اخیراً علاقه‌ای به گسترش شبکه‌های جریان مستقیم (dc) وجود داشته است که انگیزه اصلی آن افزایش منابع انرژی تجدیدپذیر، ذخیره انرژی الکتریکی و بارهای الکترونیکی است که با توان dc کار می‌کنند. یکی از چالش‌های کلیدی که مانع پذیرش شبکه‌های dc می‌شود، فقدان توپولوژی‌های مبدل dc-dc با کارایی بالا برای تطبیق تبادل انرژی ac، در سطوح توان بالا، بین باس‌های dc با سطوح ولتاژ مختلف است. مبدل‌های برق dc-dc معمولی مانند بوست یا فلای‌بک با محدودیت‌های اساسی در کار در سطوح توان و/یا نسبت تبدیل ولتاژ بالا مواجه هستند. از آنجایی که این توپولوژی ها از یک سوئیچ نیمه هادی استفاده می کنند، حداکثر توان و ولتاژ قابل دستیابی آنها به نیمه هادی های دارای بالاترین توان نامی در دسترس بستگی دارد. علاوه بر این، صرف نظر از توان عملیاتی، این توپولوژی‌ها در صورت کارکرد با نسبت تبدیل بالا از تلفات و زنگ زدن بالایی رنج می‌برند.

در شناخت کاستی های توپولوژی های مرسوم برای استفاده در کاربردهای توان بالا و/یا نسبت تبدیل، توپولوژی جدیدی پیشنهاد شده است که راه حلی کارآمد و مقرون به صرفه ارائه می دهد. توپولوژی مدولار پیشنهادی از سلول های مبدل یکسانی ساخته شده است که ممکن است به صورت موازی و سری به هم متصل شوند تا تنش توان کلی را به اشتراک بگذارند. در نتیجه، وابستگی توان توپولوژی و نسبت تبدیل به فناوری نیمه هادی موجود ناچیز است. علاوه بر این، توپولوژی قادر به پشتیبانی از تبادل دو طرفه جریان توان بین منابع و بارهای متعدد است که آن را برای طیف گسترده ای از کاربردهای تبدیل توان مناسب می کند.

تکثیر منابع انرژی تجدیدپذیر، ذخیره انرژی الکتریکی و بارهای الکترونیکی که به طور بومی با توان dc کار می کنند، منجر به تجدید نظر در فناوری dc برای وسایل انتقال انرژی شده است . یک مطالعه اخیر ، مزایای بی‌شمار dc نسبت به شبکه‌های ac را خلاصه می‌کند . در زیر لیستی از مزایای بالقوه استفاده از dc برای انتقال توان آورده شده است:

شبکه های Dc به تعداد مراحل تبدیل کمتری نیاز دارند تا انتقال انرژی بین منابع و بارهای dc را تطبیق دهند که منجر به هزینه سرمایه کمتر و راندمان بالاتر می شود.

• شبکه های Dc از تلفات توان راکتیو رنج نمی برند و به طرح های کنترل پیچیده ای برای مدیریت توان راکتیو نیاز ندارند.
• شبکه های DC برای انتقال برق تنها به دو سیم نیاز دارند در مقایسه با سیستم های ac که معمولاً به سه سیم برای دستیابی به انتقال برق سه فاز ثابت و بدون ریپل نیاز دارند که منجر به کاهش هزینه کابل می شود.

ذخیره انرژی پراکنده مانند باتری ها ممکن است به آسانی برای مقابله با ماهیت متناوب منابع انرژی تجدیدپذیر مانند فتوولتائیک (PVs) بدون نیاز به فرآیندهای تبدیل dc-ac-dc با تلفات مورد استفاده قرار گیرد.

• سیستم های dc به دلیل انتقال مستقیم نیرو، نیازی به همگام سازی ندارند و ممکن است به راحتی به هم متصل شوند تا یک شبکه dc را تشکیل دهند.

