مبدل‌های AC/DC نقش بسیار مهمی در سیستم‌های قدرت مدرن، منابع تغذیه صنعتی، سیستم‌های انتقال انرژی و کاربردهای مبتنی بر الکترونیک قدرت دارند. با افزایش توان مورد نیاز در شبکه‌های الکتریکی، استفاده از مبدل‌های چندسطحی به دلیل کاهش هارمونیک‌ها، بهبود کیفیت توان و کاهش تنش‌های ولتاژی روی کلیدهای قدرت، اهمیت زیادی پیدا کرده است. یکی از ساختارهای پیشرفته در این زمینه، مبدل PWM سه سطحی AC/DC است که با استفاده از تکنیک مدولاسیون پهنای پالس و کلیدهای IGBT قادر است توان الکتریکی را با کیفیت بالا بین شبکه AC و باس DC منتقل کند.

در این شبیه سازی، عملکرد یک مبدل PWM سه سطحی AC/DC بررسی می‌شود. این مدل یک مبدل منبع ولتاژ (Voltage Source Converter – VSC) سه فاز را نشان می‌دهد که با استفاده از پل IGBT سه سطحی پیاده‌سازی شده است. هدف اصلی این سیستم، کنترل ولتاژ لینک DC در مقدار مرجع 500 ولت و در عین حال حفظ ضریب توان واحد در سمت شبکه AC است. این ساختار نمونه‌ای از کاربردهای صنعتی مبدل‌های چندسطحی در سیستم‌های توان بالا محسوب می‌شود.

مشخصات کلی سیستم شبیه سازی

مبدل مورد استفاده دارای توان نامی 500 کیلووات و ولتاژ خروجی DC برابر با 500 ولت است. منبع تغذیه ورودی سیستم یک شبکه سه فاز با ولتاژ 600 ولت، توان اتصال کوتاه 30 مگاولت‌آمپر و فرکانس 60 هرتز است. این مشخصات نشان می‌دهد که سیستم مورد بررسی در محدوده کاربردهای توان متوسط و بالا قرار دارد و می‌تواند رفتار یک مبدل واقعی صنعتی را نمایش دهد.

بخش اصلی مبدل توسط یک پل IGBT سه سطحی سه فاز مدل‌سازی شده است. در Matlab و محیط Simulink، این قسمت با استفاده از بلوک Three-Level Bridge پیاده‌سازی می‌شود. استفاده از ساختار سه سطحی باعث می‌شود ولتاژ خروجی مبدل دارای سطوح بیشتری نسبت به مبدل‌های دو سطحی معمولی باشد. در نتیجه شکل موج خروجی به موج سینوسی نزدیک‌تر شده و میزان فیلتر مورد نیاز کاهش پیدا می‌کند.

کلیدهای قدرت IGBT توسط یک مدولاتور PWM کنترل می‌شوند. فرکانس حامل PWM در این شبیه سازی برابر با 1620 هرتز انتخاب شده است. انتخاب فرکانس مناسب کلیدزنی تأثیر مستقیمی بر کیفیت توان خروجی، میزان تلفات سوئیچینگ و عملکرد کنترل‌کننده دارد.

ساختار لینک DC و ذخیره انرژی

در سمت DC مبدل، یک لینک DC شامل دو خازن با ظرفیت 75000 میکروفاراد قرار گرفته است. این خازن‌ها وظیفه تثبیت ولتاژ DC، کاهش ریپل ولتاژ و ذخیره انرژی لحظه‌ای را بر عهده دارند. در مبدل‌های AC/DC توان بالا، کنترل دقیق ولتاژ لینک DC اهمیت زیادی دارد زیرا تغییرات ناگهانی بار می‌تواند باعث افت یا افزایش شدید ولتاژ شود.

در این شبیه سازی، کنترل‌کننده DC از دو کنترل‌کننده PI استفاده می‌کند. کنترل‌کننده اول وظیفه تنظیم ولتاژ لینک DC را بر عهده دارد و کنترل‌کننده دوم برای کنترل جریان و ایجاد ضریب توان واحد در سمت ورودی AC استفاده می‌شود. ترکیب این دو حلقه کنترلی باعث می‌شود مبدل بتواند علاوه بر تثبیت ولتاژ DC، توان را با کمترین اعوجاج از شبکه دریافت کند.

تنظیمات شبیه سازی در Matlab

مدل ارائه شده به صورت گسسته پیاده‌سازی شده است و هیچ حالت پیوسته‌ای در سیستم وجود ندارد. برای افزایش دقت شبیه سازی،