فهرست مطالب

روشهای هوشمند در صنعت برق - پیاپی 48 (زمستان 1400)

فصلنامه روشهای هوشمند در صنعت برق
پیاپی 48 (زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/06/20
  • تعداد عناوین: 6
|
  • امید شریفیانا، مجید دهقانی*، غضنفر شاهقلیان، سید محمد مهدی میرطلائی، مسعود جباری صفحات 1-29

    تولید انرژی الکتریکی پاک از اساسی ترین نیازهای پیش روی بشر امروز است. از این رو استفاده از نیروگاه هایی تولید برق که سوخت های تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیست (انرژی های نو) به عنوان سوخت پایه آن هاست، بشدت مورد اقبال قرار گرفته است. حال آنکه سطح ولتاژ خروجی نیروگاه های محلی تولید انرژی الکتریکی بر پایه انرژی های نو، به عنوان ولتاژ ورودی طبقات بعدی (اینورترها و...)، پایین است. از این رو محققان سعی کرده اند با استفاده از مبدل های افزاینده DC/DC این عیب را برطرف سازند. ساختارهای مربوط به این مبدل ها بر اساس انتظارات طراح مانند ضریب بهره ولتاژ، توان خروجی، بازده، مشخصات ولتاژ ورودی و... متفاوت است. مبدل های افزاینده به کمک کلیدزنی و ذخیره انرژی در سلف خود، وظیفه افزایش ولتاژ DC را بر عهده دارند. اما همین ساختار ساده را می توان به کمک ترفندهای جدید همچون، استفاده از تزویج مغناطیسی، افزودن مدارات افزاینده غیر فعال به ساختار مبدل ، ایجاد ساختارهای کامل تر با بهره بردن از چندین کلید اکتیو و حتی ترکیب چند ساختار با هم به نقطه مطلوبی از نظر بهره ولتاژ رساند. از سوی دیگر با روش های کلیدزنی نرم (رزونانس و اسنابر و...) راندمان مبدل های افزاینده در محدوده قابل قبولی قرار می گیرند. در این مقاله، انواعی از نیروگاه های بر پایه انرژی های نو و سپس مبدل های افزاینده که از اساسی ترین ارکان یک نیروگاه بر پایه انرژی های نو هستند، از نظر ساختارهای افزاینده و روش های کاربردی جهت بهینه سازی این مبدل ها به خصوص از نظر کاهش تلفات و افزایش راندمان دسته بندی شده است.

