شماره مدرك
21320
شماره راهنما
2533 دكتري
پديد آورنده
كرباسي، شيما
عنوان
تحليل، مدل سازي و كنترل مبدل چندسطحي هيبريدي بازوي متناوب به منظور بهبود عملكرد در سيستم هاي انتقال توان ولتاژ بالاي جريان مستقيم
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
قدرت
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
شانزده، 183 ص.: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
مبدل چندسطحي مدولار هيبريدي بازوي متناوب , مبدل منبع ولتاژ , سيستم انتقال توان ولتاژ بالاي جريان مستقيم , كنترل كننده ي منطق فازي , كنترل كننده ي پيش بين مبتني بر مدل , جريان چرخشي , مُد عملكرد هم پوشاني و غيرهم پوشاني , اعوجاج هارمونيكي كل
تاريخ ورود اطلاعات
1405/07/22
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/07/22
كد ايرانداك
23223538
چكيده فارسي
در الكترونيك-قدرت، مبدل به عنوان رابط قدرت در بسياري از سيستمهاي كاربردي از جمله سيستمهاي انرژي تجديدپذير و HVDC استفاده ميشود. مبدلهاي چندسطحي در مقايسه با مبدل مرسوم دو و سه سطحي، قادر به توليد شكل موجهايي با تعداد سطوح ولتاژ بالاتر هستند. اين قابليت باعث شده اين مبدلها در مقايسه با مبدلهاي دوسطحي، داراي ويژگيهايي نظير كيفيت توان بالاتر، سازگاري الكترومغناطيسي بهتر و بهره بالاتر باشند. ساختار مدولار اين مبدلها، قابليت توسعه و افزايش سطوح را به راحتي فراهم ميكند. مبدل چندسطحي مدولار را ميتوان با استفاده از سلولهايي با ساختارهاي مختلف براي پاسخگويي به نيازهاي كاربردي مثل تحمل خطاي DC، ريپل ولتاژ خازن كمتر و جريانهاي چرخشي كمتر و بهره بالا تحقق بخشيد. در عمل، سلول نيم پل از نقطه نظر اجزاي كمتر و بهره بالاتر، محبوبترين سلول به شمار ميرود و به طور وسيعي در كاربردهاي صنعتي مورد استفاده قرار ميگيرد. در عملكرد معمولي اين سلول، تنها يك كليد روشن است، بنابراين تلفات توان كمتر و بازده بيشتري نسبت به بقيه ي سلولها دارد. ولي ولتاژ خروجي سلول، صفر و سطح مثبت دارد و قابليت مسدود كردن خطاي DC را ندارد. اما سلول تمام پل، از سطوح ولتاژ منفي براي محدود كردن جريان در صورت بروز خطا در قسمت DC استفاده ميكند، ولي تعداد ادوات و تلفات دو برابر نسبت به نيم پل دارد. بنابراين مبدل چندسطحي مدولار با سلول نيم پل مقرون به صرفه تر است. اشكال عمده ساختار مبدل چندسطحي مدولار، وجود جريان چرخشي نسبتا بالا است كه باعث كاهش كارايي مبدل، افزايش دما هنگام قطع و وصل كليدها، افزايش نوسانات ولتاژ خازن ها و كاهش قابليت اطمينان ميشود. برخي معايبِ اين مبدلها، طي سالها سبب رشد و تحول در مبدلهاي هيبريدي (تركيبي) شده است. در ساختارهاي هيبريدي، سلول ساختاري پايه از يك خانواده با سلول پايه خانواده ديگر، ادغام ميشود تا از ويژگيهاي خاص يك خانواده براي از بين بردن كاستي ساختار ديگر استفاده شود. در بين اين مجموعه، انتظار ميرود مبدل چندسطحي هيبريدي بازوي متناوب با كاهش چشمگير جريان چرخشي در مقايسه با مبدل چندسطحي مدولار، آينده درخشاني در صنعت داشته باشد. اين مبدل، تركيبي از عناصر مبدل منبع ولتاژ دوسطحي و مبدل چندسطحي مدولار است كه با كاهش تعداد كليدها و كاهش جريان چرخشي، بخشي از مشكلات مبدل چندسطحي مدولار را حل كرده است. دو ساختار نيم پل و تمام پل براي اين مبدل ارائه شده كه مزيت استفاده از مبدل هيبريدي بازوي متناوب نيم پل نسبت به تمام پل، استفاده از كليدهاي نيمه هادي كمتر، كاهش تلفات كليدزني و پيچيدگي سيستم كنترلي است. براي عملكرد مطلوب مبدل، علاوه بر طراحي مناسب ساختار، لازم است كه چالشهاي مبدل در نظر گرفته شود و سيستم كنترلي مناسب طراحي گردد. مبدل هيبريدي بازوي متناوب، به دليل پيچيدگي كمتر نسبت به برخي مبدلهاي چندسطحي، بار كنترلي كمتري را براي مهندسان و طراحان به همراه داشته است. همچنين بهدليل نوظهور بودن؛ در حال حاضر تحقيقات محدودي به موضوع طراحي سيستم كنترلي براي اين ساختار اختصاص يافته است. چالش اصلي كنترل اين مبدل اين است كه اولاً جريان AC سينوسي و با كمترين هارمونيك توليد شود، بهطوريكه در حالت همپوشاني فازها، جريان چرخشي كه در اثر تغييرات ولتاژ خازنها جاري ميشود تا حد ممكن كمينه گردد و داراي كمترين ميزان ريپل باشد، ثانياً ولتاژ خازنهاي سلولها در محدوده نامي آنها حفظ شود يا به عبارتي ولتاژ خازنها متعادل گردد؛ ثالثاً پايداري كنترلكننده در شرايط گذرا، زمانيكه مقادير مرجع توان اكتيو دست خوش تغيير ميشوند نيز فراهم شود. در چنين شرايطي، كنترلكننده بايد بتواند جريانهاي مرجع AC را با دقت تعقيب كرده و از بروز جهشهاي ناگهاني در خروجي جلوگيري كند. در اين تحقيق، طراحي، مدلسازي و توسعه كنترلكننده براي ساختار AAC با سلولهاي نيم پل در سيستم HVDC انجام ميشود. درواقع، ساختار AAC سه فاز در محيط نرمافزار MATLAB/Simulink طراحي شده و نقش AAC بهعنوان مبدل در دو ترمينال HVDC بررسي ميشود. ابتدا روش پيشفرض بر اساس كنترل مبتني بر PI كه در بسياري از مطالعات ارائه شده، شبيهسازي ميشود و سپس كنترلكننده هاي پيشنهادي منطق فازي و كنترل پيشبين مبتني بر مدل اجرا ميگردد و عملكرد كنترلكننده ها تحت شرايط مختلف سنجيده ميشود.
چكيده انگليسي
In the field of power electronics, converters play a critical role in a wide range of applications, including renewable energy systems and High-Voltage Direct Current (HVDC) systems. Among various converter topologies, multilevel converters are known as promising solutions for their ability to synthesize high-quality voltage waveforms with multiple voltage levels, outperforming conventional two-level converters in terms of power quality, electromagnetic compatibility, and operating voltage. Modular Multilevel Converters (MMCs) are now widely adopted in the power industry due to their modularity, scalability, and superior performance. Considering their implementation with different submodule structures, MMCs can meet diverse operational demands such as enhancing DC fault tolerance, reducing capacitor voltage ripples, mitigating circulating currents, and improving efficiency. The half-bridge cell submodule, widely employed in industry, offers considerable advantages, including simpler design, reduced switch count, and higher efficiency. However, MMCs inherently suffer from significant circulating currents, which degrade efficiency, increase thermal stress on switching devices, increase capacitor voltage ripples, and adversely affect system reliability. These drawbacks have motivated the development of hybrid converter topologies in recent years.
Hybrid converter structures address these challenges by combining the structure of different converter families to leverage their respective strengths while mitigating their weaknesses. Among these hybrid configurations, the Alternate Arm Converter (AAC) has emerged as a promising candidate for high-voltage and high-power applications. By integrating the features of the two-level Voltage Source Converter (VSC) and the MMC, the hybrid AAC achieves lower circulating currents and reduced switch counts, improving both efficiency and control flexibility. Two submodule configurations of half-bridge and full-bridge are developed for the AAC design. The half-bridge implementation of the AAC, in particular, provides additional advantages, including fewer semiconductor devices, lower switching losses, and simplified control architecture. For optimal converter operation, both the structural design and the control strategy must be carefully considered. The controller should (i) ensure the output voltage accurately follows the reference voltage, (ii) maintain capacitor voltages within their nominal range through effective balancing, and (iii) minimize circulating currents resulting from capacitor voltage ripples. While the AAC topology has attracted increasing research attention for its novelty and performance potential, relatively few studies have addressed the design and optimization of its control system.
This thesis investigates the modeling, control design, and performance evaluation of the AAC in HVDC applications. A comprehensive review of recent developments in AAC-based systems is presented, highlighting existing challenges in dynamic performance, stability, and control complexity. A new control approach is then proposed to enhance voltage regulation and circulating current suppression while maintaining low computational burden and implementation simplicity. The effectiveness of the proposed control strategy is validated through detailed simulations under various steady-state and transient operating conditions. The results demonstrate considerable improvements in capacitor voltage balancing and reduced circulating currents, confirming the potential of the proposed method for next-generation HVDC converter systems.
استاد راهنما
حميدرضا كارشناس , جواد ابراهيمي جوزداني
استاد داور
احمدرضا تابش , محمدسعيد مهدوي , محمد مدني