ارائه ساختار جدید برای اینورتر چندسطحی خازن سوئیچ شونده مبتنی بر سلول‌های پایه پل H

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقاله 4، دوره 15، شماره 57، خرداد 1403، صفحه 51-74   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

مجید حسین‌پور^* ؛ عرفان پناهلو؛ علی سیفی؛ عبدالمجید دژم خوی

گروه مهندسی برق- دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده فنی و مهندسی، اردبیل، ایران

چکیده

کاهش تعداد منابع ولتاژ DC مستقل و تعداد قطعات الکترونیک قدرت از موارد مهم مدنظر محققان در طراحی ساختارهای اینوترهای چندسطحی است. کاهش تعداد قطعات یک ساختار در کاهش هزینه کلی آن تاثیرگذار بوده و قابلیت و کارایی آن را افزایش می‌دهد. در این مقاله یک اینورتر چندسطحی خازن سوئیچ‌شونده تک منبعی جدید مبتنی بر سلول‌های پایه پلH  ارائه شده است. ساختار پیشنهادی با دو واحد نوع K (KTU) قابلیت تولید نوزده سطح ولتاژ را داشته و دارای ضریب بوست ولتاژ 5/1 است. این مبدل از چهارده سوئیچ، دو دیود، یک منبع ولتاژ و پنج خازن با تعادل خودکار ولتاژ تشکیل شده است. برای بررسی کارایی ساختار پیشنهادی، مطالعه مقایسه‌ای با سایر توپولوژی‌های ارائه شده اخیر انجام شده است. مزایای توپولوژی پیشنهادی شامل استفاده از یک منبع ولتاژ DC، تعادل ‌خودکار ولتاژ خازن‌ها، قابلیت افزایش ولتاژ ورودی، کاهش تعداد قطعات الکترونیک قدرت نسبت به تعداد سطوح ولتاژ خروجی و در نتیجه کاهش هزینه کلی است. شبیه‌‌سازی ساختار پیشنهادی نوزده سطحی با مدولاسیون فرکانس پایه برای بررسی عملکرد صحیح آن در محیط سیمولینک متلب ارائه شده است. نمونه آزمایشگاهی ساختار پیشنهادی برای بررسی صحت نتایج شبیه‌سازی پیاده‌سازی شده و نتایج حاصل بیانگر عملکرد مناسب ساختار پیشنهادی است. 

کلیدواژه‌ها

اینورتر چندسطحی؛ تعادل خودکار؛ ضریب بوست ولتاژ؛ کاهش تعداد قطعات

مراجع

[1] J. Pereda, J. Dixon, “23-Level inverter for electric vehicles using a single battery pack and series active filters”, IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 61, no. 3, pp. 1043-1051, March 2012 (doi: 10.1109/TVT.2012.2186599).

[2] S. Souri, H. Mohammadnezhad-Shourkaei, S. Soleymani, B. Mozafari, "Reactive power management in low voltage distribution networks using capability and oversizing of PV smart inverters", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 56, pp. 21-42, March 2024 (in Persian).

[3] K.K. Gupta, A. Ranjan, P. Bhatnagar, L.K. Sahu, S. Jain, “Multilevel inverter topologies with reduced device count: A review”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 31, no. 1, pp. 135-151, Jan. 2016 (doi: 10.1109­/TP­E­L.2015.2405012).

[4] B.H. Montazer, J. Olamaei, M. Hosseinpour, B. Mozafari, “A generalized diode containing bidirectional topology for multilevel inverter with reduced switches and power loss”, International Journal of Circuit Theory and Applications, vol. 49, no. 9, pp. 2959-2978, Sept. 2021 (doi: 10.1002/cta.3077).

[5] A. Seifi, M. Hosseinpour, A. Dejamkhooy, “A switch-source cell-based cascaded multilevel inverter topology with minimum number of power electronics components”, Transactions of the Institute of Measurement and Control, vol. 43, no. 5, pp. 1212-1225, March 2021 (doi: 10.1177/0142331220974137).

[6] A. Seifi, M. Hosseinpour, A. Dejamkhooy, F. Sedaghati, “Novel reduced switch-count structure for symmetric/asymmetric cascaded multilevel inverter”, Arabian Journal for Sciee and Engineering, vol. 45, no. 8, pp. 6687-6700, June 2020 (doi: 10.1007/s13369-020-04659-4).

[7] M. Mohammadzamani, M. Moazzami, I. Sadeghkhani, “Voltage THD minimization in multilevel cascade inverters using repetitive quadratic programming”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 12, no. 48, pp. 31-42, March 2022 (in Persian) (doi: 20.1001.1.23223871.1400.12.48.1.1).

[8] A. K. Sadigh, S.H. Hosseini, M. Sabahi, G. B. Gharehpetian, “Double flying capacitor multicell converter based on modified phase-shifted pulsewidth modulation”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 25, no. 6, pp. 1517-1526, June 2010 (doi: 10.1109/TPEL.2009.2039147).

