Skip to main content
SUPERVISOR
Hamid Reza Karshenas,Javad Ebrahimi Joozdani
حمیدرضا کارشناس (استاد راهنما) جواد ابراهیمی جوزدانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Shima Shahnooshi
شیما شاه نوشی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
In this thesis, the application of enhanced predictive control methods with the aim of capacitor voltage balancing in reduced flying capacitor multilevel converters is investigated. Capacitors are one of the main elements in multilevel converter structures which their voltage stabilization is vital for proper converter operation. Although reducing the number of capacitors, with the aim of decreasing the overall volume and cost, has been one of the issues addressed in recent studies, it causes new challenges to capacitor voltage balancing. Finite set model predictive control (FCS-MPC) is one of the most powerful control methods to control power electronic converters. This control method is a reliable way of removing the obstacles caused by reduction the number of capacitors and consequently the number of redundant switching states. However, due to the inherent challenges of this method such as variable switching frequency, heuristic selection of weighting factors and large number of calculations, the desired performance is not achieved. After reviewing different types of capacitors in multilevel converter structures and the factors affecting charging/discharging of capacitors, a few examples of conventional modulation-based balancing methods are mentioned. Then, considering the advantages of predictive control methods and focusing on the FCS-MPC, the general equations associated with the control of ower converters and subsequently the equations needed in the capacitor voltage balancing are presented. Then, the main challenges of this control method are mentioned and the solutions presented so far to improve the performance of this method are reviewed. Next, by focusing on four-level single flying capacitor converter (4L-SFC) as one of the derivatives of flying-capacitor multilevel converter with reduced capacitors and using the concept of phase voltage levels reconstruction, three control methods are proposed in order to fulfill two general goals. The first aim is to eliminate the capacitor voltage balancing constraints in reduced capacitor structures, and the second is to modify the inherent challenges of FCS-MPC and improve system performance while applying this control method. In all the proposed methods, since the capacitor voltage balancing is the task of voltage levels reconstruction, the equations related to capacitor voltage prediction are eliminated, which leads to the required calculations are not increasing due to the changes made, and also the need to determine the appropriate weighting factor in the FCS-MPC method is eliminated. In addition, approaching new control methods to modulation-based methods in terms of concept, current harmonic spectrum is improved compared to the FCS-MPC method. Using Deadbeat Predictive Control (DPC), the third proposed method is also suggested to reduce the computation needed and improve the current harmonic spectrum. In the following, simulation results of three proposed methods and one SVM modulation-based method are compared and the priority of each method in terms of different performance characteristics is evaluated. In order to verify the performance of the proposed control methods, a laboratory-type experimental setup of 4L-SFC Converter is used, and the experimental results of applying the preferred control method to this converter via TMS320F28335 are presented and compared with simulation results to verify the viability of proposed method. Finally, conclusions and suggestions for further researchs are presented.
