کنترل مود لغزشی اینورتر منبع Z

چکیده

مقدمه

شکل1. پیکربندی طرحوار یک اینورتر منبع z

پیکربندی، مشخصات و قوانین عملکرد اصلی اینورتر منبع Z

شکل2. مدارهای معادل ZSI. (الف) مود shoot-through. (ب) مود غیر shoot-through.

کنترلر مود لغزشی برای اینورتر منبع Z

شکل3. دیاگرام طرحوار ZSI کنترل شده با مود لغزشی. (الف) منبع z و کنترلر. (ب) کنترلر مود لغزشی هیسترزیس برای ولتاژ امپدانس شبکه‌ی خروجی. (ج) کنترلر سوئیچینگ اینورتر.

توصیف فضای حالت

کنترلر مود لغزشی

بررسی شرط وجودی

نتایج شبیه‌سازی

جدول1

مشخصات اینورتر منبع z 

شکل4. مشخصات خروجی ZSI کنترل شده با مود لغزشی در شرایط نامی. (الف) ولتاژ خازن و مقدار مرجع آن. (ب) ولتاژ خروجی شبکه امپدانسی و مقدار مرجع آن. (ج) شکل موج‌های مرجع برای سه پایه‌ی اینورتر. (د) شاخص مدولاسیون (M). 

شکل5. مشخصات خروجی ZSI کنترل شده مود لغزشی در حالی که Vin از مقدار نامی تا 20 ولت (در لحظه‌ی t=0.04 ثانیه) کاهش داده می‌شود. (الف) ولتاژ خازن و مقدار مرجع آن. (ب) ولتاژ خروجی شبکه‌ی امپدانسی و مقدار مرجع آن. (ج) شکل‌موج‌های مرجع برای سه پایه‌ی اینورتر. (د) شاخص مدولاسیون (M). 

شکل6. مشخصات خروجی ZSI کنترل شده مود لغزشی در حالی که Vin، RLoad، Viref به ترتیب در لحظات t=0.04، 0.08 و 0.1 ثانیه از مقادیر نامی خود به 20 ولت، 15 اهم و 36 ولت تغییر می‌کنند. (الف) ولتاژ خازن و مقدار مرجع آن. (ب) ولتاژ خروجی شبکه‌ی امپدانسی و مقدار مرجع آن. 

نتایج آزمایشگاهی

شکل7. پاسخ زمانی ولتاژ خازن نسبت به فرمان آن. 

نتیجه‌گیری

- در این مقاله، کنترل مود لغزشی (SMC) به یک مبدل منبع z اعمال می‌شود تا ولتاژ dc خروجی شبکه‌ی امپدانسی کنترل شود. فرض می‌شود این مبدل در مود هدایت پیوسته (CCM) کار ‌کند. در ابتدا نوشتجات در رابطه با اینورتر منبع z (ZSI) و استفاده از کنترل مود لغزشی در مبدل‌های سوئیچ‌شده به طور جامع مرور می‌شود. رویه‌ی طرای SMC که در ZSI کاربرد دارد، ارائه می‌شود. شبیه‌سازی‌های کاربرد SMC در اینورتر منبع Z انجام شده و نتایج تشریح می‌شود. نتایج حاصله موید کارائی و قوت کنترلر نامبرده است.

