روش کاهش هارمونیک انتخابی برای مبدل های توان بالا

چکیده

اصطلاحات شاخص 

مقدمه

شکل 1.   الگوری سوییچینگ PWM از پیش برنامه ریزی شده ی سه-سطحی با 5 زاویه سوییچینگ .

اصل SHMPWM

طراحی فیلتر

SHMPWM در مقابل SHEPWM

شکل 2.   یک نوع توپولوژی فیلتر پسیو برای کاربردهای توان-بالا. این سختار با نام فیلتر LCL با تله های هارمونیکی، معروف می باشد.

جدول 1.   ملزومات کد شبکه EN 50160 + کد کیفیت شبکه CIGRE WG 36-05.

شکل 3.   نتایج شبیه سازی مقایسه ی تکنیک های SHEPWM و SHMPWM با در نظر گرفتن S1 با یک فرکانس سوییچینگ برابر با 350 Hz. بدترین حالت در بازه ی .

نتایج شبیه سازی

شکل 4.   نتایج شبیه سازی مقایسه ی تکنیک های SHEPWM و SHMPWM با در نظر گرفتن S2 با یک فرکانس سوییچینگ برابر با 350 Hz. بدترین حالت در بازه ی .

شکل 5.   اینورتر 150 کیلو-ولت-آمپری با مهار-دیودی سه-سطحی back-to-back مبتنی بر IGBT. ولتاژ پیوند dc برابر با 800 V می باشد.

 نتایج تجربی

شکل 6.   ولتاژ آزمایشی فاز به نقطه میانی، با استفاده از شش فرکانس کلیدزنی برای یک مبدل سه-سطحی که با استفاده از یک پراب اسکوپ با نسبت ولتاژ 1:5 بدست آمده است.

شکل 7.   جریان و ولتاژ خط آزمایشی به ازای Ma = 1.20 که با استفاده از یک پراب اسکوپ با نسبت ولتاژ 1:5 و یک پراب جریان 10 mV/A.

شکل 8.   مقادیر تجربی در کل بازه Ma، که با استفاده از (a) SHEPWM، (b) SHMPMW-S1، و (c) SHMPWM-S2 بدست آمده اند. (از بالا به پایین) هارمونیک های 23-ام، 25-ام، 29-ام و 31-ام. مقیاس ها از 0% تا 35% مولفه اصلی هارمونیک (یعنی هارمونیک اول) تنظیم شده اند.

جدول 2.   نتایج تجربی و شبیه سازی با استفاده از تکنیک های SHEPWM و SHMPWM، با در نظر گرفتن استراتژی های S1 و S2.

نتیجه گیری

در کاربردهای توان-بالا، بیشینه فرکانس سوییچینگ به دلیل تلفات گرمایی، محدود می شود. این، منجر به شکل موج های با اعوجاج زیاد می شود. در این کاربردها، بایستی شکل موج خروجی را با استفاده از سیستم های فیلتر پسیو حجیمی، فیلتر کرد. تکنیک مدولاسیون پهنای پالس کاهش هارمونیک انتخابی (SHMPWM) که هم اکنون ارایه می شد، شکل موج های خروجی تولید می کند که در آن اعوجاج هارمونیکی محدود بوده، و هنگامی که تعداد زاویه های سوییچینگ به اندازه کافی زیاد است، کدگذاری شبکه خاص را انجام می دهد. تکنیک مربوطه، پیش از این با استفاده از فرکانس سوییچینگ برابر با 750 Hz ارایه شده بود. در این مقاله، یک پیاده سازی مخصوص از روش SHMPWM که برای فرکانس های سوییچینگ پایین، بهینه سازی شده است، بررسی خواهد شد. نتایج آزمایشی، بدست آمده از اعمال SHMPWM به یک مبدل نقطه-خنثی-مهار شده (NPC) _با استفاده از فرکانس سوییچینگ برابر با 350 Hz_ بدست آمده است. نتایج بدست آمده، نشان می دهند که تکنیک SHMPWM، نتایج تکنیک مدولاسیون پهنای پالس حذف هارمونیک انتخابی قبلی را _به ازای فرکانس های کلیدزنی (سوییچینگ) خیلی پایین_ بهبود می بخشد. این حقیقت، بیان می دارد که روش SPWM در کاربردهای توان-بالا، بسیار کار آمد بوده و استفاده از آن موجب کاهش مهم عناصر فیلترینگ گران قیمت و حجیم، می شود.