یکی از چالش‌های اصلی که مانع پذیرش شبکه‌های برق DC می‌شود، فقدان مبدل‌های dc-dc با کارایی بالا برای تطبیق تبادل انرژی، در سطوح توان بالا، بین باس‌های dc با سطوح ولتاژ مختلف است. در شبکه های ac، ترانسفورماتور یک راه حل ساده و کارآمد برای تبدیل توان ac که در بسیاری از مراحل از تولید تا توزیع مورد نیاز است، ارائه می دهد. با این حال، شبکه‌های dc به پیشرفت توپولوژی‌های مبدل dc-dc برای انتقال موثر توان بین باس‌های dc سطوح مختلف ولتاژ متکی هستند.

مبدل های DC به DC

مبدل تقویت کننده یک توپولوژی محبوب برای برنامه های کاربردی تبدیل dc-dc با توان کم به متوسط (< 20 کیلووات) است ، عمدتاً به دلیل هزینه اجرای کم و طرح کنترل ساده. با این حال، در حالی که از نظر تئوری می تواند به یک نسبت تبدیل بی نهایت دست یابد، در عمل، مبدل تقویت کننده از ضریب هدایت، سوئیچینگ و تلفات بازیابی معکوس بسیار بالا در هنگام کار با نسبت تبدیل بالا رنج می برد. از آنجایی که کلیدهای مبدل تقویت کننده باید برای مسدود کردن ولتاژ خروجی بالا درجه بندی شوند، مقاومت نامی آن ها در حالت حالت، که به طور درجه دوم با ولتاژ مسدود کننده متناسب است، به طور قابل توجهی در چین خوردگی، منجر به تلفات بیشتر در نسبت های تبدیل بالا می شود. همچنین، از آنجایی که جریان ریشه خروجی میانگین مربع (RMS) مبدل بوست با افزایش نسبت تبدیل افزایش می‌یابد، افت بازیابی معکوس دیود قابل‌توجهی و کاهش استفاده از اجزای خازن‌های فیلتر خروجی در نسبت‌های تبدیل بالا را نشان می‌دهد. در نهایت، میزان توان مبدل تقویت کننده اساساً بر اساس کلید نیمه هادی دارای بالاترین توان موجود در بازار محدود است زیرا از یک سوئیچ برای پردازش کل توان استفاده می کند.

مبدل تقویت کننده چند سطحی یا همان بوست ترکیبی از یک مبدل تقویت کننده و یک مبدل نوع خازن سوئیچ شده است. توپولوژی آن در یک پیکربندی سه سطحی در شکل زیر نشان داده شده است. از طریق سلول‌های مبدل اضافی که شامل خازن‌ها و دیودها می‌شوند، می‌توانند نسبت تبدیل بالاتری نسبت به مبدل تقویت کننده در یک چرخه کاری مشخص به دست آورند. به طور خاص، یک پیکربندی سطح n از این توپولوژی می تواند n برابر نسبت تبدیل مبدل تقویت کننده معمولی برای یک چرخه وظیفه عملیاتی معین به دست آورد.

شکل 1 ) توپولوژی مبدل dc-dc با خازن چند سطحی مدولار

در مبدل چند سطحی دو طرفه بر اساس توپولوژی تقویت مرسوم از ماژول های مبدل dc-ac همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، ساخته شده است. در انباشتن زیرماژول‌ها به صورت سری در هر دو پایه بالا و پایین، این توپولوژی ممکن است به نسبت تبدیل بالا یا پایین در عملیات ولتاژ بالا دست یابد. قدرت عملیاتی این توپولوژی به دلیل عدم  مدولار بودن آن از دیدگاه اشتراک فعلی محدود است. علاوه بر این، از تلفات رسانایی بالایی ناشی از جریان های ac در حال گردش در ماژول ها رنج می برد.

شکل 2 ) مبدل چندسطحی ماژولار dc-dc دو طرفه

ساختار مبدل های Step-up و Step-down (افزاینده / کاهنده)

همانطور که از نام این مبدل ها پیداست ، مبدل Step-up به منظور افزایش سطوح ولتاژ به کار می رود در حالی که مبدل های Step-down به منظور کاهش سطح ولتاژ ورودی کاربرد دارند. در شکل 3 ساختار یک مبدل سه سطحی Step-up نمایش داده شده است.