    کلیدواژگان: مبدل های غیر ایزوله، ضریب بهره ولتاژ، راندمان، کلید زنی نرم، ساختار رزونانسی، مدارات اسنابر
  • مجید معظمی*، مهدی محمدزمانی، ایمان صادق خانی صفحات 31-42
    با توجه به تلفات کلیدزنی و هارمونیک هایی که در کلیدزنی وجود دارد، در کاربردهای توان متوسط و توان بالا، باید فرکانس کلیدزنی کلیدها پایین باشد و از طرفی اعوجاج هارمونیکی کل (THD) ولتاژ و جریان نیز مطابق استانداردهای معتبر در کمترین مقدار ممکن قرار گیرد. به همین دلیل امکان استفاده از روش های رایج مدولاسیون پهنای پالس (PWM) سینوسی مبتنی بر موج حامل یا PWM بردار فضایی که دارای فرکانس کلیدزنی بالایی هستند، وجود ندارد. روش های مدولاسیون پهنای باند بهینه PWM ، برای اینورترهایی که از  مدولاسیون پله استفاده می کنند منجر بهTHD  ولتاژ خروجی کمتری نسبت به دیگر روش های رایج مدولاسیون می شوند. اما یکی از معایب بسیار مهم این روش ها محاسبه زاویه های کلیدزنی بهینه است که بایستی در جدول سوییچینگ به دنبال آنها گشت که این امر کاربرد PWM بهینه را محدود می نماید. در این مقاله راهکاری ارایه شده است که زاویه های کلیدزنی با استفاده از روش برنامه ریزی درجه دوم تکراری که یکی از روش های کاربردی برای حل تکراری مسایل بهینه سازی با قیود غیر خطی می باشد بدست می آید و در مقایسه با روش های برنامه ریزی درجه دوم تکراری موجود، در هر تکرار زاویه های کلیدزنی را با حل زیر مسئله های درجه دوم با قیود تساوی و دستگاه های معادلات خطی می یابد. و همچنین تحت شرایط مناسب، همگرایی سراسری و همگرایی مجانبی دارای سرعت، دقت و کارایی بیشتری می باشد و نیاز به زمان و حافظه زیاد برای بدست آوردن زاویه های کلیدزنی نیست. همچنین THD ولتاژ و جریان در یک اینورتر چند-سطحی آبشاری سه فاز با مدولاسیون پله حداقل می شود. زاویه های کلیدزنی مطلوب منجر به حداقل شدن فرکانس کلیدزنی، تلفات کلیدزنی و THD ولتاژ و جریان خواهند شد. همچنین کلیدهای قدرت در هر دوره تناوب، تنها یک بار قطع و وصل می شوند. کارآیی راهکار پیشنهادی از طریق مطالعات شبیه سازی در نرم افزار متلب ارزیابی می شوند.
    کلیدواژگان: مدولاسیون پله، برنامه ریزی درجه دوم تکراری، اینورتر چند سطحی، هارمونیک های توزیع شده
  • رامین برجعلی نوه سی، داریوش نظرپور اکبری*، رضا غنی زاده، پیام عالمی صفحات 43-59
    پنل های خورشیدی (PVs) و توربین های بادی (WTs) از مهمترین و پرکاربردترین منابع تولید پراکنده (DG) هستند. محدودیت های مکان احداث و مسایل زیست محیطی و اقتصادی، اتصال DG ها را به نقاط مورد نظر شبکه توزیع مشکل و در برخی موارد غیر ممکن کرده است. از این رو نصب DG ها در مکان های غیر بهینه، ممکن است باعث افزایش ولتاژ در نقاط اتصال مشترک (PCC) شود. در این مقاله، هماهنگی بانک های خازنی قابل کلیدزنی (SCB) و بازآرایی دینامیک شبکه بررسی شده و به منظور جلوگیری از تخطی حد بالا و پایین ولتاژ معرفی شده است. جهت دست یابی به مکان های بهینه SCB از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO) استفاده شده است. روش جدیدی در تعیین ظرفیت بهینه CBها (CSM) پیشنهاد شده که مقادیر بهینه توان راکتیو گره های مشخص شده توسط PSO را تعیین می کند. منحنی 24 ساعته به دست آمده از توان راکتیو پیشنهادی، نقش محوری را در طراحی SCB ایفا می کند. نتایج شبیه سازی به دست آمده بیانگر قابلیت و سودمندی رویکرد پیشنهادی در بهبود عملکرد شبکه توزیع است.
    کلیدواژگان: خازن گذاری، منابع تولید پراکنده، بارهای غیرخطی، بازآرایی دینامیک شبکه، خازن های قابل کلیدزنی
  • حامد احمدیان یزدی، محمدعلی پورمینا*، افروز حق بین صفحات 61-80

