پایان نامه پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc)) گرایش برق - قدرت

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc))

گرایش برق - قدرت

چکیده

ولتاژ و جریان های حالت مشترک به دلیل ایجاد ظرفیت خازنی پارازیتی بین سلول های خورشیدی و قاب آن ها که معمولاً زمین شده است، ایجاد می شوند. این ظرفیت ها معمولاً به صورت خازن هایی بین سرمنفی سلول خورشیدی با زمین مدل سازی می شوند. در سلول های خورشیدی  که به واسطه ترانس به شبکه متصل می شوند، ایزولاسیون الکتریکی سیم پیچ های ترانس و فرکانس بالای ولتاژ و جریان حالت مشترک عملاً جایی برای جریان یافتن ندارند و در نتیجه عملاً جریان حالت مشترک خاصی تولید نمی­شود. به این ترتیب نوع آرایش اینورتر و نحوه کلید زنی آن تاثیر چندانی بر این مسئله ندارد. اما در آرایش بدون ترانس باید مسیری برای جلوگیری از انتقال جریان نشتی ناشی از ولتاژ حالت مشترک به شبکه پیدا کرد.

اگر تعداد سطوح به اندازه کافی زیاد باشد، می توان پل ها را در فرکانس پایه با مدولاسیون موج مربعی نیز کلید زنی کرد. به این ترتیب تاثیرات الکترومغناطیسی متقابل بین بخش های قدرت و بخش های الکترونیکی سیستم به حداقل می رسد. در عین حال ولتاژ خروجی اینورتر به شکل موج سینوسی نزدیک خواهد بود و نیازی به فیلترگذاری بزرگی وجود نخواهد داشت و ولتاژ حالت مشترک نیز ایجاد نخواهد شد. البته برای فرکانس های پایین استفاده از مدولاسیون موج مربعی باعث اعوجاج ولتاژ و جریان خواهد شد. بنابراین استفاده از مدولاسیون پهنای پالس سینوسی با ضریب مدولاسیون متفاوت برای سطوح مختلف پیشنهاد شده است. روش مدولاسیون پهنای پالس سینوسی روشی ساده تر و قابل درک تر از روش فضای برداری است و اعمال آن در اینورترهای دو، سه و چند سطحی تک قطبی و دو قطبی نیاز به محاسبات پیچیده ای ندارد. به همین دلیل بهینه سازی آن به هدف حداقل سازی ولتاژ حالت مشترک امکان پذیر است.

کلمات کلیدی:  ولتاژ حالت مشترک ، مدولاسیون پهنای پالس سینوسی،مدولاسیون فضای برداری،توپولوژی اینورترها

-1- مقدمه

منابع انرژی تجدید پذیر، بخصوص منابعی که منشاء فتوولتائیک دارند، توسعه زیادی را در سال­های اخیر داشته­اند که عمدتاً بخاطر افزایش دما و امتیازات داده شده به دولت ها برای این نوع تکنولوژی ها می­باشد [1].

پردازش قدرت منابع انرژی تجدید پذیر بوسیله مبدل های قدرت انجام می شود، که این مسائلی مانند بازده و هزینه را به عنوان عوامل کلیدی، به همراه خود دارند. در حالت خاص اینورترهای فتوولتائیک متصل به شبکه، اکثر توپولوژی های مبدل قدرت از یک ترانسفورماتور که در فرکانس پایین یا بالا کار می کنند، استفاده می شود و این ایزولاسیون، گالوانیک بین پانل های فتوولتائیک و شبکه برق  را ایجاد می کند. ترانسفورماتورهای فرکانس پایین، بزرگ ، سنگین و گرانقیمت هستند و تلفات اضافه ای به سیستم وارد می کنند. اندازه ترانسفورماتور ایزوله کننده با استفاده از یک توپولوژی دو سطحی که در آن ترانسفورماتور در فرکانس بالا کار می کند، تا حد زیادی می تواند کاهش یابد. این روش بازده را کاهش می دهد، زیرا حداقل دو مبدل قدرت آبشاری نیاز است. به همین خاطر، تعداد زیادی اینورتر با توپولوژی بدون ترانسفورماتور [2] در چند سال اخیر پیشنهاد شده اند که منجر به تولید سیستم های پردازش قدرت ارزانتر، فشرده تر و کارآمدتر شده است . علاوه بر آن، هنگام استفاده از اینورترهای بدون ترانسفورماتور، برخی تکنیک­های اندازه گیری راکتانس ایزولاسیون و جریان پسماند باید استفاده شود که این کار، باعث می شود که اینورترهای بدون ترانسفورماتور حتی ایمن­تر از اینورترهای ترانسفورماتوردار شود.

با توجه به اندازه اینورترهای قدرت متصل به شبکه، تغییر الگو در چند سال اخیر مشاهده شده است. اینورترهای مرکزی بزرگ با قدرت بالای 100 کیلووات با اینورترهای اندازه کوچک که انرژی تامین شده زیادی را با یک رشته یا یک گروه کوچک از رشته ها تامین می کنند، جایگزین شده اند. با دنبال کردن این روش، نقطه ردیابی قدرت حداکثر گروه های پانل فتوولتائیک بزرگ را می توان بهبود داد، زیرا آنها را می توان تحت سطوح تابش خورشیدی بسیار متفاوتی قرار داد .در این زمینه، استفاده از اینورترهای تک فاز تا 5 کیلووات از اهمیت شایانی برخوردار است.

به دلایل ذکر شده، تعداد قابل توجهی توپولوژی تک قدرتی برای پیاده سازی اینورترهای بدون ترانسفورماتور تک فازوسه فاز متصل به شبکه، پیشنهاد شده اند ، در این نوع مبدل ها، ایزولاسیون گالوانیک بین پانل های فتوولتائیک و شبکه وجود ندارد، به­گونه ای که مشکلاتی می تواند بوجود بیاید که نیاز به توجه ویژه دارند، مانند ولتاژهای مد مشترک و جریان های نشتی دو سر پانل های فتوولتائیک، که این ناشی از این حقیقت است که یک خازن پارازیتی غیرقابل چشم پوشی بین سلول های فتوولتائیک و زمین ایزولاسیون وجود دارد و تحت شرایط عملیاتی خاصی ( برای مثال رطوبت، خاک و مد نصب)، می تواند به مقادیر بسیار زیادی برسد. مقادیر معمول این ظرفیت خازنی بین 50 تا 150   برای سلول های بلورین سیلیکان و تا مقادیر  برای سلول های فیلم نازک برسد]3[.نشت جریان مد مشترک هارمونیک روی را در سیستم افزایش میدهد ، کیفیت اتصال جریان شبکه را کاهش میدهد ، موجب گسستی هدایت وتداخل تشعشعات الکترومغناطیسی میشود وباعث مشکلات ایمنی فردی میگردد. در سلول های خورشیدی  که به واسطه ترانس به شبکه متصل می شوند، ایزولاسیون الکتریکی سیم پیچ های ترانس و فرکانس بالای ولتاژ و جریان حالت مشترک عملاً جایی برای جریان یافتن ندارند و در نتیجه عملاً جریان حالت مشترک خاصی تولید نمی­شود. به این ترتیب نوع آرایش اینورتر و نحوه کلید زنی آن تاثیر چندانی بر این مسئله ندارد. اما در آرایش بدون ترانس باید مسیری برای جلوگیری از انتقال جریان نشتی ناشی از ولتاژ حالت مشترک به شبکه پیدا کرد.

