Σχεδιασμός μονοφασικών αντιστροφέων πολλαπλών ασύμμετρων επιπέδων τάσης υψηλής ποιότητας ισχύος
Authors: Μουσελίνος Θεόδωρος 
Published: July 2024

Τα πολλαπλά πλεονεκτήματα, που προσφέρει η χρήση Φ/Β συστημάτων για την παραγωγή ‘‘καθαρής’’ ηλεκτρικής ενέργειας, τα τοποθετούν στην κορυφή των επενδύσεων τα τελευταία χρόνια. Βασική προϋπόθεση για την εκμετάλλευση της ηλεκτρικής ενέργειας των Φ/Β πλαισίων, με σκοπό την απόδοση αυτής είτε στο δίκτυο, είτε σε τοπικά φορτία, είναι η μετατροπή της συνεχούς τάσης στην έξοδό τους σε εναλλασσόμενη. Το προηγούμενο είναι δυνατό με τη χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, οι οποίοι καλούνται αντιστροφείς. Παρόλο που οι κλασικές εγκαθιδρυμένες τοπολογίες αντιστροφέων αποτελούν αξιόπιστες μονάδες ενέργειας, τα τελευταία χρόνια υιοθετούνται σε ολοένα και περισσότερες εφαρμογές τοπολογίες αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων έχοντας ως βασικό πλεονέκτημα στα χαμηλότερα επίπεδα τάσης και ισχύος τον αυξημένο βαθμό απόδοσης και την σημαντική μείωση του όγκου της μονάδας μετατροπής ενέργειας. Ωστόσο, για τη ορθή και αξιόπιστη λειτουργία των αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων πραγματοποιείται διαρκής έρευνα, ώστε να αρθούν οι περιορισμοί που εισάγονται με την υιοθέτηση τέτοιων πολυπλοκότερων τοπολογιών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετάται σε βάθος ορθή λειτουργία αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων με ασύμμετρα επίπεδα στην τάση εξόδου, καθώς και υβριδικές τοπολογίες αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων με στόχο να καμφθούν δύο βασικά μειονεκτήματα, τα οποία σχετίζονται με την αυστηρή απαίτηση για συμμετρικά επίπεδα και με το αυξημένο πλήθος ημιαγωγικών στοιχείων.Για το λόγο αυτό προτείνεται αρχικά μια μέθοδος παλμοδότησης, η UniLS-SPWM, ώστε να επιτυγχάνεται η ορθή λειτουργία των αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων εξασφαλίζοντας χαμηλό αρμονικό περιεχόμενο στα ηλεκτρικά μεγέθη εξόδου. Το προηγούμενο επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας κατάλληλα και όπως επιβάλλεται από τη μαθηματική ανάλυση, τόσο το λόγο κατάτμησης, όσο και τη συχνότητα των διακοπτών, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τη διαμόρφωση του εκάστοτε επιπέδου στην τάση εξόδου ενός αντιστροφέα ν επιπέδων. Με την προτεινόμενη μέθοδο είναι δυνατή η διαμόρφωση της τάσης εξόδου συμβατικών αλλά και υβριδικών τοπολογιών αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων επεκτείνοντας με αυτόν τον τρόπο το εύρος λειτουργίας τους και την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος.Εν συνεχεία, διερευνάται σε βάθος η λειτουργία του αντιστροφέα τύπου CHB, όταν επιτυγχάνεται λειτουργία υπό ασύμμετρα επίπεδα στην έξοδο χρησιμοποιώντας και εξετάζοντας όλες τις πτυχές τις UniLS-SPWM τεχνικής. Ειδικότερα, παρουσιάζεται μια μέθοδος για την περαιτέρω βελτίωση του αρμονικού περιεχομένου σε οριακές περιπτώσεις όπου το ποσοστό ασυμμετρίας είναι σημαντικό, αξιοποιώντας αλγόριθμο ταξινόμησης. Καθότι ο αντιστροφέας τύπου CHB απαιτεί την ύπαρξη πολλαπλών πηγών τάσης για τη λειτουργία του, εξετάζεται ο μηχανισμός με τον οποίο μπορεί να επιτευχθεί ενεργειακό ισοζύγιο υπό ασύμμετρα επίπεδα εφαρμόζοντας την ασύμμετρη κυκλική εναλλαγή φορέων (K-ratio), ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσεται ένα αναλυτικό και γενικευμένο μοντέλο απωλειών ισχύος για την προαναφερθείσα τοπολογία αντιστροφέα.Σε επόμενο βήμα, πραγματοποιείται διερεύνηση της λειτουργίας μιας οικογένειας αντιστροφέων πέντε επιπέδων, η οποία προσφέρει στάδιο ανύψωσης τάσης με χαρακτηριστικά μερικής διαχείρισης ισχύος για την αύξηση της απόδοσης και μειωμένο αριθμό ημιαγωγικών στοιχείων, χαρακτηριστικά κατάλληλα για τα σύγχρονα Φ/Β συστήματα. Πραγματοποιώντας μαθηματική ανάλυση επιλέγεται ο καταλληλότερος τύπος του ενσωματωμένου σταδίου ανύψωσης, καθώς και η περιοχή λειτουργίας αυτού με γνώμονα τη μείωση του όγκου και την αύξηση του βαθμού απόδοσης. Με βάση τις προαναφερθείσες επιλογές διατυπώνονται αναλυτικές σχέσεις οι οποίες περιγράφουν τις απώλειες ισχύος του μετατροπέα, με σκοπό την κατασκευή ενός αλγορίθμου βέλτιστης επιλογής των σχεδιαστικών παραμέτρων του μετατροπέα ώστε να μεγιστοποιείται ο ευρωπαϊκός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης για τις εκάστοτε προδιαγραφές.Έχοντας παρουσιάσει εκτενώς το σχεδιασμό του υβριδικού αντιστροφέα πέντε επιπέδων σειρά έχει η περιγραφή των μεθόδων ελέγχου του. Για το σκοπό αυτό εξάγονται μοντέλα μικρού σήματος για τη σωστή σχεδίαση του βρόχου ελέγχου τόσο της τάσης στο ζυγό συνεχούς τάσης, όσο και της εγχεόμενης ισχύος προς το δίκτυο όταν επιτυγχάνεται διασυνδεμένη λειτουργία του συστήματος, προτείνοντας παράλληλα και μια βελτιωμένη μέθοδο για τον έλεγχο της τάσης ζυγού συνεχούς τάσης. Για την περαιτέρω μείωση του όγκου του αντιστροφέα μελετάται η λειτουργία ψευδό-παράλληλου ενεργού φίλτρου, η οποία ενσωματώνεται στο στάδιο ανύψωσης τάσης, επιτυγχάνοντας έτσι μείωση των απαιτήσεων για τη χωρητικότητα εισόδου του αντιστροφέα.Η ακρίβεια της θεωρητικής ανάλυσης, των μεθόδων ελέγχου αλλά και σχεδιασμού που παρουσιάζονται στα πλαίσια της παρούσας επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων, ενώ κατασκευάζονται και εργαστηριακά πρωτότυπα για την πειραματική επιβεβαίωση των παραπάνω.