    در این پیوند، همزمان سازی شامل دو مرحله می باشد. همزمان سازی الگوی پرش فرکانسی و همزمان سازی کد دنباله مستقیم. در شرایط حضور اختلال، استفاده از روش مرسوم آشکارسازی با آستانه ثابت منجر به افزایش نرخ هشدار اشتباه می شود. افزایش نرخ هشدار اشتباه، زمان همزمان سازی را در سیستم های طیف گسترده ترکیبی افزایش می دهد. برای حل این مساله معمولا در گیرنده از بلوک تخمین گر توان نویز و اختلال استفاده می شود. با این روش مقدار آستانه به صورت لحظه ای بر اساس توان توان تخمین زده شده تطبیق داده می شود. این روش بار محاسباتی و پیچیدگی سخت افزاری زیادی داشته و خطا در تخمین توان نویز و اختلال منجر به افزایش نرخ هشدار اشتباه می شود. در این مقاله، الگوریتم پیشنهادی همزمان سازی پیوند طیف گسترده ترکیبی به صورت آستانه وفقی و بر اساس مشخصات آماری سیگنال دریافتی ارایه می شود. در الگوریتم پیشنهادی مقدار آستانه به صورت وفقی به گونه ای تغییر می کند که نرخ هشدار اشتباه در یک مقدار کمینه ثابت باقی بماند. نتایج تحلیل های تیوری و شبیه سازی ها نشان می دهد که الگوریتم پیشنهادی می تواند نسبت به روش مرسوم آستانه ثابت، احتمال آشکارسازی و نرخ هشدار اشتباه را در حضور اختلال بهبود داده و زمان همزمان سازی را کاهش دهد.

    کلیدواژگان: طیف گسترده ترکیبی، همزمان سازی، نرخ هشدار اشتباه ثابت
  • ابراهیم عموپور، جواد حسن زاده کلاشمی*، علی عبدالله زاده ضیابری، پیمان عظیمی انارکی صفحات 81-90

    سلول خورشیدی کادمیوم تلوراید (CdTe) به دلیل کارایی بالا، هزینه کم و پایداری بالا شناخته شده است. در این مقاله، شبیه سازی سلول خورشیدی مبتنی بر کادمیوم تلوراید (ZnO/ZnCdS/CdTe/NiO/Al) ارایه شده است. لایه های ZnCdS،NiO  و ZnO به ترتیب به عنوان لایه های ترابردکننده الکترون/حفره (ETL/HTL) و اکسید رسانای شفاف (TCO) استفاده شده اند. برای ارزیابی عملکرد سلول خورشیدی چند پیوندی کادمیوم تلوراید از نرم افزار شبیه سازی SCAPS-1D استفاده شد. این نرم افزار قادر به تجزیه و تحلیل کارایی با پارامترهای مختلف سلول خورشیدی کادمیوم تلوراید است. تاثیر ضخامت لایه ها، چگالی حامل ها، چگالی نقایص و چگالی نقایص پیوندگاه ZnCdS/CdTe بر عملکرد سلول خورشیدی نیز بررسی شد. سلول خورشیدی بهینه سازی شده با ولتاژ مدار باز (VOC)  095/1 ولت، چگالی جریان اتصال کوتاه (JSC) 22/27 میلی-آمپر بر سانتی متر مربع و ضریب پری (FF) 14/88 درصد و بیشینه بازده تبدیل انرژی (PCE)  3/26 درصد را نشان داد که امیدواری بسیار بالایی را در استحصال انرژی خورشیدی نشان می دهد.

    کلیدواژگان: سلول خورشیدی، HTL، ETL، TCO، SCAPS-1D
  • روح الله خرمی، مجید دلشاد*، هادی ثقفی صفحات 93-105
    در این مقاله یک مبدل بسیار کاهنده با یکسوساز همزمان ارایه گردیده است، بطوریکه سوییچ اصلی و سوییچ یکسوساز هردو بصورت نرم کلیدزنی می گردند. از آنجاییکه بهره مبدل پیشنهادی بسیار پایین تر از مبدل کاهنده عادی است. مشکلات مبدل باک عادی نظیر ضریب وظیفه باریک، استرس ولتاژ و جریان سوییچ بالا و...را ندارد. در مبدل پیشنهادی استرس ولتاژ روی سوییچ کاهش یافته است، در نتیجه می توان از سوییچ با مقاومت درین-سورس پایین تر استفاده نمود و تلفات هدایتی کاهش می یابد. از طرفی به علت آنکه دیودهای مدار نیز بصورت کلیدزنی در جریان صفر خاموش می شوند، مشکل بازیابی معکوس ندارند. تلفات کلیدزنی سوییچها نیز به خاطر عملکرد تحت شرایط کلیدزنی در ولتاژ صفر به شدت کاهش می یابد. از طرفی انرژی سلف نشتی در خازن خروجی تخلیه می گردد و بالازدگی ولتاژ دو سر المانها وجود ندارد. مبدل پیشنهادی به طور کامل تحلیل شده و برای اثبات درستی تحلیل های مدار یک نمونه عملی 120 وات از آن ساخته شده است.
    کلیدواژگان: مبدل بسیار کاهنده، افزایش بازده، استرس ولتاژ پایین، سوییچ یکسوساز همزمان
|
  • Omid Sharifiyana, Majid Dehghani *, Ghazanfar Shahgholian, Sayyed MohamadMehdi Mirtalaee, Masoud Jabbari Pages 1-29

