سیستم‌های انتقال توان مدرن به تجهیزاتی نیاز دارند که علاوه بر انتقال حجم بالایی از انرژی الکتریکی، کیفیت توان را نیز در سطح مطلوب حفظ کنند. یکی از مهم‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در این حوزه، ادوات الکترونیک قدرت با توان بالا هستند که در سامانه‌های FACTS نقش کلیدی ایفا می‌کنند. مبدل GTO سه‌فاز 48 پالسه یکی از پیشرفته‌ترین ساختارهای این تجهیزات است که با استفاده از اینورترهای سه‌سطحی و ترانسفورماتورهای تغییر فاز زیگزاگ، ولتاژی با اعوجاج هارمونیکی بسیار پایین تولید می‌کند. این شبیه‌سازی به بررسی ساختار، نحوه عملکرد، اصول حذف هارمونیک‌ها و تحلیل نتایج حاصل از شبیه‌سازی این مبدل در محیط Matlab/Simulink می‌پردازد.

معرفی مبدل GTO سه‌فاز 48 پالسه

مبدل 48 پالسه یک اینورتر منبع ولتاژ (Voltage Source Inverter) با ظرفیت حدود 100 مگاولت‌آمپر و ولتاژ نامی 138 کیلوولت است که برای کاربردهای بسیار پرقدرت طراحی شده است. این نوع مبدل عمدتاً در تجهیزات FACTS مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ تجهیزاتی که وظیفه کنترل جریان توان، تنظیم ولتاژ، افزایش پایداری شبکه و بهبود کیفیت توان را بر عهده دارند.

برخلاف اینورترهای معمولی که خروجی آن‌ها شامل تعداد زیادی هارمونیک است، ساختار 48 پالسه با استفاده از چندین اینورتر سه‌سطحی و ترانسفورماتورهای تغییر فاز، شکل موجی نزدیک به سینوسی تولید می‌کند. این ویژگی موجب کاهش چشمگیر نیاز به فیلترهای هارمونیکی و افزایش راندمان سیستم می‌شود.

کاربردهای مبدل 48 پالسه

این نوع مبدل در بسیاری از تجهیزات انتقال قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرد. مهم‌ترین کاربردهای آن عبارت‌اند از:

• جبران‌کننده استاتیکی موازی (STATCOM)
• جبران‌کننده استاتیکی سری (SSSC)
• کنترل‌کننده یکپارچه توان (UPFC)
• شبکه‌های انتقال فشارقوی
• سیستم‌های انتقال توان با ظرفیت بسیار بالا
• بهبود کیفیت توان و کاهش اعوجاج هارمونیکی

ساختار داخلی مبدل

ساختار اصلی این مبدل از چهار اینورتر سه‌فاز سه‌سطحی تشکیل شده است که همگی از یک باس DC مشترک با ولتاژ ±9650 ولت تغذیه می‌شوند. خروجی هر اینورتر به سیم‌پیچ ثانویه یکی از ترانسفورماتورهای تغییر فاز زیگزاگ متصل شده و سپس سیم‌پیچ‌های اولیه این ترانسفورماتورها به صورت سری به یکدیگر متصل می‌شوند.

هدف از این آرایش، جمع شدن مؤلفه اصلی ولتاژها و در عین حال حذف بخش عمده‌ای از هارمونیک‌ها است. بدین ترتیب بدون نیاز به فیلترهای حجیم، خروجی نهایی کیفیت بسیار مناسبی خواهد داشت.

اینورترهای سه‌سطحی

هر یک از اینورترهای مورد استفاده در این مدل، یک اینورتر سه‌سطحی هستند. برخلاف اینورترهای دو سطحی که تنها دو مقدار مثبت و منفی ولتاژ تولید می‌کنند، اینورتر سه‌سطحی قادر است سه سطح ولتاژ مختلف شامل +Vdc، صفر و -Vdc را ایجاد کند. همین ویژگی باعث کاهش اعوجاج شکل موج و کاهش تنش ولتاژی روی کلیدهای قدرت می‌شود.

