دانشگاه تهران

های فنیپردیس دانشکده

وتریکامپ و برق یمهندس دانشکده

عنوان پایان نامه:

ارائه استراتژی مناسب کنترلی برای عملکرد مداوم مبدل چندسطحی تمام پل

متوالی در شرایط رخداد خطا

نگارش:

محسن علی نژاد

د راهنما:تیااس

اهرخ فرهنگیدکتر ش -عینی دکتر حسین ایمان

رشته در ارشد کارشناسی درجه دریافت براي نامه پایان

هاي الکتریکی الکترونیک قدرت و ماشین گرایش -قدرت برق مهندسی

2931 خرداد

أ‌

دانشگاه تهران

هاي فنیپردیس دانشکده

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر

رشته در ارشد کارشناسی درجه دریافت براي نامهپایان

قدرت-برق مهندسی

هاي الکتریکی الکترونیک قدرت و ماشین گرایش

عنوان:

ارائه استراتژي مناسب کنترلی براي عملکرد مداوم مبدل چندسطحی تمام پل متوالی

در شرایط رخداد خطا

نگارش:

نژادمحسن علی

ورد تصویب قرار گرفت.در مقابل هیات داوران دفاع گردید و م 91/30/9011نامه در تاریخ این پایان

دکتر علی افضلی کوشا هاي فنی: معاونت آموزشی و تحصیالت تکمیلی پردیس دانشکده

دکتر جلیل راشد محصلدانشکده مهندسی برق و کامپیوتر: رئیس

دکتر سعید افشارنیا دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر: معاون پژوهشی و تحصیالت تکمیلی

دکتر شاهرخ فرهنگی -عینی ایمان نحسی دکتر د راهنما:تیااس

دکتر جواد فیض عضو هیئت داوران:

دکتر بهزاد آسایی عضو هیئت داوران:

دکتر محمدرضا ذوالقدري عضو هیئت داوران:

ب‌

اثر اصالت تعهد نامه

اینجانب پژوهشی کار حاصلنامه پایان این در مندرجمطالب که کنم می تایید نژادمحسن علی اینجانب

گردیده ارجاع مقررات طبق شده، استفاده ها آن از نوشته دراین که دیگران پژوهشی دستاوردهای به و بوده

.است نشده ارائه باالتر یا سطح هم مدرک هیچ احراز برای قبالنامه پایان این .است

.باشد می هرانت دانشگاه کامپیوتر و برق مهندسی دانشکده به متعلق اثر این معنوی و مادی حقوق کلیه

نژادمحسن علی

امضاء

ج‌

تقدیم هب پدر و ماردم هک همواره ابیتشپن بنده بوده اند

د‌

قدردانی

ر و مادرم قدردانی نمایم، همچنین از تمامی آموزگاران و دریغ پددانم از زحمات بیالزم می

دار ایشان هستم های خویش را واماند و تمام آموختهاساتیدی که همواره پشتیبان اینجانب بوده

کنم.تقدیر و تشکر می

عینی و دکتر شاهرخ فرهنگی که همواره دکتر حسین ایماناز زحمات اساتید گرانقدرم آقایان

های خویش را نامه، راهنماییهای این پایانصله در جهت رفع نواقص و کاستیبا صبر و حو

کنم.گذاری میاند سپاسدریغ ننموده

زاده ، شهرام گالشی و علیرضا کوچکی از تمامی دوستانم بخصوص آقایان محمد کاظم بخشی

ردانی قدنیز به خاطر تمامی زحمات ایشان در راستای طراحی و ساخت نمونه آزمایشگاهی

کنم.می

ه‌

چکیدهاز بین كه شوندمیامروزه ادوات الکترونیك قدرت در انواع مختلف و برای كاربردهای گوناگونی ساخته

اگر به هر دلیلی، .هستندیکی از پركاربردترین ساختارها ی منبع ولتاژ چندسطحیاینورترها تجهیزاتاین

-ود، شکل موج خروجی دچار تغییرات زیادی میدچار خطا ش هادر این اینورتر یکی از كلید های قدرت

بنابراین باید .متصل به آن مشکالت اساسی به وجود آورد بارشود كه ممکن است هم برای اینورتر و هم