    The production of clean electricity is one of the most basic human needs today. Therefore, the use of power plants that use renewable and environmentally friendly fuels (new energy) as their base fuel, has been highly appreciated. However, the output voltage level of local power plants based on new energies is as low as the input voltage of the next floors (inverters, etc.). Therefore, researchers have tried to solve this defect by using DC / DC boost converters. The structures related to these converters are different based on the designer's expectations such as voltage gain, output power, efficiency, input voltage specifications, etc. Boost converters are responsible for increasing the DC voltage by switching and storing energy in their inductor. But the same simple structure can be created with the help of new tricks such as using magnetic coupling, adding passive incremental circuits to the converter structure, creating more complete structures by using several active switches and even combining several structures together to the desired point in terms of voltage gain. On the other hand, with soft switching methods (resonance, snubber, etc.), the efficiency of boost converters is in the acceptable range. In this paper, the types of power plants based on new energy and then boost converters, which are the most basic elements of a power plant based on new energy, it is categorized in terms of incremental structures and applied methods for optimizing these converters, especially in terms of reducing losses and increasing efficiency.

    Keywords: non-insulated converters, Voltage gain, Efficiency, soft switching, resonant structure, snubber circuits
  • Majid Moazzami *, Mehdi Mohammadzamani, Iman Sadeghkhani Pages 31-42
    The multilevel cascade inverter is one of the most widely used power-electronics based interfaces in electrical distribution systems. Due to high losses and harmonics, the switching frequency of the inverter should be low in medium and high power applications. For this reason, the conventional carrier wave-based sinusoidal pulse modulation (PWM) and space vector PWM that have high switching frequencies cannot be used in these applications. The optimal PWM methods for inverters with step modulation result in lower total harmonic distortion (THD) in output voltage than other common modulation methods. However, one of the major disadvantages of these methods is that the optimal switching angles should be determined using the switching table, limiting the application of the optimal PWM. This paper proposes a method for determination of switching angles by using the iterative quadratic programming method. In each iteration, the proposed method calculates the switching angles by solving the quadratic sub equations with equality constraints and linear equations. Also in the appropriate conditions, global and asymmetric convergences are faster, more accurate, and more efficient, and there is no need for much time and memory for switching angles determination. The optimum switching angles minimize the switching frequency, switching losses, and THD in voltage and current of a three-phase cascade multilevel inverter with step modulation. Also, the power circuit breakers are switched on and off only once in each period. The effectiveness of the proposed method is evaluated through simulation case studies in MATLAB environment.
    Keywords: Step modulation, iterative quadratic programming, multilevel inverter, Total harmonic distortion
  • Ramin Borjali Navesi, Daryoosh Nazarpour Akbari *, Reza Ghanizadeh, Payam Alemi Pages 43-59
    Wind turbines and photovoltaic arrays are the most prominent and widely used intermittent Distributed Generations (DGs). Due to the right-of-way, environmental, economical and other restrictions, the connection of this type of DGs to the preferred point of the distribution network is very difficult or in some cases impossible. Therefore, because of non-optimal locations, they may cause a voltage rise at the Points of Common Coupling (PCCs). In this paper, a coordinated design of Switchable Capacitor Banks (SCBs) with dynamic reconfiguration of the distribution network is proposed to avoid low and high voltage violations. For this purpose, distribution network reconfiguration is implemented to mitigate voltage rise at PCCs and Capacitor Banks (CBs) to solve the low voltage problem. A novel method is presented for determining the optimal size of CBs. The proposed Capacitor Sizing Method (CSM) effectively determines the optimal values of reactive power for the given nodes. The optimal locations of SCB are determined using particle swarm optimization algorithm. The 24–hour reactive power curve optimized by the proposed method plays a pivotal role in designing SCBs. The simulation results show that the implementation of the dynamic network reconfiguration and SCBs placement is required to maintain a standard voltage profile for better employment of DG embedded distribution networks.
    Keywords: Capacitor placement, dg, Nonlinear load, Dynamic reconfiguration. Switchable capacitors
  • Hamed Ahmadian Yazdi, MohammadAli Pourmina *, Afrooz Haghbin Pages 61-80

