طراحی، مدلسازی و ساخت یک مبدل Z-Source بهره بالا برای کاربرد در اتصال منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه برق

نوع مقاله: مقاله برق

نویسندگان

دانشکده برق، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، اصفهان، ایران.

چکیده

آرایه های خورشیدی، پیل های سوختی و انرژی باد امروزه به عنوان منابع انرژی پاک بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. این منابع می توانند انرژی خود را به شبکه برق و یا به طور مستقیم به مصرف کننده تحویل دهند. معمولا سطح ولتاژ تولیدی در این منابع پایین است و نیاز به افزایش سطح ولتاژ می باشد. برای حل این مشکل میتوان از مبدل های سوئیچینگ استفاده نمود. این مبدل ها باید توانایی ایجاد بهره های بالای ولتاژ را داشته باشند. در این مقاله یک مبدل سوئیچینگ بهره بالا بر اساس تکنیک z-source ارائه شده است. مبدل پیشنهادی نه تنها می تواند بهره ولتاژ را افزایش دهد بلکه در این مبدل استرس ولتاژ و جریان سوئیچ‏ پایین است در نتیجه می توان از سوئیچ ها با مقاومت زمان روشن بودن کم استفاده کنیم که منجر به کاهش تلفات هدایتی می‏شود و افزایش راندمان می شود. همچنین در این مبدل از یک سلف کوپل شده استفاده شده است که منجر به کاهش حجم مدار می‏شود. ابتدا مودهای عملکردی مبدل پیشنهادی تحلیل شده است سپس یک نمونه آزمایشگاهی طراحی شده و صحت عملکرد با استفاده از نتایج شبیه سازی مبدل در نرم افزار PSPICE، مورد بررسی قرار گرفته است. در انتها یک نمونه‏ی عملی از مبدل پیشنهادی در توان 200 وات و فرکانس 100 کیلو هرتز پیاده سازی گردید که نتایج بدست آمده مؤید تحلیل تئوری و صحت عملکرد مبدل پیشنهادی می‏باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design, modeling and implementation of a high step up z-source converter for connection of renewable energy source to the electrical grid

نویسندگان [English]

  • Sayyed Mohammad Mehdi Mirtalaei
  • Golnaz Tajmir
Department of Electrical Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.
چکیده [English]

Today, solar energy, fuel cells and wind energy have attracted much attention as clean sources of energy. These sources can deliver energy either to the grid or directly to the consumer. The produced voltage level of these sources is usually low and needs to be increased. This problem can be solved using switching converters. These converters should have the ability to provide high voltage gain. In this paper, a high step-up switching converter is presented based on z-source technique. The proposed converter not only increases the voltage gain, but also reduces voltage and current stress of the switch, so, switches with small on-resistance cab be used which contributes to conducting loss reduction and efficiency improvement. Also, coupled inductors are used in this converter that reduces the circuit volume. At first, the operating modes of the proposed converter are analysed, then, an experimental prototype is designed, and the performance validity is investigated via simulation in PSPICE software. Finally, a practical sample of the proposed converter is implemented in 100 kHz and 200W output power. The obtained results verify the theoretical analysis as well as the correct performance of the proposed converter.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Boost Converter
  • Z- Source technique
  • Switched Capacitor
  • Coupled Inductor
  • Reduced Voltage Stress
 

[1] فلقی,ح.رمضانی,م.حقی فام,م. (1391)"تحلیل تاثیر نیروگاه های بادی بر قابلیت تبادل شبکه های انتقال در سیستم قدرت ". مجله مدلسازی در مهندسی. سال 10, شماره 30.

[2]Fernando Lessa Tofoli, Denis de Castro Pereira, Wesley Josias de Paula, Demercil de Sousa Oliveira Junior, "Survey on non-isolated high-voltage step-up dc–dc topologies based on the boost converter," IET Power Electronics, pp. 1755-4535, 2015.

[3] W. Li and X. He, "Review of Nonisolated High-Step-Up DC/DC Converters in Photovoltaic Grid-Connected Applications," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, pp. 1239-1250, 2011.

[4] T. C. Lim, B. W. Williams, S. J. Finney, H. B. Zhang, and C. Croser, "Energy recovery snubber circuit for a dc-dc push-pull converter," IET Power Electronics, vol. 5, pp. 863-872, 2012.

[5] J. H. Lee, J. H. Park, and J. H. Jeon, "Series-Connected Forwar-Flyback Converter for High Step-Up Power Conversion," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, pp. 3629-3641, 2011.

[6] T. F. Wu, Y. S. Lai, J. C. Hung, and Y. M. Chen, "Boost Converter with Coupled Inductors and Buck-Boost Type of Active Clamp," in 2005 IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, 2005, pp. 399-405.

[7] K. K. Law, K. W. E. Cheng, and Y. P. B. Yeung, "Design and analysis of switched-capacitor-based step-up resonant converters," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 52, pp. 943-948, 2005.

[8] Giorgio, Simone Buso, "Analysis of the Interleaved Isolated boost converter with coupled inductors," IEEE   Transaction on industrial Electronics, volume: 62, pp. 4481-4491, 2015.

[9] M. Khalilzadeh and K. Abbaszadeh, "Non-isolated high step-up DC-DC converter based on coupled inductor with reduced voltage stress," IET Power Electronics, vol. 8, pp. 2184-2194, 2015.

[10] K. I. Hwu and Y. T. Yau, "High Step-Up Converter Based on Coupling Inductor and Bootstrap Capacitors with Active Clamping," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, pp. 2655-2660, 2014.

[11] H. C. Liu and F. Li, "Novel High Step-Up DC-DC Converter with an Active Coupled-Inductor Network for a Sustainable Energy System," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, pp. 6476-6482, 2015.

[12] F. Xiaoyun, S. Wensheng, and G. Xinglai, "A novel single-phase three-level PWM rectifier with asymmetrical legs," in Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008. International Conference on, 2008, pp. 1820-1825.

[13] L. S. Yang, T. J. Liang, H. C. Lee, and J. F. Chen, "Novel High Step-Up DC-DC Converter with Coupled-Inductor and Voltage-Doubler Circuits," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, pp. 4196-4206, 2011.

[14] V. P. Galigekere and M. K. Kazimierczuk, "Analysis of PWM Z-Source DC-DC Converter in CCM for Steady State," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 59, pp. 854-863, 2012.

[15] B. Poorali, A. Torkan, and E. Adib, "High step-up Z-source DC-DC converter with coupled inductors and switched capacitor cell," IET Power Electronics, vol. 8, pp. 1394-1402, 2015.

[16] H. Shen, B. Zhang, D. Qiu, and L. Zhou, "A Common Grounded Z-Source DC-DC Converter with High Voltage Gain," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, pp. 2925-2935, 2016.

[17] اسکندر نژاد,آ. رحمتی ,ع. ابریشم فر,ا (1391) "مدل سازی و تحلیل عددی مبدل های تایریستوری به روش رانگ-کوتای چند متغیره". مجله مدل سازی در مهندسی. سال10, شماره 29.

 

 

[18] نوحی,ح. طاهری,ا . آذر کردار,م (1394) "پیاده سازی مبدل تشدیدی با قابلیت تطبیق تانک متغیر و تنظیم ولتاژ از طریق مدولاسیون فرکانس". مجله مدل سازی در مهندسی. سال 13, شماره 43.