در کاربردهای توان-بالا، بایستی مولفه ی هارمونیکی شکل موج خروجی را تا حد امکان، کاهش داد تا از اعوجاج در شبکه جلوگیری شده و بیشینه بازده انرژی بدست آید. در این کاربردها، تلفات حرارتی در نیمه هادی های قدرت، بیشینه (ماکزیمم) فرمانس کلیدزنی آنها را به چند-صد هرتز محدود می کند، و مناسب ترین سیستم های قدرت برای استفاده در این کاربردها، مبدل های چند-سطحی هستند. بتازگی، پژوهش های زیادی، با توپولوژی های مبدل چند-سطحی مختلفی، ارایه شده اند، و عملکرد خوب آنها در کاربردهای توان-بالا، قابل مشاهده بوده است. بعلاوه، استفاده از روش های مدولاسیون و سیستم های فیلترینگ مخصوص، به منظور انجام کدهای شبکه در نقطه اتصال مشترک (PCC)، امری بایسته می باشد. معمولا کدهای شبکه، حدود مشخصی را برای هارمونیک های بالای مرتبه پنجاه-ام و برای اعوجاج هارمونیک کل (THD)، مشخص می کنند. فیلترهای پسیو مورد استفاده برای کاهش اعوجاج هارمونیک به شبکه، بسیار حجیم و گران قیمت هستند. از سویی دیگر، استفاده از یک روش مدولاسیون آسان، به منظور بدست آوردن شکل موج های خروجی با مولفه ی هارمونیکی قابل قبول، بسیار آسان می باشد. یکی از محبوب ترین تکنیک های مدولاسیون برای کاربردهای توان-بالا، روش معروف مدولاسیون پهنای پالس حذف هارمونیک انتخابی (SHEPWM)، می باشد که اصل آن در مرجع [4] ارایه شده است. با این روش، می توان سیگنال های خروجی با مولفه ی هارمونیکی کمتری از دیگر تکنیک ها، بدست آورد؛ زیرا تعداد محدودی از هارمونیک های مرتبه پایین را صفر می کند. از سویی دیگر، تکنیک مدولاسیون پهنای پالس کاهش هارمونیک انتخابی (SHMPWM) که بتازگی ارایه شد، می تواند محدودیت های بکار رفته در روش SHEPWM را به منظور بدست آوردن شکل موج خروجی با عملکرد هارمونیکی بهتر، برآورده ساخته، و نیز رگولاسیون شبکه واقعی را هم لحاظ کند. در [5] (مرجع)، نشان داده شد که با استفاده از روش SHMPWM با فرکانس کلید زنی برابر 750 Hz، می توان بدون استفاده از هیچ گونه سیستم فیلتر اضافی، هم کد شبکه CIGRE WG 36-05 و هم کد شبکه EN 50160 را تکمیل کرد. در این مقاله، یک فرکانس کلیدزنی بسیار پایین برابر با 350 Hz، با استفاده از تنها هفت زاویه ی کلیدزنی (سوییچینگ) در نظر گرفته شده است، که منجر به طراحی جدید تابع هدف (OF) تکنیک SHMPWM می شود. این با کار ارایه شده در [5] بسیار متفاوت می باشد؛ در آنجا از تعداد زیادی زاویه های سوییچنیگ، برای تکمیل کد شبکه بدون استفاده از سیستم های فیلتر کننده، استفاده شده است. در این مقاله، نشان می دهیم که با بکاربری از هفت فرکانس سوییچینگ _حتی با وجود استفاده از تکنیک SHMPWM_ برخی از هارمونیک ها، بالاتر از حد ماکزیمم کد شبکه هستند. یک روش تحلیلی برای تعیین OF (تابع هدف)، در این مقاله معرفی شده است که ضرایبی همچون حاشیه امنیتی و ضریب جریمه را تعیین می کند. بسته به کاربرد خاص مبدل های توان-بالا، دو راه حل ممکن برای تعیین OF، معرفی شده اند. راه حل های مختلف (استراتژی های S1 و S2)، بر روی بهبود هارمونیک های مختلف، تمرکز کرده اند و در بخش 4 بدان خواهیم پرداخت. همچنین مقایسه ای با تکنیک SHEPWM، در فرکانس کلید زنی پایین یکسان، انجام گرفته است. از یک مبدل دیود-مهار-شده سه-سطحی سه-فاز، به عنوان نصب آزمایشی استفاده شده است تا مزایای بدست آمده توسط تکنیک SHMPWM، مشاهده شود. با استفاده از SHEPWM، می توان تعداد محدودی از هارمونیک ها را صفر کرد، ولی هارمونیک های حذف نشده، در الگوریتم موجود نبوده و ممکن است به دامنه های بسیار بالایی برسند. این، منجر به این حقیقت می شود که، نمی توان این هارمونیک ها را به زیر مقداری مطلوب نگه داشت، و همزمان از سیستم های فیلترینگ بسیار بزرگ و گران قیمت، استفاده نکرد. اگرچه، با بکاربری از انعطاف پذیری SHMPWM، می توان معیارهای مختلفی برای هارمونیک های مرتبه پایین و بالا _که در کد شبکه لحاظ شده اند_ اعمال کرد. هارمونیک های مرتبه پایین را می توان به مقداری که پایین تر از محدوده ی مشخص شده در کد شبکه است، کاهش داد. هارمونیک های مرتبه بالاتر _که هیچ کنترلی توسط SHEPWM بر روی آنها وجود ندارد_ را می توان توسط SHMPWM، کاهش داد. در این مقاله، تلاش های محاسباتی تکنیک SHMPWM، بر روی کاهش هر چه بیشتر مولفه ی هارمونیکی _که باید به منظور انجام کد شبکه، فیلتر شود_ متمرکز می شود. هدف اصلی، کاهش نیاز به فیلترینگ می باشد، تا اندازه، وزن، و هزینه عناصر فیلتر کننده، کاهش یابد. این مقاله، بصورت زیر سازمان یافته است: در بخش 2، اصل SHMPWM بطور چکیده آورده شده است. بخش 3، مساله طراحی فیلتر و رایج ترین راه حال های مورد استفاده را تشریح می کند. در بخش 4، تفاوت های میان تکنیک های SHEPWM و SHMPWM بطور دقیق آورده شده اند، و مقایسه ای با استفاده از نتایج شبیه سازی بدست آمده، در بخش 5 انجام پذیرفته است. نتایج تجربی نیز که پیشرفت بدست آمده با استفاده از روش SHMPWM را تعیید می کنند، در بخش 6 ارایه شده است. در پایان، نتیجه گیری های این مقاله در بخش 7 آورده شده است.