اینورتر چندسطحی آبشاری جدید با کاهش ادوات کلیدزنی جهت اتصال منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 استاد، مرکز تحقیقات مدیریت انرژی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 دانشیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

اینورترهای چند سطحی(MLI) در حال حاضر به یک عنصر مهم برای کاربردهای توان متوسط و بالا با سطح ولتاژ متوسط تبدیل شده‌اند. اینورترهای چند سطحی دارای سوئیچ کم به دلیل کارایی بالا، هزینه کم و کنترل آسان برای خروجی با تعداد سطوح بالاتر محبوبیت زیادی دارند. در این مقاله یک ساختار اینورتر چندسطحی جدید مبتنی بر منبع ولتاژ DC سوئیچ شده با کاهش تعداد سوئیچ برای کاربردهای تک‌فاز پیشنهاد شده است. ساختار پیشنهادی می‌تواند در کاربردهای متصل به شبکه از جمله به عنوان واسط منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه مورد استفاده قرار گیرد. ساختار ارائه شده با تعداد سطوح بالاتر در خروجی با استفاده از تعداد ادوات کمتر توسعه یافته است. توپولوژی پیشنهادی همچنین می‌تواند در پیکربندی متقارن و نامتقارن مورد استفاده قرار گیرد. دو روش کلیدزنی شامل کلیدزنی مدولاسیون پهنای پالس (PWM) و کلیدزنی نردبانی مبتنی بر حذف انتخابی هارمونیک‌ها(SHE) برای تولید ولتاژ خروجی استفاده شده است. مطالعات مقایسه‌ای با اینورترهای چندسطحی ارائه شده اخیر مزیت ساختار پیشنهادی را از نظر کاهش تعداد ادوات نشان می‌دهد. نتایج شبیه‌سازی و تجربی برای تایید عملکرد توپولوژی پیشنهادی ارائه شده است. در ضمن عملکرد ساختار چندسطحی پیشنهادی برای انتقال انرژی منابع تجدیدپذیر به شبکه فشار ضعیف نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Novel Multi-Level Cascade Inverter with Reduced Switching Devices to Connect Renewable Energy Sources to the Grid

نویسندگان [English]

  • Hossein Shayeghi 1
  • Ali Seifi 2
  • Majid Hosseinpour 3
1 Professor of Energy Management Research Centre, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Ph.D Student of Department of Electrical Engineering, Tabriz University, Tabriz, Iran
3 Associate Professor of Department of Electrical Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

Multi-level inverters (MLIs) have now become an essential component for medium and high power applications with medium voltage levels. Low switches multi-level inverters are very popular due to their high efficiency, low cost, and easy control for output with higher levels. In this paper, a new multi-level inverter structure based on a switched DC voltage source is proposed by reducing the number of switches for single-phase applications. The proposed structure can be used in grid-connected applications, such as grid connections for renewable energy sources. The proposed structure is developed with a higher number of levels at the output using a smaller number of devices. The proposed topology can also be used in symmetric and asymmetric configurations. Two switching methods including pulse width modulation (PWM) switching and ladder switching based on selective harmonic elimination (SHE) have been used to generate the output voltage. Comparative studies with multilevel inverters were presented recently to show the advantage of the proposed structure in terms of reducing the number of devices. Simulation and experimental results are presented to confirm the performance of the proposed topology. In addition, the performance of the proposed multilevel structure for energy transfer from renewable sources to the low-power grid has also been investigated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multi-level inverter
  • Reduced semiconductor devices
  • Symmetric sources
  • Asymmetric sources
  • Pulse width modulation
  • Voltage stress on switches

مراجع

[1] K. K. Gupta, S. Jain, "A novel multilevel inverter based on switched DC sources." IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 61, NO. 7, 2013, pp. 3269-3278.
[2] K. K. Gupta, A. Ranjan, P. Bhatnagar, L. K. Sahu, S. Jain, "Multilevel inverter topologies with reduced device count: A review", IEEE transactions on Power Electronics, Vol. 31, NO. 1, Jan. 2016, pp. 135–151.
[3] حسن فشکی فراهانی، "ارائه یک ساختار جدید برای اینورترهای منبع ولتاژ چند سطحی تک فاز بر مبنای کاهش تعداد کلیدهای نیمه‌هادی"، نشریه مدل‌سازی در مهندسی، دوره 16، شماره 52، بهار 1397، صفحه 97-108.
[4] بابک حسینی منتظر، جواد علمایی، مجید حسین پور، بابک مظفری، "یک ساختار دوطرفه تعمیم یافته حاوی دیود برای اینورتر چندسطحی با تعداد سوییچ و درایور کمتر"، نشریه مدل‌سازی در مهندسی، دوره 19، شماره 66، مهر 1400، صفحه .37-51
[5] M. Hosseinpour, A. Seifi, E. Feyz, "A new symmetric/asymmetric multilevel inverter based on cascaded connection of sub-multilevel units aiming less switching components and total blocked voltage", Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering (JTEC), Vol. 12, NO. 1, pp. 53-62, Mar. 2020.
[6] مجید حسین پور، علی سیفی، "ارایه یک ساختار جدید برای مبدل چندسطحی متقارن به منظور کاهش تعداد سوییچ و هزینه مبدل" نشریه مدل سازی در مهندسی، دوره 18، شماره 60، بهار 1399، صفحه 71-85.
[7] M. Sarebanzadeh, M. A. Hosseinzadeh, C. Garcia, E. Babaei, M. Hosseinpour, A. Seifi, J. Rodriguez, "A 15-Level Switched-Capacitor Multilevel Inverter Structure with Self-Balancing Capacitor", IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol. 63. NO.3, Mar. 2022.
[8] Y. P. Siwakoti, F. Blabbers, "Common-ground-type transformerless inverters for single-phase solar photovoltaic systems", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 3, Mar. 2018, pp. 2100–2111.
[9] M. Hosseinpour, A. Seifi, E. Babaei, "An improved switched‐ladder bidirectional multilevel inverter: Topology, operating principle, and implementation", International Journal of Circuit Theory and Applications, Vol. 49, NO. 12, 2021, pp. 4274-4293.
[10] H. Shayeghi, A. Seifi, M. Hosseinpour, N. Bizon, "Developing a Generalized Multi-Level Inverter with Reduced Number of Power Electronics Components", Sustainability, Vol. 14, NO. 9, May. 2022, pp. 5545.
[11] J. S. M. