مقدمه
مبدل چندسطحی مدولار (Modular Multilevel Converter or MMC) اولین بار برای کاربردهای ولتاژ بالا توسط Lescinar [1] پیشنهاد شد. این مبدل دسته ای از مبدلهای چندسطحی است که دارای ویژگیهای بیشتری چون سودمندی عملکرد بدون ترانس، طراحی ماژولی مؤثر و یک باس dc مشترک می باشد. این ساختارها به خوبی در صنعت و دانشگاهها به عنوان یکی از انتخابهای ترجیح داده شده برای سیستم تبدیل توان الکتریکی و بازده بالا شناخته شده هستند. آنها در چندین کاربرد صنعتی مثل درایوهای با سرعت قابل تنظیم، سیستم انتقال HVDC، شبکه های HVDC چند ترمیناله، سیستم بادی دریایی، UPQC و STATCOM استفاده می شوند.
ساختمان MMC
این مبدل بین یک سیستم تکفاز و سه فاز یکپارچه شده است. نوع سه فاز از مبدل چندسطحی مدولار در شکل 1 نشان داده شده است که دارای سه پایه می باشد. هر پایه از دو بازو یا arm (بالایی و پایینی) تشکیل شده که هر بازو نیز شامل n زیرماژول (Sub-Module orSM) سری شده و مشابه با یکدیگر می باشد. زیرماژول های سری شده در یک بازو در دو طرف نقطه اتصال AC قرار دارند و از طریق یک سلف به خروجی متناوب متصل هستند. عناصر سلف که در شکل 1 نمایش داده شده، به عنوان فیلتر در طرف AC برای محدودسازی جریان در حالت خطا در لینک DC و همچنین محدودسازی جریان های چرخشی در بین پایه ها مورد استفاد قرار می گیرند.
مزایای MMC
MMC یک تکنولوژی قابل قیاس است. سطح ولتاژ تعداد زیرماژولهای موردنیاز را تعیین می کند و تکنولوژی می تواند تا بالاترین سطوح ولتاژ انتقال استفاده شود. پیکربندی بدون اتصال سری کلیدهای نیمه هادی است و بنابراین مشکلات مربوط به کلیدزنی همزمان را ندارد. همچنین تلفات آن نیز پایین تر از VSC های دو سطحی و سه سطحی می باشد. تلفات پایین بوسیله فرکانس کلیدزنی پایین در هر زیرماژول و ولتاژ پایین دو سر هر کلید بدست می آید. به هر حال چونکه زیرماژول ها در نقاط مختلفی در زمان کلیدزنی می شوند، فرکانس کلیدزنی مؤثر مبدل بالاست که منجر به اعوجاج هارمونیک پایین می شود. یک مزیت دیگر MMC نسبت به VSC کلاسیک آن است که نرخ تغییر ولتاژ در طرف AC کاهش می یابد، زمانی که استپ های ولتاژ در ترمینالها کوچکتر هستند. این منجر به استفاده از ترانسهای با نیاز عایقی پایین تر می شود.
شکل 1) مبدل چندسطحی مدولار سه فاز
پیکربندیهای کلیدزنی ماژول
جزء اصلی MMC زیرماژول یا SM نامیده می شود. تعداد SM ها می تواند برای بدست آوردن ولتاژ خروجی موردنیاز کاهش یا افزایش داده شود. دو نمونه معمول از پیکربندی هر زیرماژول به صورت مبدل نیم پل یا چاپر دوسطحی با سطح ولتاژ V+ و 0 و یا مبدل تمام پل دوسطحی یا سطوح ولتاژ V+، 0 و V- باشد که در شکل 2 و شکل 3 نشان داده شده اند.
مبدل نیم پل اساساً از دو کلید IGBT با دو دیود ضد موازی و یک خازن ذخیره ساز تشکیل شده است، در حالیکه مبدل تمام پل از چهار کلید IGBT با دیودهای ضد موازی و یک خازن تشکیل شده است. در ساختار هر دو پیکربندی از کلیدهای نیمه هادی ولتاژ پایین استفاده می شود که می تواند با دستکاری رفتاری مشابه با منابع ولتاژ کنترل شده را در کاربردهای ولتاژ متوسط – بالا از خود نشان دهد.
مبدل چندسطحی مدولار هیچ خازن لینک DC ندارد اما یک خازن در هر زیرماژول دارد و این خازنها احتیاج به هر دوی ظرفیت ولتاژ بزرگ و کاپاسیتانس بزرگ دارند. توجه می کنیم که MMC با نیم پل های دو سطحی نمی تواند جریانهای خطا را در طول یک خطای قطب به قطب DC بلوکه کند. با زیرماژولهای تمام پل دو سطحی، MMC قادر به حذف جریان خطا بوده و بنابراین هیچ بازکننده بریکر AC موردنیاز نیست.
شکل 2) مبدل نیم پل دوسطحی در زیرماژول
شکل 3) مبدل تمام پل در زیرماژول
نحوه عملکرد مبدل نیم پل دو سطحی
زیرماژول نیم پل از دو کلید T1 و T2 و یک خازن تشکیل شده، به صورتی که هر کلید با یک دیود هرزگردی موازی شده است. در عملکرد نرمال، فقط یکی از کلیدها در یک لحظه زمانی مشخص روشن می شود. بسته به جهت جریان، خازن می تواند شارژ یا دشارژ شود که جهت های مسیر جریان در شکل 4 نشان داده شده است. زمانی که فقط یک کلید IGBT روشن می شود، یا آن IGBT یا دیود هرزگردی در همان کلید بسته به جهت جریان هدایت می کنند.
شکل 4) مسیرهای جریان در زیرماژول نیم پل
وضعیت هدایت، ولتاژ و جریانهای ماژول کلیدزنی در جدول 1 به صورت خلاصه بیان شده است.
جدول 1) وضعیت های کلیدزنی در زیرماژول نیم پل
عملکرد در حالت اینورتری
برای حالت اینورتری یعنی تبدیل ورودی یکسو یا DC به خروجی متناوب یا AC ابتدا باید مقدار ولتاژ در دسترس برای ورودی DC و همچنین سطح بار در خروجی متناوب مشخص شود. سپس تعداد سطوح ولتاژ در خروجی متناوب تعیین می شود، به صورتیکه برای m سطح در خروجی به m-1=n زیرماژول در هر بازو نیاز است. پس تعداد زیرماژول در هر بازو و در نتیجه تعداد کل زیرماژول ها در هر پایه نیز به این طریق مشخص می شود. در مرحله بعد می توان به طراحی عناصری مثل ظرفیت خازن زیرماژولها و همچنین اندوکتانس سلف محدودکننده پرداخت. در شکل 5 یک نمونه پنچ سطحی از مبدل چندسطحی مدولار نشان داده شده که در هر بازو دارای 4 زیرماژول (با مبدل نیم پل) می باشد.
شکل 5) اینورتر پنج سطحی از نوع چند سطحی مدولار
وضعیتهای کلیدزنی برای بدست آوردن سطوح ولتاژ در اینورتر چندسطحی مدولار پنج سطحی نیز در جدول 2 نشان داده شده است. توجه شود که در طول هر لحظه، نیمی از ماژولها متصل می شوند و نیمی دیگر بایپس می شوند. این مورد لازم است زیرا مجموع همه ماژولهای متصل شده در پایه فاز باید Vdc باشند.
جدول 2) وضعیت های کلیدزنی برای مبدل پنچ سطحی از نوع چندسطحی مدولار (1 برای روشن بودن کلید S1 و 0 برای روشن بودن کلید S2 می باشد)
نحوه تحریک کلیدهای مبدل چندسطحی مدولار
از موضوعات مورد توجه در مورد این ساختارها، نحوه کلیدزنی کلیدهای پایه های فاز می باشد که معمولاً از تکنیکهای مدولاسیون پهنای پالسی متنوعی استفاده می شود که در مراجع مختلف برای آنها توسعه داده شده است. یکی از این روشها، راهکار PWM سطح شیفت داده شده با جابجایی فاز (PD-PWM) است که زیاد برای این ساختارها توسعه نمی شود زیرا باعث یک توزیع توان نامناسب در بین زیرماژولهای مختلف می شود.
روش دیگر PWM با کریر شیفت داده شده فازی (PSC-PWM) است که مناسب ترین روش برای مبدلهای H پل آبشاری (CHB) نیز می باشد. این روش همچنین برای MMC جذاب است و دارای بعضی ویژگیهای ممتاز زیر است:
1) استرس نیمه هادی و توانی که هر SM با آن سروکار دارد، به صورت مناسب توزیع می شود. در نتیجه کنترل متعادل ساز ولتاژ خازن می تواند به آسانی انجام شود.
2) ولتاز خروجی دارای یک فرکانس کلیدزنی منتجه بالا و اعوجاج هارمونیک کل پایین است.
3) سازگار با ساختار MMC، هر کریر مثلثی مربوط به یک SM خاص، ارائه دهنده طبیعت مقیاس پذیری و مدولاربودن می باشد.
به همین علت طرح کریر شیفت داده شده فازی یا PSC مبدل CHB به طور مستقیم برای MMC توسط محققان زیادی مورد استفاده قرار گرفته است که در آن کریرها برای SM ها در فاز مشابه با یک زاویه شیفت فازی مشابه آرایش می یابند. به هر حال اختلافات قابل توجهی بین این دو ساختار وجود دارد. زمان استفاده از مدولاسیون PSC برای MMC، کریرها برای SM ها در بازوی پایین تر و کریرها برای SMها در بازوی بالاتر لازم است که به صورت جداگانه با یک زاویه جابجایی لایه ای در نظر گرفته شوند. این زاویه جابجایی بر فعل و انفعال بین بازوهای بالاتر و پایین تر اثر می گذارد و مشخص کننده ویژگیهای هارمونیکی MMC می باشد. برای بررسی جزئیات بیشتر در مورد طراحی سیگنالهای کریر و همچنین تنظیم سیگنال مرجع می توان به مراجع موردنظر مراجعه کرد.
———————————————————————————————-
مراجع
[1]
A. Lesnicar and R. Marquardt, ” An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power rang”, IEEE Bologna Power tech Conference, Bologna, Italy, June 23-26,2003,
[2]
M. Priya, P. Ponnambalam and K.Muralikumar, “Modular Multilevel Converter Topologies and Applications-A Review”, IET Research Journals, pp 1-14, 2015
[3]
E. N. Abildgaarda and M.Molinas, “Modelling and Control of the Modular Multilevel Converter (MMC)”, Energy Procedia, pp 227-236, 2012
[4]
P. mishra and M.M. Bhesaniya, “Comparison of Total Harmonic Distortion of Modular Multilevel Converter and Parallel Hybrid Modular Multilevel Converter” ,Proceedings of the 2nd International Conference on Trends in Electronics and Informatics (ICOEI), Tirunelveli, India, May 2018
[5]
A. Nordvall, “Multilevel Inverter Topology Survey”, Master of Science Thesis in Electric Power Engineering, Chalmers University Of Technology Göteborg, Sweden,2011
[6]
B. Li and et. al, “Analysis of the Phase-Shifted Carrier Modulation for Modular Multilevel Converters”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 30, No. 1, January 2015