شکل 1-1 . (الف) جریان حالت مشترک و خازن پارازیتی و (ب) مدل سیستم فتولولتائیک

اگر تعداد سطوح به اندازه کافی زیاد باشد، می توان پل ها را در فرکانس پایه با مدولاسیون موج مربعی نیز کلید زنی کرد. به این ترتیب تاثیرات الکترومغناطیسی متقابل بین بخش های قدرت و بخش های الکترونیکی سیستم به حداقل می رسد. در عین حال ولتاژ خروجی اینورتر به شکل موج سینوسی نزدیک خواهد بود و نیازی به فیلترگذاری بزرگی وجود نخواهد داشت و ولتاژ حالت مشترک نیز ایجاد نخواهد شد. البته برای فرکانس های پایین استفاده از مدولاسیون موج مربعی باعث اعوجاج ولتاژ و جریان خواهد شد. بنابراین استفاده از مدولاسیون پهنای پالس سینوسی با ضریب مدولاسیون متفاوت برای سطوح مختلف پیشنهاد شده است.

1-2 H- تمام پل یا پل کامل

پر استفاده ترین توپولوژی در اینورترهای فتوولتائیک متصل به شبکه، - تمام پل است. این توپولوژی از چهار ترانزیستور که مثل شکل 1-2 به هم متصل شده اند، ساخته شده است. بخاطر اینکه تعداد زیادی از مبدل های تجاری از این توپولوژی بصورت ترکیبی با یک ترانسفورماتور فرکانس پایین استفاده می کنند، مطالعه این کاربرد برای اینورترهای بدون ترانسفورماتور جالب خواهد بود.

متداول ترین مدولاسیون استفاده شده در این توپولوژی  تک قطبی است، زیرا تعدادی مزیت نسبت به مدولاسیون دوقطبی (برای مثال، ریپل جریان کمتر در فرکانس بالا، بازده بهتر یا انتشار تداخل الکترومغناطیس کمتر) دارد [4]. با این وجود، هنگامی که مدولاسیون  تک قطبی در اینورتر -پل کامل استفاده می شود، یک ولتاژ حالت مشترک فرکانس بالا با اندازه  به پانل های فتوولتائیک اعمال می شود، به گونه ای که یک جریان نشی غیرقابل اغماض بخاطر ظرفیت خازنی پانل های فتوولتائیک ظاهر می شود. به همین دلیل در مقابل مدولاسیون اینورترهای بدون ترانسورماتور، توصیه می شود [5].

شکل 1-2. توپولوژی -تمام پل

برای حل مسئله جریان نشی در مبدل فتوولتائیک -پل کامل، مدولاسیون  دوقطبی می تواند استفاده شود. این مدولاسیون از اعمال مولفه های فرکانس بالای ولتاژ حالت مشترک به پانل ها جلوگیری می کند [6]، بنابراین ولتاژ حالت مشترک تنها مولفه فرکانس پایین هارمونیک اول را دارد، به گونه ای که کاهش جریان نشتی حاصل می شود [7، 8، 9]. با این حال، برای محدود کردن مقدار پیک جریان نشتی، هماهنگی و سنکروناسیون خوبی بین سیگنال های گیت ترانزیستورهای پل، بسیار مهم است. در غیراینصورت، جریان نشتی می تواند به میزان زیادی افزایش یابد [10]. در نتیجه، این توپولوژی به عنوان یک جایگزین خوب برای پیاده سازی مبدل های فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور در نظر گرفته نمی شود، حتی اگر مدولاسیون  دوقطبی مورد استفاده قرار گیرد [11].

1-3 -نیم پل

توپولوژی -نیم پل بوسیله 2 ترانزیستور و یک مقسم خازنی متصل شده به ماژول فتوولتائیک، که در شکل1-3 نشان داده شده، تشکیل می شود. ارتباط سیم خنثی شبکه به نقطه وسط مقسم خازنی ولتاژ حالت مشترک تقریباً ثابت را تضمین می کند، بنابراین از گذشتن جریان نشتی از داخل خازن پارازیتی ماژول فتوولتائیک جلوگیری می کند [12].

علیرغم هزینه و سادگی کمتر این نوع مبدل در مقایسه با توپولوژی -پل (که  عمدتاً بخاطر آن است که -نیم پل از نصف نیمه رساناها نسبت به -پل استفاده می کند) [13]، این توپولوژی بندرت عملاً مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا معایبی دارد که حل انها دشوار است (برای مثال، شکل موج خروجی تنها دو سطح دارد، جریان خروجی بسیار اعوجاج دارد و باعث انتشار تداخل الکترومغناطیسی زیاد می شوند و کلیدها مجبور هستند از دوبرابر  ولتاژ توپولوژی پل کامل پشتیبانی کنند ) [12، 14] بنابراین به ترانزیستورهای قدرت که ولتاژ انسداد بالاتری دارند، و تلفات کلیدزنی را افزایش می دهد، نیازمندند.

شکل 1-3. توپولوژی اینورتر -نیم پل

  در یک اینورتر سه فاز، ولتاژ حالت مشترک و جریان ناشی از آن به متوسط ولتاژهای فاز به خنثای خروجی اینورتر بستگی دارد. به این ترتیب جریان حالت مشترک ماهیتی شبیه به مولفه صفر دارد. واضح است که استفاده از ترانس هایی با اتصال زمین نشده، می­توان جریان حالت مشترک را به حد صفر رساند. اما در اینورترهای سه فاز بدون ترانس، موثر ترین راه کاهش این جریان استفاده از روش های مدولاسیونی است که متوسط ولتاژ سه فاز تولیدی آنها به صفر نزدیک­تر می باشد.اسفاده از اینورترهای چند سطحی، از آنجا که ولتاژ خروجی به شکل موج سینوسی نزدیک­تر می­شود، بطور ذاتی ولتاژ حالت مشترک را به طرز چشمگیری کاهش می­دهد.]15-16[.

از این بین اینورترها به عنوان یکی از مهمترین و پرکاربرد ترین این ادوات مورد نظر می باشند. ودارای کاربردهای گوناگون  می باشند، از جمله سیستم های تبدیل DC  به AC  در مواردی همچون انرژی های نوین، درایوماشین های الکتریکی وکنترل دور ماشین های الکتریکی و کنترل دور موتورهای القایی ،UPSها، انتقال انرژی در خطوط HVDC، ادواتFACTS،کوره های القایی، پنل های خورشیدی و....مورد بحث می باشد.

مروری بر مقالات گذشته

در این فصل تلاش می شود ،مروری هرچند کوتاه بر برخی مقالات علمی منتشر شده که به نحوی با موضوع این رساله در ارتباط باشند، صورت می گیرد. ترکیب موضوعی مقالاتی راکه در این بخش برسی می­شوند می توان بصورت زیر بیان کرد.

باتوجه به عنوان رساله ،بخشی به بررسی مقالات پیرامون پدیده ولتاژ وجریان های حالت مشترک در اینورترهای سه فاز و راه­های کاهش  حذف آنها اختصاص یافته است .

(هوافنگزیائو و شواجون زی، 2010 )، مدل تحلیلی جریان نشتی و کاربرد در اینورتر متصل به شبکه فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور سه فاز مورد بررسی قرار گرفت. اینورترهای متصل به شبکه فتوولتائیک (PV) بدون ترانسفورماتور، بخاطر کم هزینه بودن و بازده زیاد در کاربرد سیستم تولید برق خورشیدی در بازار برق مورد اهمیت قرار گرفته اند. متاسفانه، جریان نشتی گذرنده از خازن های سرگردان بین آرایه PV و زمین مضر است. مقاله آنها بر روش حذف جریان نشتی، که در آن همه مسیرهای حالت مشترک مورد ملاحظه، بررسی  شده است [2].

(بو یانگ، ووهوا لی، یونجی گو، ونفنگ کوی و زیانگنین گهه، 2012) برای حذف جریان نشتی حالت مشترک در سیستم متصل به شبکه فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور یک توپولوژیاینورتر سه فاز بهینه یافته ارائه شد. این اینورتر بدون ترانسفورماتور بهبود یافته می تواند ولتاژ ورودی کم یکسان با اینورتر پل کامل را حفظ کرده و برآورده شدن شرایط حذف جریان نشتی حالت مشترک را ضمانت کند. که مدولاسیون عرض پالس سینوسی تک قطبی (SPWM) و همچنین استراتژی کنترل SPWM فرکانس دوبل  را می توان برای پیاده سازی خروجی سه سطح در اینورتر پیشنهادی بکار برد[17].

شکل 2-1 توپولوژی اینورتر بهینه یافته [3]

(مارسلو سی، کاوالانتی، کلبر سی، دی الیویرا، آلکسندره ام دو فاریاس، فرانسیسکو ای، اس، نوس، گوستاو ام. اس، آزیودو، و فیلپه سی کامبویم،2010)، براساس مدل ولتاژ حالت مشترک، تکنیک­های مدولاسیون برای حذف جریان نشتی در سیستم­های PV بدون ترانسفورماتور، بدون نیاز به هرگونه اصلاح مبدل و سخت افزار اضافه را، ارائه دادند[18].

(آر، آنتونی راجاسکار، دی، ارونپراساد ،2013) ، یک اینورتر بدون ترانسفورماتور بهبود یافته با حذف جریان نشتی حالت مشترک برای یک سیستم قدرت متصل به شبکه فتوولتائیک را با استفاده از تکنیک مدولاسیون عرض پالس حامل سینوسی معکوس را ارائه دادند[19] .

(علیرضا کرامت زاده، عبدالنبی­کوثریان، سید قدرت الله سیف­وسادات ،2013)، یک اینورتر بدون ترانسفورماتور سه فاز متصل به شبکه جدید را پیشنهاد کردند، تا با کاهش فرکانس ولتاژ حالت مشترک از طریق بردارهای صفر جریان نشتی را کاهش دهند[20] .

 (طارق سلمی، منیر بوزگوندا، عادل گاستلی، احمد مسمودی،2012)، یک اینورتر بدون ترانسفورماتور جدید برای حذف هارمونیک ها و اعوجاج های گذر صفر جریان پیشنهاد نمودند [21].

.

شکل 2-2-طرح کلی مسیرهای نویزهدایت شده [25]

(مورلی جی آنتانی و سریدارماکاپاتی،2014)، اینورترهای تک فاز فتوولتائیک متصل به شبکه را بررسی کردند و توپولوژی برای مبدل، جهت حداقل سازی جریان نشتی / جریان­های حالت مشترک با استفاده از تکنیک مدولاسیون عرض پالس سینوسی تک قطبی ارائه دادند [22].

(ای وینی، 2010).یک توپولوژیاینورتر تک فاز بهینه را جهت حذف جریان نشتی حالت مشترک در سیستم متصل به شبکه فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور پیشنهاد داد .این اینورتر بدون ترانسفورماتور می تواند ولتاژ ورودی کم برابر با اینورتر پل کامل را حفظ کند و ضمانت کند که کاملاً شرایط حذف جریان نشتی حالت مشترک را برآورده می سازد[23].

(آنجالیوارگیز، کارپاگام ام، آلوارسامی تی، 2013) تحلیل جریان نشتی گذرنده از خازن پارازیتی و همچنین تزریق DC در خروجی اینورتر را ارائه دادند و این تحلیل برای مقادیر مختلف ظرفیت خازنیپارازیتی انجام شد [24].

(جی ناگراجونا ردی و کی جیوتی، 2013) سیستم های اینورترPV بدون ترانسفورماتور را با در نظر گرفتن پدیده جریان نشتی که می تواند به پانل های خورشیدی آسیب بزند، تحلیل و مدل سازی شد [26].

