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

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

مجید حسین‌پور ¹ (گروه مهندسی برق- دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده فنی و مهندسی، اردبیل، ایران)
عرفان پناهلو ² (گروه مهندسی برق- دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده فنی و مهندسی، اردبیل، ایران)
علی سیفی ³ (گروه مهندسی برق- دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده فنی و مهندسی، اردبیل، ایران)
عبدالمجید دژم خوی ⁴ (گروه مهندسی برق- دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده فنی و مهندسی، اردبیل، ایران)

تاریخ دریافت : 1401/02/24 تاریخ پذیرش : 1401/05/18 تاریخ انتشار : 1401/05/18

کلید واژه: اینورتر چندسطحی, تعادل خودکار, ضریب بوست ولتاژ, کاهش تعداد قطعات,

چکیده مقاله :

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.

چکیده انگلیسی:

Reducing the number of voltage sources and the power electronics components while obtaining voltage boosting in the output voltage are the key parameters in the research area of the multilevel inverter design. A lesser number of components would ensure lesser cost while higher boosting ability increases its application potential. In this paper, a new H-bridge based single-source switched capa­citor multilevel inverter structure is introduced. The proposed structure including two K-type units (KTU) can produce nineteen voltage levels with a voltage boosting of 1.5 times the input voltage. This converter consists of fourteen switches, two diodes, one voltage source and five capacitors with self-balancing capability. A comprehensive comparative comparison with the recent presented topologies have been carried out to investigate the performance of proposed structure. The main features of the proposed structure are utilizing single DC voltage source, self-balancing of the capacitors the capability of the input voltage, reducing the power electronics components in terms of voltage level count, and thus reducing the overall cost. The simulation results in the Matlab/simulink environment and the experimental laboratory results are provided to verify the satisfactory operation of the propo­sed topology.

منابع و مأخذ:

[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).