تا عملکرد مداوم مبدل چندسطحی پس از وقوع خطا تضمین گردد. شودروشی ارائه

ندسطحی تمام پل متوالی در شرایط رخداد خطاعملکرد مداوم مبدل چنامه روش جدیدی برای این پایاندر

ی كلیدزنی اینورتر ایجاد است كه تلفیق خوبی بین اصالح آرایش سخت افزاری و اصالح نحوه شدهارائه

ای اصالح . در این روش پس از وقوع خطا با استفاده از تعدادی ادوات پشتیبان، آرایش مبدل به گونهكندمی

، سپس با تغییر روش مدوالسیون كارایی متقارن توسط اینورتر ممکن باشدشود كه تولید ولتاژهای می

.شوداینورتر در شرایط رخداد خطاهای متفاوت تضمین می

مولفه اصلی ولتاژ نامه روش مدوالسیون جدیدی ارائه شده است كه با استفاده از آنهمچنین در این پایان

سپس این روش مدوالسیون جدید یابد.می ارتقا DCلینك ژ ولتامیزان استفاده اینورتر از خروجی افزایش و

شود و باعث بهبود كارایی اینورتر عملکرد تحت شرایط خطا در اینورتر تمام پل متوالی استفاده میبرای

ولتاژ بیشتر ازاستفاده یابد، از آنجا كه پس از وقوع خطا تعداد سطوح ولتاژ خروجی كاهش می شود.می

شود.جبران بخشی از كاهش ولتاژ خروجی در شرایط خطا می منجر به DCلینك

های متعددی در محیط سازیهای پیشنهادی در شرایط خطاهای مختلف، شبیهبه منظور تایید عملکرد روش

نرم افزاری صورت گرفته است. همچنین پیاده سازی عملی روش پیشنهادی بر روی مبدل تمام پل

اند.سازی را تایید نمودهیهچندسطحی نیز نتایج حاصل از شب

های سخت راه حل ی منبع ولتاژ،اینورترها ی چندسطحی، اینورترها ، ادوات الکترونیك قدرت: کلید واژه

یکسوساز ،افزاری، روش مدوالسیون

و‌

فهرست

ح ........................................................................................................................................................ :مقدمه

5 .................................................................................................................................................... :اول فصل

6 .............................................................................................................................................. مقدمه -1-1

6 .......................................................................................................... یچندسطح و یدوسطح ینورترهایا -1-2

6 .................................................................................. یمعمول یسطح سه و دو ولتاژ منبع نورتریا ساختار -1-2-1

7 ................................................................................................. یچندسطح ولتاژ منبع نورتریا ساختار -1-2-2

13 ......................................................................................................................... یدزنیكل یها یاستراتژ -1-3

11 ....................................................................................... (SPWM) ینوسیس پالس یپهنا ونیمدوالس -1-3-1

11 ..................................................................................................... (SVM) ییفضا بردار ونیمدوالس-1-3-2

.Error! Bookmark not defined ...................................................................................................... : دوم فصل

22 ................................................................................................................................... خطا صیتشخ -2-1

22 ..................................................................................................................................... مقدمه -2-1-1

22 ................................................................................................... موج شکل لیتحل هیپا بر صیتشخ -2-1-2

26 .......................................................................................... :باز مدار یخطا صیتشخ یها روش انواع -2-1-3

31 .................................................................................... : كوتاه اتصال یخطا صیتشخ یها روش انواع -2-1-4

31 ............................................................................................. خطا طیاشر تحت عملکرد یبرا یریگ میتصم -2-2

31 ................................................................................................................ یودید مهار ینورترهایا -2-2-1

42 ............................................................................................................... شناور خازن ینورترهایا -2-2-2

43 ............................................................................................................ یمتوال پل تمام ینورترهایا -2-2-3

14 ..................................................................................................................................... یریگ هجینت -2-3

.Error! Bookmark not defined ...................................................................................................... :سوم فصل

16 ............................................................................................................................................ مقدمه -3-1

17 ................................................................................................ خطا وقوع از پس ونیمدوالس روش اصالح -3-2

17 ...................................................... دیجد ونیمدوالس روش از استفاده با مولفه اصلی ولتاژ خروجی شیافزا -3-2-1