در این پایان­ نامه، استفاده از روش­های کنترل پیش­بین ارتقایافته با هدف متعادل­ سازی ولتاژ خازن­ها در مبدل­های چندسطحی خازن شناور با خازن­های کاهش­ یافته بررسی می­شود. خازن­ها یکی از عناصر اصلی در ساختارهای مبدل­های چندسطحی به شمار می­آیند که تثبیت ولتاژ آن­ها به منظور عملکرد صحیح مبدل حائز اهمیت است. اگرچه مقوله­ی کاهش تعداد خازن­ها با هدف کاهش حجم و هزینه تمام ­شده، یکی از موضوعات موردتوجه در مطالعات اخیر بوده­است، متعادل­سازی ولتاژ خازن­های شناور موجود را با چالش همراه می­کند. یکی از روش­های کنترلی قدرتمند در کنترل مبدل­های الکترونیک­ قدرت روش کنترل پیش ­بین مدلی با حالات کنترلی محدود (FCS-MPC) است. این روش کنترلی، روشی مطمئن برای رفع موانع ناشی از کاهش تعداد خازن­ها و به دنبال آن کاهش حالت­های کلیدزنی تکراری است. با اینوجود، به دلیل چالش­های ذاتی این روش از قبیل فرکانس کلیدزنی متغیر، روش زمانبر تعیین فاکتور وزن و حجم بالای محاسبات موردنیاز، عملکرد مطلوبی حاصل نمی­شود. پس از مروری بر انواع خازن­های تشکیل ­دهنده­ ی ساختارهای مبدل­های چندسطحی و عوامل تاثیرگذار در شارژ/دشارژ خازن­ها، چند نمونه از روش­های متعادل­ سازی مبتنی بر روش­های مدولاسیون مرسوم ذکر می­شود. سپس، با بیان مزیت­های روش­های کنترل پیش­ بین و با تمرکز روی روش FCS-MPC، روابط کلی مرتبط با کنترل مبدل­های الکترونیک­ قدرت و به دنبال آن روابط موردنیاز در متعادل­ سازی ولتاژ خازن­های موجود در مبدل­های چندسطحی بررسی می­شود. با بیان چالش­های اصلی این روش کنترلی، راه­ حل­ هایی که تاکنون با هدف بهبود عملکرد این روش کنترلی ارائه شده­اند، مرور می­شوند. در ادامه، با تمرکز روی مبدل چهارسطحی تک خازن شناور (4L-SFC) به عنوان یکی از مشتقات ساختارهای مبدل­های چندسطحی خازن شناور با خازن­های کاهش­یافته و با بهره­گیری از مفهوم بازسازی سطوح ولتاژ فاز، سه روش کنترلی به منظور تحقق دو هدف کلی پیشنهاد می­شوند. هدف اول، رفع محدودیت متعادل­ سازی ولتاژ خازن­ها در ساختارهای با تعداد خازن کاهش­ یافته و هدف دوم، برطرف­کردن چالش ­های ذاتی روش FCS-MPC و بهبود عملکرد سیستم در حالت اعمال این روش کنترلی است. در تمامی روش­ های پیشنهادی به دلیل اینکه وظیفه­ ی متعادل­سازی ولتاژ خازن­ ها به عهده ­ی مرحله­ ی بازسازی سطوح ولتاژ است، روابط مربوط به پیش ­بینی ولتاژ خازن­ها حذف می­شود. این امر موجب می­شود که علاوه بر حذف بخشی از محاسبات موردنیاز، چالش تعیین فاکتور وزن مناسب در روش FCS-MPC نیز برطرف ­شود. به علاوه، با نزدیک­شدن منطق روش­های کنترلی پیشنهادی به روش­های مبتنی بر مدولاسیون، طیف هارمونیکی جریان در مقایسه با روش FCS-MPC بهبود می­یابد. با بهره­ گیری از منطق روش کنترل پیش ­بین بر پایه ­ی Deadbeat (DPC)، روش پیشنهادی سوم نیز با هدف کم ­کردن محاسبات موردنیاز و بهبود طیف هارمونیکی جریان ارائه می­شود. در ادامه، نتایج حاصل از شبیه­ سازی سه روش پیشنهادی و روشی بر مبنای مدولاسیون SVM با یکدیگر مقایسه و اولویت هر روش از حیث مشخصه­ های عملکردی مختلف بررسی می­شود. به منظور تصدیق عملکرد روش­های کنترلی پیشنهادی و با استفاده از نمونه­ ی آزمایشگاهی مبدل (4L-SFC)، نتایج عملی حاصل از اعمال روش کنترلی برگزیده روی مبدل موردنظر از طریق پردازنده کنترل دیجیتال TMS320F28335 ارائه ­شده و نزدیک­ بودن نتایج عملی با نتایج شبیه­ سازی تایید خواهد شد. در پایان، نتیجه­ گیری و پیشنهادات برای ادامه پژوهش ارائه می­شود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی