مدل‌سازی یک‌پارچه ترانسفورماتور حالت جامد دوطرفه: طبقه‌های یکسوساز، مبدل DC به DC و اینورتر
الموضوعات :حامد ملااحمدیان کاسب 1 , مرتضی شفیعی 2 , جاوید خراسانی 3
1 - موسسه آموزش عالی خراسان،گروه مهندسی برق
2 - دانشگاه فردوسی،پژوهشکده هوا خورشید
3 - موسسه آموزش عالی خراسان،گروه مهندسی برق
الکلمات المفتاحية: یکسوساز, مبدل DC به DC, اینورتر, ترانسفورماتور حالت جامد, مدل دینامیکی, مدل متوسط‌گیری شده,
ملخص المقالة :
یکی از تجهیزات جدید و در حال رشد و توسعه در شبکه‌های قدرت مدرن، ترانسفورماتور حالت جامد یا ترانسفورماتور الکترونیک قدرت می‌باشد. این نوع از ترانسفورماتورها مبتنی بر کلیدهای نیمه‌هادی قدرت و ترانس فرکانس بالا می‌باشند و نسبت به ترانسفورماتورهای سنتی دارای قابلیت‌های متعددی از قبیل قابلیت کار با دامنه و فرکانس متغیر ولتاژ ورودی، تنظیم اتوماتیک ولتاژ خروجی و اصلاح ضریب توان ورودی هستند. ترانسفورماتور مورد بررسی، قابلیت انتقال توان دوطرفه داشته و دارای سه طبقه یکسوساز، میانی و اینورتر می‌باشد. این ترانسفورماتور دارای تعداد زیادی کلید نیمه‌هادی بوده و مدل‌سازی، تحلیل، طراحی و شبیه‌سازی آن دشوار و پیچیده است. در این گونه موارد، استفاده از تئوری متوسط‌گیری، راه حلی مناسب به نظر می‌رسد. در اين مقاله، تئوری متوسط‌گیری بر روی ترانسفورماتور حالت جامد اعمال شده و مدل‌سازی آن با روشی ساده و قدرتمند با قابلیت بررسی حالت‌های گذرا و دائمی، صورت گرفته است. مدل‌سازی پیشنهادی شامل معادلات دیفرانسیل و مدار معادل مداری بوده و مدل یک‌پارچه ترانسفورماتور با قابلیت بررسی برهم‌کنش بین طبقات را به عنوان جزیی از سیستم قدرت ارائه می‌دهد. مدل‌های حاصل در شبیه‌سازی شبکه‌های هوشمند، ریزشبکه‌های DC و اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه و همچنین تحلیل و طراحی رفتار ترانسفورماتور حالت جامد در حوزه‌هایی چون انرژی‌های نو و حمل و نقل برقی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کنار مدل‌سازی ارائه‌شده، ساختار کنترل حلقه بسته برای هر سه طبقه پیاده‌سازی گردیده است. شبیه‌سازی ترانسفورماتور از طریق پیاده‌سازی معادلات دیفرانسیل در محیط SIMULINK نرم‌افزار MATLAB صورت پذیرفته و تأییدکننده مدل پیشنهادی می‌باشد.
[1] B. Umar, Y. Jibril, B. Jimoh, A. B. Kunya, Y. A. Maiwada, S. Aliyu, and M. Mohammed, "Glance into solid-state transformer technology: a mirror for possible research areas," J. of Applied Materials and Technology, vol. 2, no. 1, pp. 1-13, Oct. 2020.
[2] F. Ferdowsi, H. Vahedi, A. Jafarian Abianeh, C. S. Edrington, and T. Elmezyani, "A data-driven real-time stability metric for SST-based microgrids," Int. J. of Electrical Power & Energy Systems, vol. 134, ArticleID: 107397, Jan. 2022.
[3] L. Heinemann and G. Mauthe, "The universal power electronics-based distribution transformer, an unified approach," in Proc. 32nd IEEE Annual Power Electronics Specialists Conf., vol. 2, pp. 504-509, Vancouver, BC, Canada, 17-21 Jun. 2001.
[4] J. E. Huber and J. W. Kolar, "Volume/weight/cost comparison of a 1 MVA 10 kV/400 V solid-state against a conventional low-frequency distribution transformer," in Proc. of the IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, pp. 4545-4552, Pittsburgh, PA, USA, 14-18 Sept. 2014.
[5] M. Liserre, G. Buticchi, M. Andresen, G. I. D. Carne, L. Ferreira Costa, and Z. X. Zou, "The smart transformer impact on the electric grid and technology challenges," IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 10, no. 2, pp. 46-58, Jun. 2016.
[6] V. Najmi, Modeling, Control and Design Considerations for Modular Multilevel Converters, MS Thesis, Virginia Polytechnic Institute, USA, May 2015.
[7] M. Shamshuddin, et al., "Solid state transformers: concepts, classification, and control," J. of Energies, vol. 13, no. 19, Article ID: 2319, 35pp., May 2020.
[8] M. E. Adabi and J. A. Martinez-Velasco, "Solid state transformer technologies and applications: a bibliographical survey," AIMS Energy, vol. 6, no. 2, pp. 291-338, 2018.
[9] L. F. Costa, G. De Carne, G. Buticchi, and M. Liserre, "The smart transformer: a solid-state transformer tailored to provide ancillary services to the distribution grid," IEEE Power Electronics Magazine, vol. 4, no. 2, pp. 56-67, Jun. 2017.
[10] R. Zhu, et al., "Smart transformer/large flexible transformer," CES Trans. on Electrical Machines and Systems, vol. 4, no. 4, pp. 264-274, Dec. 2020.
[11] B. D. Reddy and S. K. Sahoo, "Design of solid-state transformer," Int. J. of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, vol. 4, no. 1, pp. 357-364, 2015.
[12] L. Zheng, et al., "SiC-based 5-kV universal modular soft-switching solid-state transformer (M-S4T) for medium-voltage DC microgrids and distribution grids," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 36, no. 10, pp. 11326-11343, Oct. 2021.
[13] E. Pool-Mazun, J. Sandoval, P. Enjeti, and I. Pitel, "An integrated solid-state transformer with high-frequency isolation for EV fast-charging applications," IEEE J. of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics, vol. 1, no. 1, pp. 46-56, Jul. 2020.
[14] J. Zhang, J. Liu, J. Yang, N. Zhao, Y. Wang, and T. Q. Zheng, "A modified DC power electronic transformer based on series connection of full-bridge converters," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 3, pp. 2119-2133, Mar. 2019.
[15] R. W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, 3th Ed., Springer Int. Publishing, Switzerland AG, 2020.
[16] R. Subroto, Y. Chen, K. Lian, J. Tsai, and C. Chu, "An accurate accelerated steady-state model for high-level modular multilevel converters," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 57, no. 4, pp. 4278-4293, Jul. 2021.
[17] M. Daryaei, S. Khajehoddin, J. Mashreghi, and K. Afridi, "A new approach to steady-state modeling, analysis and design of power converters," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 36, no. 11, pp. 12746-12768, Nov. 2021.
[18] Z. Liu, K. Li, J. Wang, W. Liu, Z. Javid, and Z. Wang, "General model of modular multilevel converter for analyzing the steady-state performance optimization," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 68, no. 2, pp. 925-937, Feb. 2021.
[19] م. هجری، "مدل‌سازی و کنترل هیبرید سرتاسری مبدل DC-DC باک- بوست به وسیله سیستم‌‌های دینامیکی- منطقی مخلوط،" نشريه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسي برق، سال 17، شماره 1، صص. 12-1، بهار 1398.
[20] H. Molla-Ahmadian, F. Tahami, A. Karimpour, and N. Pariz, "Hybrid control of DC-DC series resonant converters: the direct piecewise affine approach," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 30, no. 3, pp. 1714-1723, Mar. 2015.
[21] H. Abu Rub, J. Holtz, and J. Rodriguez, "Medium-voltage multilevel converters state of the art, challenges, and requirements in industrial applications," IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 57, no. 8, pp. 2581-2596, Aug. 2010.
[22] M. Malinowski, K. Gopakumar, J. Rodriguez, and M. A. Perez, "A survey on cascaded multilevel inverters," IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 57, no. 7, pp. 2197-2206, Jul. 2010.
[23] A. Milczarek and M. Michna, "The enhanced average model of the smart transformer with the wye-delta connection of dual active bridges," Energies, vol. 13, no. 18, Article ID: 4613, 2020.
[24] M. E. Adabi, Advanced Modeling of Solid State Transformer, Ph.D. Thesis, CATALUNYA Polytechnic University, Barcelona, 2018.
[25] B. Khare and V. Thapar, "MATLAB simulink model of dual active bridge converter for solid state transformer," J. of Emerging Technologies and Innovative Research, vol. 8, no. 7, pp. 887-890, Jul. 2021.
[26] J. V. Missula, R. Adda, and P. Tripathy, "Averaged modeling and SRF-based closed-loop control of single-phase ANPC inverter," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 36, no. 12, pp. 13839-13854, Dec. 2021.
[27] D. Shah, B. Baddipadiga, M. Crow, and M. Ferdowsi, "A solid-state transformer model for proper integration to distribution networks," in Proc. North American Power Symp., NAPS19, 6 pp., Wichita, KS, USA, 13-15 Oct. 2019.
[28] J. Martinez-Velasco, S. Alepuz, F. Gonzalez-Molina, and J. Martin-Arnedo, "Dynamic average modeling of a bidirectional solid state transformer for feasibility studies and real-time implementation," Electric Power Systems Research, vol. 117, pp. 143-153, Dec. 2014.
[29] R. B. Jeyapradha and V. Rajini, "Small signal averaged transfer function model and controller design of modular solid-state transformers," ISA Trans., vol. 84, pp. 271-282, Jan. 2019.
[30] C. M. Freitas, E. H. Watanabe, and L. F. C. Monteiro, "A linearized small-signal Thévenin-equivalent model of a voltage-controlled modular multilevel converter," Electric Power Systems Research, vol. 182, Article ID: 106231, May 2020.
[31] A. Shri, A Solid-State Transformer for Interconnection Between the Medium and the Low Voltage Grid, MSc. Thesis, Delft University of Technology, Holand, Oct. 2013.
[32] S. Falcones and R. Ayyanar, "Topology comparison for solid state transformer implementation," in Proc. IEEE PES General Meeting, 8 pp., Minneapolis, MN, USA, 25-29 Jul. 2010.
[33] ج. خراسانی، م. شفیعی، ح. ملااحمدیان، م. حسینی ابرده و م. علومی، "ترانسفورماتور حالت جامد،" فصل‌نامه علمی آموزشی پژوهشی عصر برق (انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران شاخه خراسان)، سال 3، شماره 4، صص. 13-7، بهار 1395.
[34] E. Salary and M. R. Banaei, "Power quality improvement based on novel power electronic transformer," in Proc. 2nd Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conf., pp. 286-291, Tehran, Iran, 16-17 Feb. 2011.
[35] W. van der Merwe and T. Mouton, "Solid-state transformer topology selection," in Proc. IEEE Int. Conf. on Industrial Technology, 6 pp., Churchill, VIC, Australia, 10-13 Feb. 2009.
[36] S. Bhattacharya, et al., "Design and development of generation-I silicon based solid state transformer," in Proc. 25th Annual IEEE Applied Power Electronics Conf. and Exposition, APEC'10, pp. 1666-1673, Palm Springs, CA, USA, 21-25 Feb. 2010.
[37] G. I. Ortiz and J. W. Kolar, Solid State Transformer Concepts in Traction and Smart Grid Applications, Power Electronic Systems Laboratory ETH, Swiss, 2011.
[38] T. Ponraj and A. George, "A solid state transformer integrating distributed generation and storage," Int. J. of Innovative Research in Computer and Communication Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 4029-4035, 2014.
[39] S. Bhuskute and V. S. Pawar, "Solid state transformer for smart grid system application," Int. J. of Research in Electronics and Computer Engineering, vol. 3, no. 2, pp. 90-93, Jun. 2015.