ز‌

72 ........................................................................ دیجد ونیمدوالس روش از استفاده با خطا تحمل حل راه -3-2-2

77 ..................................................................................................................................... یریگ جهینت -3-3

97 ................................................................................................................................................ :چهارم فصل

18 ............................................................................................................................................ مقدمه -4-1

18 .......................................................................................................... یسطح پنج یمتوال پل تمام نورتریا -4-2

12 ...................................................................................................................... ییفضا بردار ونیمدوالس -4-3

16 ........................................................................ ییفضا بردار ونیمدوالس وشر از استفاده با خطا تحمل حل راه -4-4

16 ................................................................................................. خطا طیشرا در ییفضا بردار اگرامید -4-4-1

18 ..................................................................... نورتریا به DC ولتاژ آفست كردن اضافه یبرا طیشرا یبررس -4-4-2

81 ............................................................................... خطا طیشرا در مناسب یدزنیكل یاه حالت انتخاب -4-4-3

83 ...........................................................ییفضا بردار ونیمدوالس بر یمبتن یخطا تحمل روش از آمده بدست جینتا -4-1

83 ........................................................................................................................ یساز هیشب جینتا -4-1-1

87 ............................................................................................................................. یتجرب جینتا -4-1-2

188 ................................................................................................................................... یریگ جهینت -4-6

.Error! Bookmark not defined ..................................................................................................... :پنجم فصل

101 ................................................................................................................. شنهاداتیپ و یریگ جهینت ،یبند جمع

182 ................................................................................................................... یریگ هجینت و یبند جمع -1-1

183 ..................................................................................................................................... شنهاداتیپ -1-2

183 ............................................................................................................................ اول شنهادیپ -1-2-1

183 ............................................................................................................................. دوم شنهادیپ-1-2-2

105 .................................................................................................................................................... : مراجع

‌

‌

‌

ح‌

تصاویر و نمودارها فهرست

7 ........................................................................................................................ پل تمام اینورتر آرایش 1-1 شکل

1 ................................................................................................... ی سه فازسطح 1مهاردیودی نورتریا كی 2-1 شکل

8 ............................................................................................... فاز سه سطحی پنج شناور خازن اینورتر یك 3-1 شکل

11 ......................................................................................... سطحی چند ای اینورترطبقه یك فاز تك ساختار 4-1 شکل

11 .......................................................................................... ستاره اتصال با فاز سه یوالتم پل اینورتر شیآرا 1-1 شکل

11 .......................................................... یسطح چند یها نورتریا به اعمال قابل ونیمدوالس های روش یبند گروه 6-1 شکل

11 .................................................. مثلثی حامل یك با فاز سه سطحی دو معمولی SPWM موج شکل ساخت نحوة 7-1 شکل

بار فاز خط، نورتر،یا فاز: نییپا به باال از بیترت به ولتاژها. سطح انتقال ونیمدوالس از استفاده با یسطح هفت نورتریا یخروج موج شکل 1-1 شکل ............................................................................................................................................................... 16

بار فاز خط، نورتر،یا فاز: نییپا به باال از بیترت به ولتاژها. THPWM از استفاده با یسطح هفت نورتریا یخروج موج شکل 8-1 شکل

............................................................................................................................................................... 11

abc .............................................................. 18 مختصات ستمیس یی اینورتر هفت سطحی درفضا ردارب اگرامید 18-1 شکل

فاز خط، نورتر،یا فاز: نییپا به باال از بیترت به ولتاژها. SVM روش از استفاده با یسطح هفت نورتریا یخروج موج شکل 11-1 شکل

28 ............................................................................................................................................................ بار

23 .................................................... كی شماره چیسوئ باز مدار یخطا( ب یعاد كار حالت(الف ولتاژ منبع ورترنیا 1-2 شکل

21 ................................................................................................... یریگ اندازه یسنسورها یریقرارگ طرز 2-2 شکل

‌αβ ............................................................................... 28 مختلط صفحه در انیجر یعمود و یافق یها مولفه 3-2 شکل

28 ......................................................................................... نمودار فضایی جریان برای حاالت مختلف خطا 4-2 شکل

αβ ........................................................................................................ 31 یفضا در ای لحظه انیجر بردار 1-2 شکل

