ارایه یک ساختار جدید برای مبدل چندسطحی متقارن به منظور کاهش تعداد سوییچ و هزینه مبدل

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 گروه مهندسی برق و کامپیوتر، دانشکده فنیمهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی

2 گروه مهندسی برق و کامپیوتر، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی

10.22075/jme.2019.18416.1759

چکیده

در دهه‌های اخیر اینورترها نقش مهمی در سیستم‌های قدرت ایفا نموده‌اند و بهبود عملکرد آن‌ها هم از لحاظ ساختاری و هم از لحاظ کنترلی جزو علایق محققان بوده است. در این مقاله یک اینورتر چندسطحی دوطرفه متقارن جدید با هدف کاهش تعداد اجزاء کلیدزنی به ویژه برای تعداد سطوح خروجی زیاد ارائه شده است. این ساختار شامل منابع جریان مستقیم ورودی و کلیدهای قدرت و دیود قدرت است. این توپولوژی در مقایسه با توپولوژی‌های کلاسیک و ساختارهای متقارن ارایه شده اخیر که سعی در کاهش ادوات کلیدزنی دارند، در تعداد سطح مشابه حاوی تعداد کلید نیمه‌هادی قدرت کمتری می‌باشد. از همین رو هزینه کلی مبدل در مقایسه با ساختارهای مشابه مقرون به صرفه می‌باشد. برای نشان دادن کارایی ساختار پیشنهادی یک مقایسه جامع بین توپولوژی پیشنهادی و توپولوژی‌های کلاسیک و ساختارهای متقارن ارایه شده اخیر از حیث تعداد سوییچ، تعداد درایور، تلفات توان و هزینه مبدل ارایه شده است. توپولوژی پیشنهادی برای اینورتر یازده ‌سطحی تک‌فاز مورد بررسی قرار گرفته و در محیط Matlab/Simulink شبیه‌سازی شده و نمونه آزمایشگاهی آن برای تایید کارکرد اینورتر پیشنهادی ساخته شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Novel Multilevel Inverter Topology Aiming Reduction the Switch Count and Converter Cost

نویسندگان [English]

  • Majid Hosseinpour 1
  • Ali Seifi 2
1 Department of Electrical and Computer Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Department of Electrical and Computer Engineering, University of Mohaghegh Ardabili
چکیده [English]

Inverters as one of the most important elements of power systems have been profoundly developed in recent decades and their performance has attracted researches in control and structure point of view. In this paper, a novel bidirectional structure is proposed for multilevel converter in order to reduction the switch count and total converter cost. This structure contains DC sources, power switches and power diodes. The proposed structure is presented for symmetrical mode and the number of power electronic devices is decreased in comparison with similar works. Considering recent proposed symmetrical structures, the proposed structure has superior condition in terms of semiconductor switches as well as converter cost. The performance of the proposed single phase symmetrical eleven-level converter is analyzed and simulated in MATLAB/Simulink for both PWM and selective harmonic elimination switching methods. Not only the results are desirable, but also the experimental results of laboratory prototype validate the simulation results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multilevel Inverter
  • Bidirectional structure
  • Switch count reduction
  • Cost reduction
[1] S. Kouro, M. Malinowski, K. Gopakumar, J. Pou, L.G.Franquelo, B.Wu, J. Rodriguez, M. A. Pérez, and J. I. Leon, "Recent advances and industrial applications of multilevel converters", IEEE Transactions on Industrial Electrons, Vol. 57, No. 8, Aug. 2010, pp. 2553–2580.
[2] حسن فشکی فراهانی، "ارائه یک ساختار جدید برای اینورتر­های منبع ولتاژ چند­سطحی تک­فاز بر مبنای کاهش تعداد کلید­های نیمه­‌هادی"، نشریه مدل­‌سازی در مهندسی، دوره 16، شماره 52، بهار 1397، صفحه 97-108.
[3] S. Behara, N. Sandeep, and U. R. Yaragatti, "Design and Implementation of Transformer-Based Multilevel Inverter Topology With Reduced Components", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 54, No. 5, 2018, pp. 4632– 4639.
[4] D. N. R. S. Alishah, and S. H. Hosseini, "Novel topologies for symmetric, asymmetric, and cascade switched-diode mutilevel converter with minimum number of power electronic components", IEEE Transactions on Industrial Electrons, Vol. 61, No. 10, 2014, pp. 5300–5310.
[5] K. P. Panda, and G. Panda, "Application of swarm optimisation-based modified algorithm for selective harmonic elimination in reduced switch count multilevel inverter", IET Power Electronics, Vol. 11, No. 8, 2018, pp. 1472-1482.
[6] N. V. Kumar, V. K. Chinnaiyan, P. Murukesapillay and S. P. Karthikeyan, "Multilevel inverter topology using single source and double source module with reduced power electronic components", Journal of Engineering, Vol. 2017, No. 5, 2017, pp. 139- 148.
 