شکل 3 ) ساختار یک مبدل DC به DC سه سطحی از نوع افزاینده یا Step-up

همچنین در شکل 4 ساختار یک مبدل سه سطحی کاهنده یا Step-down نمایش داده شده است.

شکل 4 ) ساختار یک مبدل DC به DC سه سطحی از نوع کاهنده یا Step-down

آنچه که در گام اول نیاز است مدل سازی هر کدام از توپولوژی های DC به DC افزاینده و کاهنده می باشد تا بتوان در گام بعد نسبت به طراحی کنترل کننده برای هر کدام از مبدل ها اقدام نمود .

به منظور مدل سازی دینامیکی مبدل های مورد نظر در گام اول ساده سازی هایی در مدل انجام می شود که به طریق زیر می باشند :

• مقادیر تمامی ماژول ها در ساختار مبدل ها بطور مساوی قرار داده می شود . این مقادیر شامل خازن ، سلف و بارهای مفروض در هر کدام از طبقات می باشد.
• مقاومت داخلی سوئیچ ها در نظر گرفته نمی شوند و این سوئیچ ها بصورت ایده آل در نظر گرفته می شوند.

در گام بعد لزوم شناسایی متغیرهای حالت سیستم ضروری می باشد. به طور کلی متغیر حالت به متغیری در سیستم گفته می شود که دارای تغییرات در طول زمان می باشد و این تغییرات را می توان نسبت به خود این متغیرها بیان نمود. در همین راستا این متغیرها به طور مستقل از هم می باشند و در یک عبارت جبری با سایر متغیرها نمی باشند چرا که در این شرایط لوپ جبری در متغیرها پیش آمده و نیاز است که یکی از متغیرها حذف شود.

متغیرهای حالت در یک مبدل سه طبقه شامل ولتاژ خازن و جریان سلف می باشد، با افزوده شدن ماژول ها در هر کدام از طبقات که اصطلاحا به تعداد ستون ها افزوده می باشد ولتاژ خازن ستون متناظر به این متغیرها افزوده می شود. اما از طرف دیگر جریان سلف ستون نامبرده شده به این متغیرها اضافه نخواهد شد چرا که در لوپ جبری با سایر متغیرها می باشد.

دسته دیگر متغیرهای حالت در اثر افزودن ترم های انتگرال گیر در کنترل کننده های PI متناظر با حلقه بیرونی ولتاژ و حلقه داخلی جریان می باشد. این افزایش متغیرهای حالت به نوعی در حالت حلقه بسته سیستم پیش می آید. در این شرایط مجموعه متغیرهای حالت به صورت زیر می باشد.

شکل 5) متغیرهای حالت سیستم مبدل DC/DC سه طبقه

کنترل مبدل DC به DC

سیستم دینامیکی شناسایی شده برای مبدل DC به DC در حالت کلی غیرخطی می باشد اما با تقریب مناسبی که شامل چشم پوشی از رفتار غیرخطی سوئیچ های ماسفت می باشد و همچنین غیرخطی شدن بر اثر افزودن ترم های انتگرالی می توان مدل خطی را برای آن به کار برد.

به این منظور نیاز است تا ژاکوبین (ماتریس ژاکوبین) برای آن محاسبه شود. این کار با بیان معادلات کیرشهف در طبقات متعدد سیستم قابل انجام است. در این پژوهش نیز این امر برای سیستم انجام شده است. همانطور که بررسی شد در مبدل DC به DC تعداد متغیرهای حالت برای سیستم به تعداد طبقات و همچنین تعداد ماژول ها در هر طبقه (ستون های مدار) بستگی دارد به طوری که در مبدل سه طبقه ، سه متغیر حالت مربوط به خازن های هر کدام از طبقات خواهیم داشت همچنین به ازای این طبقات جریان سلف ها نیز متغیر حالت محسوب می شوند این در حالی است که تعداد ماژول های بیشتر از یکی نیز می توان به همین میزان به متغیرهای حالت از نوع جریان سلف بیفزاید .

ترم های انتگرالی دیگر موردی است که بایستی به آن دقت کرد و این ترم ها ، تعداد محاسبه شده قبلی را دو برابر خواهد کرد.

آنچه از دینامیک می دانیم ، این است که به ازای هر متغیر حالت یک معادله داریم و سیستم با 3 طبقه و یک ماژول در هر طبقه 12 متغیر حالت خواهد داشت که 6 عدد آن مربوط به خازن ها و 6 عدد مربوط به جریان سلف ها می باشد.

آنچه در کنترل سیستم مهم است توجه به ماهیت مدل دینامیکی و سپس پایدارسازی آن می باشد. همانطور که بیان شد با خطی سازی سیستم به یک ماتریس ژاکوبین می رسیم . شکل کلی ماتریس ژاکوبین حاصل از این خطی سازی به صورت زیر می باشد.

شکل 6 ) ماتریس ژاکوبین حاصل از خطی سازی مدل غیرخطی

در این ماتریس به ترتیب متغیرهای حالت ، مقادیر ورودی و اغتشاش و نهایتا مقادیر رفرنس را داریم .

آنچه به منظور رفتار پایدار سیستم و میل به نقاط کار آن مورد نیاز است به صورت مقادیر ویژه بیان می شود که بایستی همگی در سمت چپ محور موهومی باشد (بخش حقیقی آنها منفی باشد) .

طبیعتا رفتار سیستم در حوزه زمان و فرکانس بستگی زیادی به این مقادیر ویژه خواهد داشت. هر چه این مقادیر دورتر باشند و مقدار منفی تری در بخش حقیقی مقادیر ویژه خود داشته باشند رفتار سیستم به لحاظ پایداری بهتر خواهد بود اما از طرفی این دور شدن ممکن است سرعت رسیدن به پاسخ های مطلوب را کندتر کند. بنابراین نیاز است تا یک مصالحه ای بین پارامترهای کنترلی برقرار شود.

به طور کل در سیستم های خطی سازی شده از کنترل کننده PID به منظور پایدارسازی سیستم استفاده می شود. در مبدل DC به DC نیز اینگونه و به ازای هر طبقه یک کنترل کننده ولتاژ و یکی کنترل کننده جریانی خواهیم داشت که نهایتا شکل موج سوئیچ های کنترلی را تعیین خواهند کرد.

آنچه که بایستی به آن دقت کرد این است که رفتار سیستم نهایتا تنها توسط سیگنال های کنترلی تعیین نخواهند شد بلکه ورودی های مدار و در مرتبه بالاتر اغتشاشات ورودی به سیستم می توانند مقادیر ویژه سیستم را دستخوش تغییر کرده و نوسانات محدود یا حتی ناپایداری را برای سیستم داشته باشند. در شکل زیر تغییر مقادیر ویژه مبدل DC به DC را تحت تغییر یکی از اغتشاشات جریانی در طبقه دوم مبدل نمایش داده شده است.

شکل 7 ) تغییر مقادیر ویژه سیستم در اثر تغییر مقدار اغتشاش در یک بازه محدود

در نمایش شکل بالا مقادیر ویژه سریع و یا مغلوب در یک دسته و مقادیر ویژه کند یا غالب در دسته دیگر نمایش داده شده اند. آنچه در کنترل سیستم ها اهمیت دارد مقادیر ویژه غالب سیستم می باشد چرا که رفتار کلی سیستم نهایتا از این مقادیر ویژه پیروی خواهد کرد. همانطور که از شکل قابل مشاهده است تغییر یک المان اغتشاش می تواند تاثیر چشمگیری بر روی مقادیر ویژه داشته و رفتار زمانی سیستم را دچار آشوب کند.

منبع : برق تِک