32 ........................................................................................................................ اشباع عدم روش مدار 6-2 شکل

33 ....................................................................................................................... انیجر نهیآ روش مدار 7-2 شکل

34 ............................................................................................................... تیگ ولتاژ یریگ اندازه روش 1-2 شکل

dv/dt ................................................................................................................ 34 یكنترل دبكیف روش 8-2 شکل

Sa3 ..................... 36 كوتاه اتصال یخطا یبرا( پررنگ یبردارها)دردسترس ییافض بردارهای-ب سطحی3 اینورتر-الف 18-2 شکل

37 .......................... خنثی نقطه به معیوب فاز اتصال حین دسترس در ولتاژ بردارهای-ب دوم حل راه از ساق كی-الف 11-2 شکل

31 .................................................................................................................. سوم حل راه از ساق كی 12-2 شکل

ط‌

38 ................................................................................................................ چهارم حل راه از ساق كی 13-2 شکل

48 ................................................................................... عیسر وزیف عملکرد-ب sa3 دیكل كوتاه اتصال-الف 14-2 شکل

41 ........................................................................... خطا تحمل قابلیت با اول حل راه در ساق چهار یاستراتژ 11-2 شکل

42 ......................................................................................................... دوم حل راه ساق چهار یاستراتژ 16-2 شکل

41 ................. ها سلول پسیبا از پس-ج خطا رخداد نیح-ب خطا بدون-الف یسطح11نورتریا عملکرد یفازور اگرامید 17-2 شکل

41 ....................................................................... ولتاژ مراجع بین شده اصالح فاز انتقال روش یفازور اگرامید 11-2 شکل

41 .................................................... افتهی لیتبد اگرامید-ب سطحی هفت CHB یك-الف فضایی بردار دیاگرام 18-2 شکل

‌48 ................................................................................... فضایی بردار دیاگرام روی بر مختلف خطاهای تاثیر 28-2 شکل

11 ................................................................................................... یمتوال پل تمام یسطح پنج یتوپولوژ 21-2 شکل

LSPWM .......................................................................................................... 12دیاگرام مدوالسیون 22-2شکل

ولتاژ فاز اینورتر و تابع مرجع آن به ازای مدوالسیون -مختلف ب یها بازهتوابع تعریف شده برای -تعریف توابع مرجع الف 1-3شکل

M=0.48 ولتاژ فاز اینورتر و تابع مرجع آن به ازای مدوالسیون -ج M=0.57 ................................................................ 61

66 .......... فاز بار -خط به خط ج -بفاز اینورتر -.)شبیه سازی( الفM=0.96تولید شده در اندیس مدوالسیون یولتاژها 2-3شکل

67 .............. فاز بار -خط به خط ج -فاز اینورتر ب -.)شبیه سازی( الفM=1تولید شده در اندیس مدوالسیون یولتاژها 3-3شکل

M=1 ...................................................................... 67ن طیف هارمونیکی ولتاژ بار اینورتر در اندیس مدوالسیو 4-3شکل

61 ............................................................................................ نمایی از سیستم هفت سطحی تمام پل متوالی 1-3شکل

68 ........ فاز بار -خط به خط ج -فاز اینورتر ب -الف. M=0.96تولید شده توسط اینورتر در اندیس مدوالسیون یولتاژها 6-3شکل

78 ................. خط به خط اینورتر -فاز اینورتر ب -الف.. M=1تولید شده توسط اینورتر در اندیس مدوالسیون یولتاژها 7-3شکل

71 .................................................................................. بار ولتاژ از تری گسترده بازه در نورتریا یخط عملکرد 1-3 شکل

سیستم -سیستم نا متقارن ج-( بH3سیستم متقارن )با قابلیت تزریق -دیاگرام فضایی ولتاژ اینورتر با سلول دچار خطا الف 8-3شکل

74 .......................................................................................................................................................... كلی

71 ........... بار فاز و خط نورتر،یا فاز ولتاژ: باال از بیترت به. اول فاز در سلول كی پسیبا از پس نورتریا یخروج یولتاژها 18-3 شکل

76 .................... بار فاز و خط نورتر،یا فاز ولتاژ: باال از بیترت به. شده ارائه روش از استفاده با نورتریا یخروج یولتاژها 11-3 شکل

77 ..................................................... شده ارائه یخطا تحمل روش از استفاده با نورتریا بار ولتاژ یکیهارمون فیط 12-3 شکل

11 ...................................... پل تمام سلول كی -ب یسطح پنج یمتوال پل تمام نورتریا -الف. پل تمام نورتریا ساختار 1-4 شکل

12 ............................................................................................ یسطح پنج نورتریا كی ییفضا بردار اگرامید 2-4 شکل

14 ...................................................................... چرخان مرجع بردار راس به كینزد یدزنیكل بردار سه صیتشخ 3-4 شکل

ي‌

c ............................. 17فاز -ج bفاز -ب aفاز -دیاگرام بردار فضایی اینورتر دچار یك خطا در فازهای مختلف. الف 4-4شکل

11 ............. ( در دو یا سه فاز مختلفF2یا هر دو F1بردار فضایی اینورتر دچار دو یا سه خطای هم نوع )هر دو دیاگرام 1-4شکل

aدر فاز F1 -ب aدر فاز F2و cو bدر فاز F1 -دیاگرام بردار فضایی اینورتر دچار دو یا سه خطای غیر هم نوع. الف 6-4شکل

c ............................................................................................................................................. 11ز در فا F2و

‌88 .................................................... به فاز دلخواه DCساختار اینورتر در راه حل ارائه شده برای اضافه كردن ولتاژ 7-4شکل

82 ..................................................................................... و بردار مرجع g-hدیاگرام بردار فضایی در صفحه 1-4شکل

با استفاده t=0.02sدر زمان aدر فاز F1ولتاژهای خروجی اینورتردر حالت عملکردی بدون خطا، و سپس وقوع خطای 8-4شکل

84 ............................................................................... از روش ارائه شده. به ترتیب از باال: ولتاژ فاز اینورتر، خط و فاز بار

با استفاده t=0.02sدر زمان aدر فاز F2جی اینورتردر حالت عملکردی بدون خطا، و سپس وقوع خطای ولتاژهای خرو 18-4شکل

86 ............................................................................... از روش ارائه شده. به ترتیب از باال: ولتاژ فاز اینورتر، خط و فاز بار

و a یدر فازها 1Fو خطای bدر فاز F2پس وقوع خطای ولتاژهای خروجی اینورتردر حالت عملکردی بدون خطا، و س 11-4شکل

c در زمانt=0.02s 87 ....................................... با استفاده از روش ارائه شده. به ترتیب از باال: ولتاژ فاز اینورتر، خط و فاز بار

با استفاده از روش ارائه شده aدر فاز F2ولتاژهای خروجی اینورتردر حالت عملکردی بدون خطا، و سپس وقوع خطای 12-4شکل

81 ........................................................................... )نتایج تجربی(. به ترتیب از باال: ولتاژ فاز اینورتر و خط به خط اینورتر

و bدر فازهای F2و خطای aدر فاز F1ولتاژهای خروجی اینورتردر حالت عملکردی بدون خطا، و سپس وقوع خطای 13-4شکل

c 88 ..................................... با استفاده از روش ارائه شده )نتایج تجربی(. به ترتیب از باال: ولتاژ فاز اینورتر و خط به خط اینورتر

ك‌

جداول فهرست

8 ............................................................................ یك فاز كلیدزنی حاالت و سطحی مهاردیودی پنج اینورتر 1-1 جدول

18 ...........................................................مربوطه كلیدزنی هایتوحال ولتاژ سطوح از ممکن كلیدزنی تركیب یك 2-1 جدول

12 ............................................ یسطح m ینورترمختلف ا یبكار رفته در هر فاز، از سه ترك به یزاتتجه ینب یسهمقا 3-1جدول

22 .......................................................................................................... خطا تشخیص های روش یسهمقا 1-2 جدول

21 ........................................................................ زمان حوزه سهیمقا روش در خطا صیتشخ متفاوت هایروش 2-2 جدول

27 .........................................................................................................فاز هیزاو با وبیمع كلید ییشناسا 3-2 جدول

21 ........................................................................ هنجار شده DCزیستور معیوب با روش روش شناسایی تران 4-2 جدول