(سوئرنباکج­جائر، ژان کی، پدرسون و فرید بلابژرگ، 2005)، بر تکنولوژی های اینورتری برای اتصال ماژول های فتوولتائیک (PV) به یک شبکه تک فاز مروری انجام دادند و توپولوژی های اینورتری متعددی را ارائه، مقایسه و ارزیابی کردند و در آخر تعدادی از توپولوژی ها به عنوان بهترین کاندید برای ماژول تک فاز PV یا ماژول چند PV مورد اشاره قرار دادند [27].

(محمد فرهادی کنگرلو و ابراهیم بابایی، 2012)  یک توپولوژی جدید برای اینورترچند سطحی پیشنهاد دادند و سپس اتصال سری اینورترهای چند سطحی به عنوان یک اینورتر چند سطحی تعمیم یافته پیشنهاد شد. این اینورتر چند سطحی پیشنهادی از تعداد ادوات کلیدزنی کمتری استفاده می کند [28].

(ایوان پاترائو، امیلیوفیگورس، فرانگونالز-اسپیون، گابریلگارسریا، 2011) در مقاله ای با عنوان توپولوژی های بدون ترانسفورماتور برای اینورترهای فتوولتائیک تک فاز متصل به شبکه، مروری بر اینورترهایفتوولتائیک تک فاز متصل به شبکه براساس توپولوژی های بدون ترانسفورماتور را انجام دادند. جهت بهبود بازده و کاهش هزینه یک سیستم فتوولتائیک، استفاده از اینورترهای ­فتوولتائیک یک راهکار است که مورد توجه برخوردار شده است. زیرا دارای مسائلی مرتبط با اتصال گالوانیک بین شبکه وسیستم فتوولتائیک می باشد. (برای مثال، افت بازده و مسائل ایمنی)[29].

(ابراهیم بابایی و سید حسین حسینی، 2009) در مقاله ای  با عنوان توپولوژی اینورتر چند سطحی آبشاری جدید با حداقل تعداد کلیدها، یک توپولوژی جدید اینورتر چند سطحی آبشاری با استفاده از کاهش تعداد کلیدها، مدارهای درایورگیت عایق شده و ولتاژ اعمال شده برروی کلیدها را پیشنهاد کردند. توپولوژی پیشنهادی باعث کاهش مساحت و هزینه نصب میگردد و دارای سهولت و سادگی سیستم کنترل می شود. این ساختار شامل بلوک های اینورتری چند سطحی متصل شده به صورت سری می­باشد. سه الگوریتم برای تعیین بزرگی منابع ولتاژ ارائه شده اند و آنها اعتبار تحلیل را بوسیله نتایج شبیه سازی و تجربی، تایید کردند[30].

abstract

Voltage and current in common mode because of making parasitic capacitance between the solar cell and the frame that is usually grounded,. This capacity is usually modeled as capacitorsbetween negative lead of solar cell andground. In solar cells that are connected by transformer to the grid, electrical isolation of windings of the transformer and high frequency common mode voltages and currents virtually no room for the flow of common mode current and in practice resulting in no any common mode current. This type of invertor arrangement and the way of switching have no effect on the issue. But in no trans arrangement must find a path to prevent the transmission of common mode voltage, leakage current from the network found.

If the level is high enough to bridge the base frequency square wave modulation was also keying. Thus electromagnetic effects between power and the electronic parts of the system are minimized. At the same time the output voltage sine wave inverter to be close and there is a great need for filtering and common mode voltage will be created. However, for low frequency square wave modulation voltage and current will cause distortion. So using sinusoidal pulse width modulation for different levels suggested by different modulation factor. Sinusoidal pulse width modulation method is simpler and more intuitive method of vector space method and its application to the inverter, two, three and multilevel unipolar and bipolar need for complicated calculations no. That is why it is aimed at optimization of the common-mode voltage is possible.

Key words: Common mode voltage , Sinusoidal Pulse-Width Modulation , space vector pulsewidth modulation , inverter topology