در مدل شبیه‌سازی Matlab برای ساده‌سازی محاسبات، از کلیدهای ایده‌آل استفاده شده است. هر شاخه اینورتر شامل سه کلید ایده‌آل است که عملکرد ساختاری متشکل از چهار کلید GTO، چهار دیود موازی معکوس و دو دیود کلمپ‌کننده را شبیه‌سازی می‌کند.

کلیدهای GTO و مدل‌سازی آن‌ها

اگرچه استفاده از کلیدهای ایده‌آل سرعت شبیه‌سازی را افزایش می‌دهد، اما در صورت نیاز می‌توان کلیدهای واقعی GTO همراه با دیودهای موازی را جایگزین نمود. در این حالت امکان بررسی افت ولتاژ، جریان عبوری از هر کلید، تلفات کلیدزنی و عملکرد حرارتی نیز فراهم خواهد شد. این قابلیت برای تحلیل‌های دقیق طراحی بسیار ارزشمند است.

ترانسفورماتورهای زیگزاگ و نقش آن‌ها

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی، استفاده از چهار ترانسفورماتور تغییر فاز زیگزاگ است. این ترانسفورماتورها دارای اتصالات ستاره و مثلث بوده و اختلاف فاز مشخصی بین ولتاژهای خروجی ایجاد می‌کنند. اختلاف فاز ایجاد شده سبب می‌شود بسیاری از هارمونیک‌های تولیدشده توسط اینورترها هنگام جمع شدن ولتاژها یکدیگر را خنثی کنند.

اتصال دلتا در سیم‌پیچ ثانویه حدود 30 درجه اختلاف فاز ایجاد می‌کند و اتصالات زیگزاگ اولیه نیز اختلاف فازهای مثبت و منفی 7.5 درجه را فراهم می‌کنند. این ترکیب دقیق باعث می‌شود مؤلفه‌های اصلی ولتاژ هم‌فاز شده و هارمونیک‌ها تا مرتبه 45 تقریباً حذف شوند.

مکانیزم حذف هارمونیک‌ها

یکی از مهم‌ترین مزایای این ساختار، حذف طبیعی هارمونیک‌ها بدون استفاده از فیلترهای بزرگ است. اختلاف فازهای ایجادشده توسط ترانسفورماتورها باعث حذف هارمونیک‌های مرتبه پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و بسیاری از مضارب آن‌ها می‌شود.

به دلیل حذف هارمونیک‌های مرتبه پایین، نخستین هارمونیک‌های قابل توجه در خروجی نهایی، هارمونیک‌های مرتبه 47 و 49 هستند که دامنه آن‌ها نیز بسیار کوچک بوده و معمولاً در حدود دو درصد باقی می‌مانند.

این ویژگی موجب می‌شود شکل موج خروجی تقریباً مشابه یک موج سینوسی بوده و کیفیت توان خروجی در سطح بسیار بالایی قرار گیرد.

زاویه هدایت (Sigma)

پارامتر بسیار مهم این شبیه‌سازی زاویه هدایت یا Sigma است. این زاویه مدت زمانی را مشخص می‌کند که هر سطح ولتاژ مثبت یا منفی در خروجی اینورتر باقی می‌ماند. مقدار این پارامتر بین صفر تا 180 درجه قابل تغییر است.

در این مدل مقدار Sigma برابر 172.5 درجه انتخاب شده است. این مقدار به گونه‌ای تعیین شده که هارمونیک‌های مرتبه 23 و 25 نیز تا حد زیادی کاهش یابند و تنها هارمونیک‌های بسیار مرتبه بالا در خروجی باقی بمانند.

رابطه انتخاب Sigma

برای حذف یک هارمونیک مشخص با مرتبه n در ولتاژ هر اینورتر، مقدار زاویه هدایت از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

Sigma = 180 × (1 − 1/n)

با استفاده از این رابطه می‌توان عملکرد اینورتر را برای حذف هارمونیک‌های مختلف تنظیم کرد. همچنین اگر مقدار Sigma برابر 180 درجه انتخاب شود، اینورتر عملاً مانند یک مبدل دو سطحی عمل کرده و خروجی آن به یک مبدل 24 پالسه تبدیل خواهد شد که کیفیت شکل موج آن نسبت به ساختار 48 پالسه کاهش می‌یابد.

شرایط بهره‌برداری در شبیه‌سازی

در این مدل، اینورتر به صورت حلقه باز کار می‌کند و ولتاژ لینک DC ثابت نگه داشته شده است. بنابراین زاویه آلفا که معمولاً در کنترل‌کننده‌های حلقه بسته استفاده می‌شود، در این شبیه‌سازی نقشی ندارد.

ابتدا اینورتر در حالت بی‌باری قرار دارد و سپس در زمان 0.025 ثانیه یک بار مقاومتی با ظرفیت 100 مگاولت‌آمپر به خروجی 138 کیلوولت متصل می‌شود. این تغییر بار امکان بررسی پاسخ دینامیکی سیستم را فراهم می‌کند.

نتایج قابل مشاهده در Scope

پس از اجرای شبیه‌سازی، چندین شکل موج مهم قابل مشاهده هستند. مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• ولتاژ خروجی اینورتر
• جریان سه‌فاز بار
• ولتاژ فاز به نول یکی از اینورترها
• ولتاژ خط به خط یکی از اینورترها

در حالت بدون بار، شکل موج خروجی دارای 48 پله کاملاً مشخص است. پس از اتصال بار، به دلیل راکتانس نشتی ترانسفورماتورها، بسیاری از هارمونیک‌ها تضعیف شده و شکل موج خروجی نرم‌تر و نزدیک‌تر به یک موج سینوسی می‌شود.

تحلیل FFT در Powergui

یکی از مهم‌ترین مراحل این شبیه‌سازی، تحلیل فرکانسی خروجی توسط ابزار FFT موجود در محیط Powergui است. این ابزار طیف فرکانسی ولتاژ خروجی را در بازه صفر تا 4000 هرتز نمایش می‌دهد و مقدار THD را نیز محاسبه می‌کند.

نتایج تحلیل نشان می‌دهد که دامنه هارمونیک‌های مرتبه 47 و 49 حدود دو درصد بوده و هارمونیک‌های 23 و 25 به کمتر از 0.3 درصد کاهش یافته‌اند. این نتایج نشان‌دهنده عملکرد بسیار مناسب ساختار 48 پالسه در حذف هارمونیک‌ها است.

در صورتی که ولتاژ خروجی هر یک از اینورترهای منفرد بررسی شود، مقدار اعوجاج هارمونیکی کل در حدود 25 درصد خواهد بود. اما پس از ترکیب خروجی چهار اینورتر توسط ترانسفورماتورهای تغییر فاز، مقدار THD به شکل قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند که بیانگر اثربخشی روش حذف هارمونیک مبتنی بر تغییر فاز است.

مزایای استفاده از مبدل 48 پالسه

• کاهش چشمگیر اعوجاج هارمونیکی
• تولید ولتاژ بسیار نزدیک به موج سینوسی
• کاهش نیاز به فیلترهای هارمونیکی
• افزایش کیفیت توان شبکه
• قابلیت استفاده در سیستم‌های انتقال توان بسیار بزرگ
• مناسب برای تجهیزات FACTS
• امکان تحلیل دقیق در محیط Matlab/Simulink
• قابلیت استفاده از کلیدهای ایده‌آل یا مدل واقعی GTO

جمع‌بندی

شبیه‌سازی مبدل GTO سه‌فاز 48 پالسه در Matlab یکی از بهترین نمونه‌های آموزشی برای آشنایی با مبدل‌های چندسطحی و فناوری‌های پیشرفته الکترونیک قدرت است. استفاده هم‌زمان از اینورترهای سه‌سطحی، ترانسفورماتورهای تغییر فاز زیگزاگ و تکنیک حذف هارمونیک مبتنی بر اختلاف فاز باعث شده است این ساختار بتواند ولتاژی با کیفیت بسیار بالا و اعوجاج هارمونیکی بسیار کم تولید کند. تحلیل نتایج شبیه‌سازی، بررسی طیف FFT، مطالعه تأثیر زاویه هدایت Sigma و مشاهده عملکرد مبدل در شرایط بی‌باری و بار کامل، دید جامعی نسبت به عملکرد این نوع اینورترهای پرقدرت فراهم می‌کند و آن را به یکی از مهم‌ترین مثال‌های آموزشی در حوزه سیستم‌های FACTS و الکترونیک قدرت پیشرفته تبدیل می‌سازد.