    Hybrid Spread Spectrum (HSS) link is a suitable and robust physical layer structure for the tactical ad-hoc network. In this link, synchronization consists of two stages: Frequency hopping pattern synchronization and direct sequence code synchronization. In the presence of jamming, the use of the conventional fixed-threshold detection method increases the false alarm rate. Increasing the false alarm rate increases synchronization time in the HSS link. To solve this problem, the noise and jamming power estimator block is usually used at the receiver. Threshold value is adjusted instantaneously based on the estimated power in this method. This method has a high computational load and hardware complexity, and error in estimating noise and jamming power leads to an increase in the false alarm rate. In this paper, the proposed synchronization algorithm of the hybrid spread spectrum system is presented as an adaptive threshold, based on the statistical characteristics of the received signal. In the proposed algorithm, the threshold value is changed adaptively so that the false alarm rate remains constant at a minimum value. The theoretical analysis and simulation results show that the proposed algorithm can improve the detection probability and false alarm rate and reduce the synchronization time in the presence of a jamming compared to the conventional fixed threshold method.

    Keywords: HSS, synchronization, CFAR
  • Ebrahim Amoupour, Javad Hasanzadeh *, Ali Abdolahzadeh Ziabari, Peyman Azimi Pages 81-90

    Cadmium telluride (CdTe) solar cell is known for its high efficiency, low cost and high stability. In this paper, simulation of CdTe based solar cell (ZnO/ZnCdS/CdTe/NiO/Al) has been presented. ZnCdS, NiO and ZnO layers have been used as electron/hole transport layer (ETL/HTL) and transparent conductive oxide (TCO) layer, respectively. SCAPS-1D simulation software was used to evaluate the performance of the modelled multijunction CdTe solar cell. This software is capable of analyzing the efficiency with different parameters of cadmium telluride solar cell. The impact of thickness, carrier concentration, defect density of the CdTe, and ZnCdS/ CdTe interface defect density on the solar cell performance was also investigated. The optimized solar cell demonstrated a maximum power conversion efficiency (PCE) of 26.3 % with open circuit voltage (VOC) of 1.095 V, short circuit current density (JSC) of 27.22 mA/cm2 and FF of 88.14 % that shows huge promise in low-cost solar energy harvesting.

    Keywords: solar cell, HTL, ETL, TCO, SCAPS-1D
  • Rohollah Khorammi, Majid Delshad *, Hadi Saghafi Pages 93-105
    In this paper, a high step down converter with a synchronous rectifier is presented, so that both the main switch and the rectifier switch operate under soft switching condition. Since the proposed converter gain is much lower than the conventional buck converter, it does not have the problems of these converters such as narrow duty cycle, high voltage stress and high switch current, etc. In the proposed converter, the voltage stress on the switch is reduced, so a switch with lower drain-source resistance (RDS(ON)) can be used and the conduction losses are reduced. On the other hand, because the diodes of the circuit are switched off under zero current switching condition, do not have the problem of reverse recovery. Switching losses of the switches are also greatly reduced due to operating under zero voltage switching conditions. The proposed converter has been thoroughly analyzed and a practical 120 W prototype has been made to prove the correctness of the circuit analysis.
    Keywords: High Step-up Converter, Efficiency, Low Voltage Stress, Synchronous Rectifier