طراحی و ساخت مبدل های کلیدزنی نرم جهت مدار واسط بین اینورتر، منابع انرژی تجدیدپذیر و باتری

STUDENT

DEGREE

YEAR

Today, due to benefits of renewable energy sources, more attention is paid to the development of power generation systems based on these sources. The most popular and accessible sources of renewable energy are solar cells and fuel cells. High step-up converter is one of the most widely used converters in these systems. This converter changes the low voltage solar cells and fuel cells to appropriate voltage level for various applications. However, the output power of solar cells varies with environmental conditions such as the intensity of sunlight and temperature, and fuel cells have problems such as slow start-up speed, inability to store return energy, and low response speed. Therefore, it is necessary to use an additional energy source such as batteries along with renewable energy sources. Bidirectional converter should be used as the interface between the battery and the DC bus to manage the system power, control the charge and discharge of the battery and increase the life time of the battery. In switching converters, to achieve high power density, minimize the size of converter and reduce the number of passive elements, it is necessary to increase the switching frequency, but increasing the switching frequency intensifies the switch losses and electromagnetic interface. Therefore, soft switching methods should be used to decrease these problems. In this thesis at first, the soft switching converters in renewable energy-based power generation systems are introduced. In chapter II, different techniques for increasing the voltage gain of the converter are discussed. Then a review of various interleaved high step-up topologies is presented. In Chapter III, a novel non-isolated high step-up dc-dc converter with winding cross coupled inductors is presented. This topology reduces voltage stress across the converter switch and diodes. Moreover, soft switching condition is provided by one active clamp circuit for the main switches. In addition to the active clamp circuit, the leakage energy is recycled to the output. In following, bidirectional converters are introduced and performance structure, advantages and disadvantages of different types of the bidirectional converters with soft switching are presented. In Chapter IV, a ZVT bidirectional converter with simple auxiliary circuit is presented. In fact, only single switch and a coupled inductors in both operating modes are added to the conventional buck-boost converter in order to provide soft switching condition. Moreover, the soft switching condition is independent of variation load and duty-cycle. The proposed converter benefits from the features of the coupled-filter-inductor, while there are no current notches on the current waveform of the low side voltage source. Operating principles of each proposed converter are analyzed and design considerations are provided. In order to validate the theoretical analysis, prototypes of the proposed converters are implemented and the experimental results are exhibited. Key Words: renewable energy sources, high step-up converters, bidirectional converter, soft-switching.

امروزه با توجه به رویکرد و اقبال هر چه بیشتر به سمت منابع انرژی تجدیدپذیر، توجه و تمرکز بیشتری بر رشد و توسعه سیستم‌های تولید برق مبتنی بر این منابع گذاشته شده است. از محبوب‌ترین و در دسترس‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، سلول‌های خورشیدی و پیل‌های سوختی می‌باشند. در راستای حذف سوخت‌های فسیلی که آلودگی و تاثیرات مخربی در محیط زیست دارند، تحقیقات و مطالعات زیادی انجام گرفته است تا بتوان منابع پاک انرژی را جایگزین یا رقیبی برای سوخت‌های فسیلی قرار داد. یکی از پرکاربرد‌ترین مبدل‌ها در این سیستم‌‌ها، مبدل‌های DC-DC با بهره ولتاژ بالا هستند. مبدل‌های با بهره ولتاژ بالا وظیفه دارند ولتاژ کم سلول‌های خورشیدی و پیل‌های سوختی را به سطح ولتاژ مناسب برای کاربرد‌های مختلف تبدیل کنند. با این حال، توان خروجی سلول‌های خورشیدی با شرایط محیطی مانند شدت تابش خورشید و دما تغییر می‌کنند، همچنین پیل‌های سوختی دارای مشکلاتی ازجمله سرعت کند راه‌اندازی، عدم توانایی ذخیره انرژی بازگشتی و سرعت پاسخ دهی کم می‌باشند؛ بنابراین لازم است تا از یک منبع انرژی اضافی مانند باتری در کنار منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده شود. به منظور مدیریت توان سیستم، تطیبق سطح ولتاژ باتری با باس DC، کنترل شارژ و تخلیه باتری و افزایش عمر مفید باتری لازم است تا از یک مبدل دوجهته به عنوان مدار واسط باتری و باس DC استفاده شود. مبدل دوجهته DC-DC، مبدلی است که در آن امکان انتقال توان بین دو منبع DC در هر دو جهت وجود دارد. در مبدل های کلیدزنی برای رسیدن به چگالی توان بالا، کوچک کردن ابعاد مبدل و کاهش تعداد عناصر غیرفعال نیاز به افزایش فرکانس کلیدزنی می‌باشد، ولی افزایش فرکانس کلیدزنی باعث تشدید تلفات کلیدها و اختلالات الکترومغناطیسی می‌شود، که این خود باعث عدم عملکرد مناسب مدارات جانبی می‌شود. بنابراین لازم است از روش‌های کلیدزنی نرم برای کاهش این مشکلات استفاده کرد. در این پایان‌نامه، ابتدا به لزوم استفاده از مبدل‌های کلیدزنی نرم شامل مبدل‌های بهره ولتاژ بالا و مبدل‌های دوجهته در سیستم‌های تولید برق مبتنی بر منابع انرژی تجدیدپذیر پرداخته شده است. در ادامه، روش‌های ایجاد بهره ولتاژ بالا بیان شده و سپس تعدادی از مبدل‌های درهم‌تنیده بهره ولتاژ بالا با کلیدزنی نرم بررسی شده است. افزایش بهره ولتاژ بدون به کارگیری ضریب وظیفه‌ی بزرگ برای کلیدها، کاهش تنش ولتاژ کلیدها و دایودها، بهبود مشکل بازیابی معکوس دایودها، کاهش تلفات کلیدزنی و تلفات هدایتی، کاهش تنش جریان کلیدها و ارائه‌ی ساختاری با قابلیت عملکرد در محدوده وسیع ضریب وظیفه از مهم‌ترین اهداف پژوهش در زمینه‌ی مبدل‌های DC-DC با بهره ولتاژ بالا در این پایان‌نامه به شمار می‌رود. بنابراین در این پایان‌نامه‌، یک مبدل درهم‌تنیده بسیار افزاینده با کلیدزنی نرم با ورودی 18 ولت، خروجی 160 ولت و توان 100 وات ارائه شده است. در این مبدل با استفاده از یک کلید و یک خازن شرایط کلیدزنی نرم برای کلیه عناصر نیمه‌هادی فراهم شده است. در ادامه، مبدل‌های دوجهته معرفی شده‌اند و ویژگی‌های یک مدار کلیدزنی نرم مطلوب برای این نوع مبدل‌ها بیان شده است. در ادامه ساختار عملکرد، مزایا و معایب انواع مختلف مبدل‌های دوجهته با کلیدزنی نرم ارائه می‌گردد. از میان مبدل‌های دوجهته کلیدزنی نرم، مبدل‌های دوجهته ZVT به دلیل ویژگی‌های ممتازی که دارا می‌باشند، بیشتر از دیگر مبدل‌ها دوجهته کلیدزنی نرم مورد توجه می‌باشند. بنابراین، یک مبدل دوجهته ZVT در توان 100 وات ارائه شده است که با یک کلید کمکی شرایط کلیدزنی نرم را برای کلیه عناصر نیمه‌هادی فراهم آورده است. همچنین، شرایط کلیدزنی نرم در محدوده وسیع ضریب وظیفه و توان خروجی در این مبدل فراهم شده است. علاوه‌براین جریان ورودی در قسمت ولتاژ پایین آن نیز پیوسته است که در مبدل‌های دوجهته بسیار مطلوب می‌باشد. در این پایان‌نامه، ساختار، عملکرد، روابط حاکم و روش طراحی هر دو مبدل پیشنهادی ارائه می‌شود. همچنین به منظور تایید صحت تحلیل تئوری، نتایج عملی مبدل‌های پیشنهادی ارائه شده است. در پایان، نتیجه گیری و پیشنهادهایی برای ادامه کار بیان می‌شود. کلمات کلیدی: منابعانرژی تجدید‌پذیر، مبدل‌ با بهره ولتاژ بالا، مبدل دوجهته، کلیدزنی نرم