کنترل جبرانساز استاتیک سنکرون مبتنی بر مبدل پل متوالی با لینک های خازنی نامتقارن با استفاده از روش پیش بین مبتنی بر مدل

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 گروه مهندسی برق قدرت، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 گروه مهندسی برق-قدرت، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

جبرانساز استاتیک سنکرون یک اینورتر متصل به شبکه است که برای جبرانسازی توان راکتیو در خطوط انتقال و توزیع انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اینورتر پیشنهادی در این مقاله برای استفاده در جبرانساز استاتیک سنکرون، اینورتر پل متوالی نامتقارن است که از اتصال آبشاری سلول‌های تمام‌پل با منابع DC نامتقارن تشکیل یافته است. این اینورتر بدون نیاز به ترانسفوماتور قادر است به شبکه متصل شود و در قیاس با اینورتر پل متوالی متقارن، قادر است با استفاده از تعداد کمتری از ادوات قدرت، سطوح ولتاژ بیشتری را تولید کند. در کاربرد جبرانسازی، خازن‌های الکترولیت جایگزین منابع ولتاژ در لینک DC این مبدل می‌شود. از این رو علاوه بر کنترل توان راکتیو تزریقی به شبکه، ولتاژ خازن‌های لینک DC مبدل نیز باید تحت کنترل قرار گیرد. در این مقاله، یک روش کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل برای کنترل جبرانساز پیشنهاد شده است. در روش پیشنهادی، نخست، مدل دینامیکی زمان-گسسته سیستم برای پیش‌بینی متغیرهای کنترلی استخراج شده و سپس، یک تابع هزینه چندهدفه برای برآورده کردن اهداف کنترلی تعریف شده است. روش پیشنهادی قادر است جریان راکتیو تزریقی به شبکه را کنترل کند، ولتاژ خازن‌های هر سلول را در مقدار مرجع خود تنظیم کند و همچنین فرکانس کلیدزنی در سلول‌های ولتاژ-بالا را محدود کند. نتایج شبیه سازی روش پیشنهادی بر روی جبرانساز استاتیک سنکرون مبتنی بر اینورتر پل نامتقارن 27-سطحی در محیط نرم افزار MATLAB/SIMULINK ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Control Strategy for Cascaded H-Bridge Based STATCOM with Unequal Capacitive DC Links Based on Model Predictive Method

نویسندگان [English]

  • Yousef Neyshabouri 1
  • Mohammad Farhadi-Kangarlu 2
1 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
2 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده [English]

Static Synchronous Compensator (STATCOM) is a shunt grid connected converter used for reactive power/current compensation in electrical networks. Owing to its advantages, cascaded H-bridge inverter with unequal capacitive dc links is utilized in STATCOM application in this paper. In STATCOM application, the voltages of capacitors have to be controlled in addition to reactive current/power control. The studied inverter is composed of cascaded H-bridge cells with capacitive and unequal voltages which makes the regulation and balancing the voltages of capacitors, challenging. In this paper, a strategy based on model predictive control is proposed to meet the control objectives. First, the discrete-time model of the inverter is derived to predict the control variables and then a multi-objective cost function is developed. The input of the multi-objective optimization is the inverter switching states and the proposed control method controls the active and reactive power exchanged with the grid and the voltages of capacitors in each cell. Also, it mitigates the switching frequency in the high-voltage cell. The simulation results are provided on a 27-level asymmetric CHB based STATCOM.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cascaded H-bridge Inverter
  • Reactive Power Compensation
  • Static Synchronous Compensator (STATCOM)
  • Capacitor Voltage Balancing
  • Model Predictive Control