41 .................................................... انیجر و ولتاژ اندازه به توجه با خازن ولتاژ كردن متعادل یبرا یدزنیكل حالت 1-2 جدول

F1 ............................................................................ 12بیان مرجع برای روش دامنه محدود شده، خطای نوع 6-2جدول

F2 ...................................................................... 13بیان مراجع فازها در روش دامنه محدود شده حین خطای 7-2جدول

18 .................................................................. ها بازهی خروجی تولید شده در این ولتاژهای مدوالسیون و ها بازه 1-3جدول

64 ......................................... ها بازهسیون در یك اینورتر هفت سطحی و پارامترهای مورد نیاز در این ی مدوالها بازه 2-3جدول

ی ها روشهای ولتاژ THDی ولتاژ بار تولید شده توسط روش ارائه شده در اندیس مدوالسیون های مختلف و میزان اندازه 3-3 جدول

71 ........................................................................................................................... مختلف در این مقدار ولتاژ بار

11 ............................................................................. حاالت كلیدزنی ممکن برای یك بردار كلیدزنی مشخص 1-4جدول

81 .......................................................................... ی مختلف خطاوهایسنارماكزیمم ولتاژ خروجی اینورتر در 2-4جدول

مقدمه:

ACهدف تولید خروجی ، جایی كهACموتور یها محركهدر سیستم قدرت و ACبه DCاینورترهای

. در بسیاری از مصارف صنعتی و شوند یمسینوسی با اندازه و فركانس قابل كنترل است به كار برده

تغییر فركانس ولتاژ وجود دارد. از این همچنین در برخی از مصارف خانگی، نیاز به تغییر سطح ولتاژ و

در حال افزایش است. یا هگستردتك فاز و سه فاز به صورت یها مبدلجهت به كارگیری

یها نهیهزتا رندیگ یمتوان باال به صورت روز افزون در صنعت مورد استفاده قرار ینورترهایا همچنین

نیتر مهم كه رندیگ یممورد استفاده قرار متنوعی یها شیآرادهند. در سطوح توان باال كاهشرا یاتیعمل

به صورت یسطحمنبع ولتاژ چند ینورترهایاهستند. 2نبع ولتاژم ینورترهایاو 1انیجرمنبع نورتریا ها آن

خازن ینورترهایا، 3یودیدمهار ینورترهایاشامل، ها آن یاصلسه خانواده كه شوند یماستفاده یا گسترده

.[1] باشند یم 1تمام پل متوالی ینورترهایاو 4شناور

مورد 6توان تیفیك یكاربردهاو یکیالکتر یورهاموت ویدرادر یا گستردهمنبع ولتاژ به طور ینورترهایا

ییالقا یموتورهاسرعت كنترل یبراساختارها نیپركاربردتراز یکی نورترهایا نیا. رندیگ یماستفاده قرار

. كنند یم جادیامناسب یدزنیكلرا به واسطه یمناسبموج ولتاژ شکلموتور یها نالیترمدر كهسه فاز هستند

احتمال خطا ها آناز هركدامدر كههستند یهاد مهینتعداد زیادی كلید شامل یسطحچند ینورترهایا

% 31حدود كه شود یمزده نیتخم یطرف. از دهندافزایش می وجود دارد، پس در مجموع احتمال خطا را

.[2]است یهاد مهینادوات آسیب دیدن به خاطر AC ریمتغسرعت یوهایدراخطاها در

مهم است اریبس یصنعت یكاربردها یبرا یکیالکترون زاتیتجه نانیاطم تیقابل . از یکی، یلیدلاگر به هر

است هم ممکن كه شود یم یادیز راتییتغدچار یخروجموج شکلقدرت دچار خطا شود، یدهایكل

توقف كاركرد ناشی از خطا به وجود آورد. همواره یاساس مشکالتو هم موتور متصل به آن نورتریا یبرا

AC یوهایدرا رد یها كنترلو حفاظت هوشمند یها روش با توجه به فقدان نامطلوب است. ریمتغسرعت

1 - Current Source Inverter

2 - Voltage Source Inverter

3 - Diode Clamped Inverter

4 - Flying Capacitor Inverter

5 - Cascaded H-Bridge Inverter

6 - Power Quality