توصيفگر ها :
شبكه انتقال HVDC , مبدلهاي چندسطحي ماژولار , حفاظت DC مبدلهاي چندسطحي ماژولار , چالشهاي حفاظتي شبكه هاي HVDC
چكيده فارسي :
در چندسال اخير مبدلهاي چندسطحي ماژولار به يكي از اركان سيستمهاي جريان مستقيم ولتاژ بالا تبديل شدهاند و تحقيقات بهروي اين موضوع مخصوصاً از جنبههاي قابليت اطمينان شبكهها و مبدل گسترش يافته است. در اين پاياننامه، با توجه بهجذابيتهاي مبدلهاي چندسطحي ماژولارِ مبتني بر سلول نيمپل بهدليل هزينه پيادهسازي و تلفات كم و عدم قابليت بلوكهسازي خطا DC در اين مبدل، ابتدا سعي بر بهبود عملكرد مبدل در شرايط عادي، سپس ارائه ساختار جديد براي اين مبدل مبتني بر ساختار سلول نيمپل با قابليت بلوكهسازي خطا شده است. دراين مبدلها به حداقل رساندن جريان گردشي در مبدل، ريپل ولتاژ خازنهاي سلولها، كنترل توان عبوري و برقراري تعادل ولتاژ خازنهاي سلولهاي مبدل از مهمترين اهداف تحقيقاتي بوده است. امروزه معيار هزينه، تلفات و در كنار آن سرعت عملكرد، از جمله معيارهاي بررسي يك سيستم است، لذا تحقيقات همواره به اين سمت رفته است تا چالشهاي اشاره شده با كمترين هزينه و تلفات ممكن برطرف شود. مبدلهاي چندسطحي ماژولار مبتني بر سلول نيمپل عليرغم جذابيتهايي كه دارد، اما توانايي بلوكهسازي خطا را ندارد و اين چالش اصلي اين ساختار است. ساختارهاي ديگري براي سلولِ مبدل ارائه شده است، نظير ساختار تمامپل و ساختارهاي تركيبي كه باعث ايجاد قابليت بلوكهسازي خطا ميشوند اما ساختار تمامپل تعداد زياد ادوات نيمههادي، هزينه پيادهسازي و تلفات بالايي دارد ولي اين مزيت را دارد كه زمان بلوكهسازي خطا پاييني دارد؛ در ساختارهاي تركيبي در اين مبدلها، از هردو ساختار (نيمپل و تمامپل) استفاده ميشود تا دركنار داشتن مزيتهاي ساختار نيمپل، قابليت بلوكهسازي به مبدل اضافه شود. اين ساختارها عليرغم ايجاد قابليت بلوكهسازي خطا، همچنان از نقطه نظر تلفات و زمان بلوكهسازي نياز به اصلاح دارند. در ابتدا با بيان مزيتهاي مبدل چندسطحي ماژولار و چالشهاي پيادهسازي آن، سعي بر محدودسازي جريان گردشي بدون استفاده از كنترلكننده شده است تا هزينه كاهش پيدا كند و از طرفي سرعت ديناميكي مبدل كاهش پيدا نكند سپس از طريق بهينهسازي نحوه كليدزني مبدل بهمنظور دستيابي به كمترين تعداد كليدزني، تلفات كليدزني كاهش داده شده است و به موازات آن از طريق الگوريتم كليدزني مناسب، تعادل ولتاژ خازنهاي سلول محقق شده است كه اين خود نيز برحذف يك كنترلكننده ديگر دلالت دارد تا بتوان همچنان هزينه را كاهش داد و سرعت مبدل را بالا نگه داشت. پس از بهبود عملكرد و هزينهها، به هدف اصلي پژوهش يعني ارائه يك ساختار جديد براي مبدل چندسطحي ماژولار مبتني بر سلول نيمپل با اين قابليت كه بتواند خطا DC را كنترل كند، پرداخته شده است. پس از بيان تئوري روش پيشنهادي، پياده و شبيه سازي آن، به بررسي صحت عملكرد ايده پرداخته شده است كه ساختارپيشنهادي طبق شبيهسازي به خوبي توانست خطا را بلوكه كند. در ادامه نتايج حاصل از شبيهسازي روش پيشنهادي و ساختارهاي تمامپل و تركيبي ارائه شده تاكنون، با يكديگر از جهات مختلف نظير هزينه پيادهسازي، تلفات و بازده ساختار، زمان بلوكهسازي خطا مقايسه شده است.در اين مقايسه، ساختار پيشنهادي توانست تعداد ادوات نيمههادي را حداقل در حدود 10درصد كاهش دهد و از بعد تلفات توانست، بازده مبدل را حداقل 7 درصد بهبود دهد؛ همچنين از جهت زمان بلوكهسازي خطا در حدود 25 درصد بهبود عملكرد داشته باشد.
چكيده انگليسي :
In recent years, modular multilevel converters have become one of the pillars of high voltage direct current systems, and research on this issue has been expanded, especially from the aspects of network and converter reliability. In this thesis, considering the attractiveness of modular multilevel converters based on the half-bridge cell structure due to the cost of implementation and low losses and the lack of inherent DC fault blocking capability in this converter, we first try to modify and improve the performance of the converter in normal and fault conditions and then present a new structure for this converter is based on half-bridge cell structure with fault blocking capability. Nowadays, the criteria of the implementation cost and losses of a system, along with the performance speed of that system, are among the qualitative and quantitative evaluation criteria of a system, so research has always gone in this direction to solve the mentioned challenges with the least possible cost and losses. On the other hand, in recent years, modular multilevel converters have become one of the pillars of high voltage direct current power transmission systems, and research has been found on this issue, especially from the aspects of reliability and protection of these networks and converters, has been expanded in order to eliminate their errors as quickly as possible. Modular multilevel converters based on half-bridge cells, despite their attractiveness, do not have the ability to block DC fault intrinsically, and this is the main challenge of using this structure. Other structures for the modular multilevel converter cell have been proposed, such as the full-bridge structure and the hybrid structures that create the fault blocking capability intrinsically within the converter, But these structures need to be modified in terms of costs and losses. At first, by stating the advantages of modular multilevel converters and the challenges of implementing this converter, an attempt has been made to limit the circulating current without using a controller in order to reduce the cost. Then, through the optimization of the switching method of the converter in order to achieve the least number of switching, the switching losses have been reduced and in parallel, through the appropriate switching algorithm, the voltage balance of the cell capacitors in the converter has been achieved. After improving the performance and costs, the main goal of the research is to provide a new structure for modular multilevel converters based on half-bridge cells with the ability to control the DC fault intrinsically. After stating the theory of the proposed method and its implementation and simulation, the validity of the main idea has been investigated. In the following, the results obtained from the simulation of the proposed method and the full-bridge and hybrid structures presented so far have been compared and analyzed from different aspects such as implementation cost, losses and structure efficiency, fault blocking time. In this comparison, the proposed structure was able to minimize the number of semiconductor devices. reduce by about 10%, and from the point of loss, it was able to improve the efficiency of the converter by at least 7%, and also improve the performance by about 25% in terms of fault blocking time.