[7] R. S. Alishah, D. Nazarpour, S. H. Hosseini, and M. Sabahi, "New hybrid structure for multilevel inverter with fewer number of components for high-voltage levels", IET power electronics, Vol. 7, No. 1,‏ January 2014, pp. 96-104.
[8] R. Samanbakhsh, and A. Taheri, "Reduction of power electronic components in multilevel converters using new switched capacitor-diode structure", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 63, No. 11, May 2016, pp. 7204-7214.
[9] L. Wang, Q. H. Wu and W. H. Tang, "Novel Cascaded Switched-Diode Multilevel Inverter for Renewable Energy Integration", IEEE Transactions on Energy Conversion., Vol. 32, No. 4, Dec. 2017, pp. 1574- 1582.
[10] محمد رضا بنائی و حسین اژدرفائقی بناب، " ارائه، بررسی و مقایسه مبدل‌­های dc-dc جدید تک­کلیده با ضریب بهره بالا و تنش ولتاژ کم دو سر کلید "، نشریه مدل­‌سازی در مهندسی، دوره 17، شماره 56، بهار 1398، صفحه 1-10.
[11] سید محمد مهدی میرطلائی و گلناز تاجمیر، "طراحی، مدل­سازی و ساخت یک مبدل Z-Source بهره بالا برای کاربرد در اتصال منابع انرژی تجدید­پذیر به شبکه برق. مدل­سازی در مهندسی"، نشریه مدل‌­سازی در مهندسی، دوره 16، شماره 53، تابستان 1397، صفحه 221-229.
[12] F. Sedaghati, and S. H. L. Majareh, "A multilevel inverter based on cascade connection of submultilevel units with reduced switch count", International Journal of Circuit Theory and Applications, 2019.
[13] E. Babaei and S. H. Hosseini, "New cascaded multilevel inverter topology with minimum of switches", Energy Convers. Manag. , Vol. 50, No. 4, 2009, pp. 2761–2767.
[14] J. Ebrahimi, E. Babaei, and G. B. Gharehpetian, "A new multilevel converter topology with reduced number of power electronic components", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 59, No. 2, Feb. 2012, pp. 655–667.
[15] S. Rohner, S. Bernet, M. Hiller, and R. Sommer, "Modulation, losses, semiconductor requirements of modular multilevel converters", IEEE Transactions on Industrial Electrons, Vol. 57, No. 8, Aug. 2010, pp. 2633–2642.
[16] M. Ned, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, "Power Electronics: Converters", Applications and Design., 2nd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2001.
[17] K. K. Gupta and S. Jain, "A Novel Multilevel Inverter Based on Switched DC Sources", IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 61, No. 7, July 2014.
[18] M. R. J. Oskuee, M. Karimi, S. N. Ravadanegh and G. B. Gharehpetian, "An Innovative Scheme of Symmetric Multilevel Voltage Source Inverter with Lower Number of Circuit Devices", IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 62, No. 11, 2015.
[19] R. S. Alishah, S. H. Hosseini, E. Babaaei and M. Sabahi, "A New General Multilevel Converter Topology Based on Cascaded Connection of Sub-Multilevel Units with Reduced Switching Components, DC Sources and Blocked Voltage by Switches", IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 63, No. 11, 2016, pp. 7157–7164.
[20] M. Jayabalan, B. Jeevarathinam and T. Sandirasegarane, "Reduced switch count pulse width modulated multilevel inverter", IET Power Electronics, Vol. 10, No. 1, 2017, pp. 10-17.
[21] S. M. Ali, R. S. Alishah, and V. Krishnasay, "A New Generalized Multilevel Converter Topology with Reduced Voltage on Switches, Power losses and Components", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 7, No. 2, 2018, pp. 1094-1106.
[22] M. D. Siddique, S. Mekhilef, N. M. Shah and M. A. Memon, "Optimal Design of a New Cascaded Multilevel Inverter Topology With Reduced Switch Count", IEEE Access, Vol. 7, pp. 24498-24510, 2019.
[23] M. Saeedian, J. Adabi and S. M. Hosseini, "Cascaded multilevel inverter based on symmetric–asymmetric DC sources with reduced number of components", IET Power Electron, Vol. 10, No. 12, 2017, pp. 1468-1478.
[24] H. Samsami, A. Taheri, and R. Sammanbakhsh, "New bidirectional multilevel inverter topology with staircase cascading for symmetric and asymmetric structures", IET Power Electronics, Vol. 10, No. 11, 2017, pp. 1315-1323.
[25] C. Dhanamjayulu and S. Meikandasivam, "Implementation and Comparison of Symmetric and Asymmetric Multilevel Inverters for Dynamic Loads", IEEE Accsess, Vol. 6, 2018, pp. 738-746.
[26] J. S. M. Ali, R. S. Alishah, N. Sandeep, S. H. Hosseini, E. Babaei, V. Krishnasay and U. R. Yaragatti, "A New Generalized Multilevel Converter Topology Based on Cascaded Connection of Basic Units", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Early Access.
[27] E. Babaei, S. Laali and Z. Bayat, "A Single-Phase Cascaded Multilevel Inverter Based on a New Basic Unit with Reduced Number of Power Switches" IEEE Transactions on industrial electronics, Vol. 62, No. 2, 2015, pp. 922-929.
[28] J. Ebrahimi, E. Babaei and G. B. Gharehpetian, "A New Topology of Cascaded Multilevel Converters With Reduced Number of Components for High-Voltage Applications", IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 26, No. 11, 2011, pp. 3109 - 3118
[29] J. C. Rosas-Caro, J. M. Ramirez, F. Z. Peng and A. Valderrabano, "A DC-DC multilevel boost converter", IET Power Electronics, Vol. 3, No. 1, Jan. 2010, pp. 129-137.