در نظر گرفته شده و براي بدست آوردن الگوي اوليه شكل موج كليدزني از روشهاي توسعه يافته مدولاسيون در اينورترهاي چند سطحي استفاده شده‌است. براي سيستم كنترلي نيز دو نوع كنترل پيشنهاد شده است و توابع تبديل اينورتر و كنترل كننده در اين دو حالت بدست آورده شده و شبيه‌سازي گرديده‌اند و نتايج شبيه سازي بيانگر نحوه كنترل و عملكرد صحيح سيستم جبران كننده براي جبران بار مي‌باشد.

 

مراجع

                اغلب اطلاعات اين مقاله بصورت طراحي بوده است و بصورت مستقيم از مقاله يا مرجعي استفاده نشده است ولي از مراجع زير استفاده‌هاي ضمني و ايده‌اي شده است.

 

              [1] Nam S.Choi, Yong C.Jung,Hyo L.Liu, Gyu H.cho, “ A High Voltage Large Capacity Dynamic VAR  Compensator Using Multilevel Voltage Source Inverter ” IEEE1992, PP538-545.

              [2] Wuest D., Stemmler H., Scheuer G. “ A Comparison of Different Circuit Configurations for an Advanced Static VAR Compensator (ASVC)”, IEEE 1992, PP521-529

              [3] C.Hochgraf, R.Lasseter, D.Divan, T.A.Lipo, “ Comparison of Multilevel Inverters for Static VAR Compensation”, IEEE 1994, PP921-928.

              [4] Fang Zheng Peng, Jjh-Sheng Lai, W.Mckeever, J.Vancoevering, “ A Multilevel Voltage- Source Inverter With Separate DC Sources for Static VAR Generation” IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 32, No. 5, Sep/Oct 1996, PP1130-1137.

              [5] C.S.chauder, H.Mehta, “ Vector Analysis and Control of Advanced Static VAR Compensator ” IEE Proceedings-c, Vol. 140, No. 4, July 1993, PP299-306.

              [6] A.Y.Varjani, Sperera, J.F.Chicharo, “ A Centroid-Based PWM Switching Technique for Full-Bridge Inverter Applications ”, IEEE Transactions in Power Electronics, Vol. 13, No. 1, January 1998, PP115-124.

              [7] K.Mark Smith,Z.Lai, M.Smedelly “A New PWM Controller with One-Cycle Response ”, IEEE Transaction on Power Electronic Vol. 14, No. 1, Jan 1999.

              [8] F.Blaabjerg, J.K.Pedersen, P.Thoegersen,“ Improved Modulation Techniques for PWM-VSI Drives ”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 44, No. 1, Feb 1997.

              [9] S.Halasz, A.Abdalla, M.Hassan, B.T.Huu, “ Optimal Control of Three-Level PWM Inverters ”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 44, No. 1, Feb 1997.

             [10]  S.H.Tonekaboni, S.H.Hosseini,“ Dynamic Identification and Control of PWM Inverter VAR Compensator Using Neural Network ”, Power System Conference 12^th, Iran.

             [11]  M.P.Kazmierkowski, L.Malesani, “ Current Control Techniques for Three-Phase Voltage-Source PWM Converters: A Survey ”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 45, No. 5, Oct 1998, PP691-703.

             [12]  J.Holtz,“ Pulsewidth Modulation – A Survey ”, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 39, No. 5, Dec 1992, PP410-420.

             [13]  G.Carrara, D.Casini, S.Gardella, R.Salutari, “ Optimal PWM for The Control of Multilevel Voltage Source Inverter ”, The European Power Electronic Association1993.

             [14]  A.Shoulaie, P.Ramezanpoor, H.Amirkhani, “ Control of Multilevel-Inverter for Active Power Filters Using a Fuzzy Space-Vector Method ”, IEEE Catalog Number: 97^TH8280, 1997.

             [15]  J.Mahdavi, A.Agah, A.M.Ranjbar, H.A.Toliyat,“ Extension of PWM Space Vector Technique for Multilevel Current-Controlled Voltage Inverters ”, IEEE 1999.

             [16]  F.Z.Peng, J.W.Mckeever, D.J.Adams, “ A Power Line Conditioner Using Cascade Multilevel Inverters for Distribution Systems ”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 34, No. 6, Nov/Dec 1998, PP1293-1298.

             [17]  A.C.Rufer, “ An Aid in the Teaching of Multilevel Inverters for High Power Applications ”, IEEE 1995.

             [18]  D.W.Kang, Y.H.Lee, B.S.Suh, C.H.Choi, D.S.Hyun, “ An Improved Carrierwave-Based SVPWM Method Using PHASE Voltage Redundancies for Generalized Cascaded Multilevel Inverter Topology  ”, IEEE 2000.

             [19]  M.Manjrekar, G.Venkataram,“ Advanced Topologies and Modulation Strategies for Multilevel Inverters ”, IEEE 1996.

             [20]  W.Min, J.Min, J.Choi, “ Control of STATCOM Using Cascade Multilevel for High Power Applicatiion ”, IEEE 1999 International Conference on Power Electronics and Drive Systems, Hong Kong.