اینورترهای مرسوم مدولاسیون پهنای پالس (PWM) به طور گسترده برای تبدیل توان ac به dc به کار رفته‌اند. دو نوع اینورتر سنتی PWM وجود دارد، اینورتر منبع ولتاژ و منبع جریان (VSI و CSI)، که هر کدام محدودیت‌ها و مشکلات خاص خود را دارد. مهم‌ترین این محدودیت‌ها عبارتند از: • VSI و CSI برای تبدیل توان dc به ac به ترتیب به صورت اینورترهای باک و بوست عمل می‌کنند. • مساله‌ی نویز داخل الکترومغناطیسی (EMI). در VSI هر دو سوئیچ واقع در یک پایه (leg) نمی‌توانند همزمان روشن باشند و در CSI نیز نمی‌توانند همزمان خاموش باشند. بنابراین به علت نویز EMI، باید حتما یک زمان مرده ‌ای در قوانین سوئیچینگ اعمال شود. برای غلبه بر این محدودیت‌های اینورترهای مرسوم، یک نوع جدیدی از اینورتر (اینورتر منبع Z یا ZSI) توسط اف. زد. پِنگ در سال 2003 معرفی شد [1] (شکل1). مدل‌های حالت دائم و گذرای ZSI در [4]-[2] استخراج شدند. به منظور استفاده از بردار shoot-through جهت کنترل بوست dc این نوع جدید اینورتر، روش‌های PWM اصلاح شده و به طور جامع در [7]-[5] بحث شده‌اند. اعمال اینورتر منبع Z به سیستم‌های درایو با سرعت قابل تنظیم (ASD) [11]-[8] می‌تواند بر برخی از مشکلات سیستم‌های ASD مرسوم غلبه کند، مثل نفوذ فلش ولتاژ روی سیستم ASD، انتقال جریان‌های هجومی و تزریق هارمونیک به شبکه قدرت و قابلیت اطمینان پایین سیستم به علت حساسیت به shoot-through. به دلایل توقف ولتاژ (voltage suppression) در طی افزایش توان خروجی پیل سوختی، مشخصات غیرخطی P-V مدل فوتوولتائیک (PV) و توانائی ZSI برای بوست و تنظیم ولتاژ dc تا یک سطح مطلوب، به کارگیری این نوع جدید اینورتر در پیل سوختی و سیستم‌های PV به طور گسترده در [1]، [16]-[12] بررسی شده است. همانطور که در [1] نشان داده شده است، ZSI می‌تواند ولتاژ ورودی dc را بوست کند و بنابراین یکی از اهداف کنترلی عبارت است از کنترل ولتاژ بوست شده‌ی dc. برای بیشینه‌کردن بهره‌ی ولتاژ مربوط به ولتاژ شبکه‌ی امپدانسی برخی راهبردها در [1]، [18]-[17] ارائه شده است. الگوریتم‌هایی برای کنترل خطی خازن و ولتاژ ac خروجی منبع Z در [4] ارائه شده است. مقالات اولیه در رابطه با کنترل اینورتر منبع Z از طبیعت حلقه باز استفاده کرده‌اند [1]، [5]، [8]، اما مقالات جدید کنترلرهای حلقه بسته را طراحی کرده‌اند تا ولتاژ بوست شده‌ی dc و ولتاژ ac خروجی اینورتر را کنترل کنند [4]، [14]، [19]. کنترل مود لغزشی (SMC) در ابتدا به منظور کنترل سیستم‌های غیرخطی و ساختار متغیر (VSS) معرفی شد [20]. این نوع کنترلر حلقه بسته از لحاظ پایداری و استحکام ورودی سیستم، تغییرات خروجی و عدم قطعیت‌ پارامترها معروف است. SMC یک روش موثر و کارا جهت کنترل مبدل‌های توان است، و دلیل آن طبیعت سوئیچینگ این سیستم‌ها است. SMC را نمی‌توان به صورت ایده‌آل اعمال کرد، که دلیل آن فرکانس سوئیچینگ محدود مبدل‌های توان است، بنابریان همه‌ی آنها به عنوان کنترلرهای مود شبه لغزشی عمل می‌کنند. لذا مقالات متعددی انواع سطوح لغزشی را ارائه و بحث کرده‌اند تا ولتاژ خروجی مبدل‌های dc-dc به خصوص مبدل‌های باک، بوست و cuk را کنترل کنند [26]-[21]. به منظور اصلا فرکانس سوئیچینگ، کنترل معادل به SMC اعمال می‌شود [26]-[24]. SMC معمولی دینامیک سیستم را در نظر نمی‌گیرد، مراجع [25] و [26] هم از فرمول آکرمن برای طراحی کنترلرهای استاتیک بهره می‌برند [27]. این موضوع اساسا با انتخاب ضرایب لغزشی جهت دستیابی به ویژگی‌های دینامیکی مطلوب سروکار دارد. در کاربردهایی که ولتاژ dc ورودی مبدل در شرایط مختلف تغییر می‌کند و یا ولتاژ dc که برای اینورتر لازم است به علت بار تغییر می‌کند، به نظر می‌رسد ZSI مناسب باشد چون دارای قابلیت کنترل ولتاژ dc است و SMC یک روش کنترلی خوب است چون نسبت به ورودی سیستم و تغییرات خروجی استحکام دارد. در این مقاله SMC به منظور کنترل و تنظیم ولتاژ خروجی شبکه‌ی امپدانسی ZSI به کار گرفته می‌شود.