[9] A. Poolad, M. Shahparasti, M. Hosseinpour, “Supplying three phase, four wire, unbalanced and non-linear, asymmetric ohmic-inductive load by NPC inverter based on method predictive control”, Signal Processing and Renewable Energy, vol. 3, no. 4, pp. 1-21, Dec. 2019 (doi: 20.1001.1.25­88732­7.20­19.3­.4­.1­.­2­).

[10] M. Abarzadeh, K. Al-Haddad, “An improved active-neutral-point-clamped converter with new modulation method for ground power unit application”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 66, no. 1, pp. 203-214, April 2018 (doi: 10.1109/TIE.2018.2826484).

[11] Z. Du, L. M. Tolbert, B. Ozpineci, J.N. Chiasson, “Fundamental frequency switching strategies of a seven-level hybrid cascaded H-bridge multilevel inverter”, IEEE Trans. on power electronics, vol. 24, no. 1, pp. 25-33, June 2009 (doi: 10.1109/TPEL.2008.2006678).

[12] J.S. Choi, F.S. Kang, “Seven-level PWM inverter employing series-connected capacitors paralleled to a single DC voltage source”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 62, no. 6, pp. 3448-3459, June 2015 (doi: 10.1109/TIE.2014.2370948).

[13] S. K. Chattopadhyay, C. Chakraborty, “A new multilevel inverter topology with self-balancing level doubling network”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 61, no. 9, pp. 4622-4631, Nov. 2013 (doi: 10.1109/TIE.2013.2290751).

[14] E. Samadaei, A. Sheikholeslami, S.A. Gholamian, J. Adabi, “A square T-type (ST-type) module for asy­m­m­e­trical multilevel inverters”, IEEE Trans. on power Electronics, vol. 33, no. 2, pp. 987-996, Mar. 2017 (doi: 10.1109/TPEL.2017.2675381).

[15] M.F.M. Elias, N.A. Rahim, H.W. Ping, M.N. Uddin, “Asymmetrical cascaded multilevel inverter based on transistor-clamped H-bridge power cell”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 50, no. 6, pp. 4281-4288, Aug. 2014 (doi: 10.1109/TIA.2014.2346711).

[16] M. Saeedian, S.M. Hosseini, J. Adabi, “A five-level step-up module for multilevel inverters: topology, modulation strategy, and implementation”, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 6, no. 4, pp. 2215-2226, Mar. 2018 (doi: 10.1109/JESTPE.2018.2819498).

[17] J. Zeng, J. Wu, J. Liu, H. Guo, “A quasi-resonant switched-capacitor multilevel inverter with self-voltage balancing for single-phase high-frequency AC microgrids”, IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 13, no. 5, pp. 2669-2679, Feb. 2017 (doi: 10.1109/TII.2017.2672733).

[18] H.K. Jahan, M. Abapour, K. Zare, “Switched-capacitor-based single-source cascaded H-bridge multilevel inverter featuring boosting ability”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 2, pp. 1113-1124, April 2018 (doi: 10.1109/TPEL.2018.2830401).

[19] A. Taghvaie, J. Adabi, M. Rezanejad, “A self-balanced step-up multilevel inverter based on switched-capacitor structure”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 33, no. 1, pp. 199-209, Jan. 2018 (doi: 10.11­09/TP­EL.2017.2669377).

[20] M.D. Siddique, M.F. Karim, S. Mekhilef, M. Rawa, M. Seyedmahmoudian, B. Horan, A. Stojcevski, M. Ahmed, “Single-phase boost switched-capacitor based multilevel inverter topology with reduced switching devices”, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Early Access, Nov. 2021 (doi: 10.1109/JESTPE.2021.3129063).

[21] J. Zeng, W. Lin, D. Cen, J. Liu, “Novel K-type multilevel inverter with reduced components and self-balance”, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 8, no. 4, pp. 4343-4354, Dec. 2020 (doi: 10.1109/JESTPE.2019.2939562).

[22] R. Barzegarkhoo, M. Moradzadeh, E. Zamiri, H.M. Kojabadi, F. Blaabjerg, “A new boost switched-capacitor multilevel converter with reduced circuit devices”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 33, no. 8, pp. 6738-6754, Aug. 2018 (doi: 10.1109/TPEL.2017.2751419).

[23] M. Hosseinpour, A. Seifi, A. Dejamkhooy, F. Sedaghati, “Switch count reduced structure for symmetric bi-directional multilevel inverter based on switch-diode-source cells”, IET Power Electronics, vol. 13, no. 8, pp.1675-1686, June 2020 (doi: 10.1049/iet-pel.2019.1310).

[24] S.S. Lee, C.S. Lim, K.B. Lee, “Novel active-neutral-point-clamped inverters with improved voltage-boosting capability”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 35, no. 6, pp. 5978-5986, June 2019 (doi: 10.­11­09/TPEL.2019.2951382).