مراجع

[1] T. Qanbari and B. Tousi, "Single-Source Three-Phase Multilevel Inverter Assembled by Three-Phase Two-Level Inverter and Two Single-Phase Cascaded H-Bridge Inverters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 5, May 2021, pp. 5204-5212.
[2] بابک حسینی منتظر، جواد علمایی، مجید حسین­پور و بابک مظفری، "یک ساختار تعمیم­یافته حاوی دیود برای اینورتر چندسطحی با تعداد سویچ و درایور کمتر"، نشریه مدل‌سازی در مهندسی، دوره 19، شماره 66، پائیز 1400، صفحه 37-51.
[3] سعید مقصودی، یوسف کاظمی سنجی، محمد فرهادی کنگرلو و سجاد گلوانی، "مدلسازی جامع شرایط نامتعادلی موتور القائی به منظور ارزیابی دقیق عملکرد حالت ماندگار بر اساس شاخص نامتعادلی جریان مختلط (CCUF)"، نشریه مدل‌سازی در مهندسی، دوره 19، شماره 66، پائیز 1400، صفحه 65-78.
[4] F. Qin, F. Gao, Y. Tang, T. Xu, J. Wang and D. Niu, "Configuration and Operation of Nine-Arm Modular Multilevel Converter with Improved Hybrid Submodules," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 6, June 2021, pp. 6389-6403.
[5] مجید حسین­پور و علی سیفی، "ارائه یک ساختار جدید برای مبدل چندسطحی متقارن به منظور کاهش تعداد سویچ"، نشریه مدل‌سازی در مهندسی، دوره 18، شماره60، بهار 1399، صفحه 71-85.
[6] Y. Neyshabouri, S. K. Chaudhary, R. Teodorescu, R. Sajadi and H. Iman-Eini, "Improving the Reactive Current Compensation Capability of Cascaded H-Bridge Based STATCOM Under Unbalanced Grid Voltage," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 8, no. 2, June 2020, pp. 1466-1476.
[7] H. P. Vemuganti, D. Sreenivasarao, S. K. Ganjikunta, H. M. Suryawanshi and H. Abu-Rub, "A Survey on Reduced Switch Count Multilevel Inverters," in IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society, vol. 2, 2021, pp. 80-111.
[8] M. F. Kangarlu and E. Babaei, "A generalized cascaded multilevel inverter using series connection of submultilevel inverters", IEEE transactions on power electronics, vol. 28, no. 2, 2013, pp. 625-636.
[9] J. I. Y. Ota, Y. Shibano, N. Niimura and H. Akagi, "A Phase-Shifted-PWM D-STATCOM Using a Modular Multilevel Cascade Converter (SSBC)-Part I: Modeling, Analysis, and Design of Current Control," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 51, no. 1, Jan-Feb 2015, pp. 279-288.
[10] D. Lu, S. Wang, J. Yao, T. Yang and H. Hu, "Cluster Voltage Regulation Strategy to Eliminate Negative-Sequence Currents Under Unbalanced Grid for Star-Connected Cascaded H-Bridge STATCOM," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 3, March 2019, pp. 2193-2205.
[11] E. Rodriguez, R. Leyva, C. D. Townsend, G. G. Farivar, H. D. Tafti and J. Pou, "Constrained Control of Low-Capacitance Delta Cascaded H-Bridge StatComs: A Model Predictive Control Approach," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 12, Dec 2021, pp. 14312-14328.
[12] K. K. Monfared, Y. Neyshabouri, A. Miremad, S. Ahmadi and H. Iman-Eini, "Optimal Switching-Sequence-Based Model Predictive Control for a Hybrid Multilevel STATCOM," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 69, no. 10, Oct 2022, pp. 9952-9960.
[13] Q. Xiao et al., "An Improved Fault-Tolerant Control Scheme for Cascaded H-Bridge STATCOM with Higher Attainable Balanced Line-to-Line Voltages," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 4, April 2021, pp. 2784-2797.
[14] Kamran Sharifabadi; Lennart Harnefors; Hans-Peter Nee; Staffan Norrga; Remus Teodorescu, "Modulation and Submodule Energy Balancing," in Design, Control, and Application of Modular Multilevel Converters for HVDC Transmission Systems , IEEE, 2016, pp.232-271.
[15] Z. Liu, B. Liu, S. Duan and Y. Kang, "A Novel DC Capacitor Voltage Balance Control Method for Cascade Multilevel STATCOM," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 1, Jan 2012, pp. 14-27.
[16] G. Farivar, B. Hredzak and V. G. Agelidis, "Decoupled control system for cascaded H-bridge multilevel converter based STATCOM", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 1, Jan. 2016, pp. 322-331.
[17] R. Sajadi, H. Iman-Eini, M. K. Bakhshizadeh, Y. Neyshabouri and S. Farhangi, "Selective Harmonic Elimination Technique with Control of Capacitive DC-Link Voltages in an Asymmetric Cascaded H-Bridge Inverter for STATCOM Application," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 11, Nov 2018, pp. 8788-8796.
[18] S. Du, J. Liu, J. Lin and Y. He, "A Novel DC Voltage Control Method for STATCOM Based on Hybrid Multilevel H-Bridge Converter," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 1, Jan 2013, pp. 101-111.
[19] X. Liu et al., "A Fast Finite-Level-State Model Predictive Control Strategy for Sensorless Modular Multilevel Converter," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 3, June 2021, pp. 3570-3581.
[20] C. F. Garcia, C. A. Silva, J. R. Rodriguez, P. Zanchetta and S. A. Odhano, "Modulated Model-Predictive Control With Optimized Over modulation," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 7, no. 1, March 2019, pp. 404-413.
مدل سازی در مهندسی
دوره 21، شماره 73
تیر 1402
صفحه 31-45

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار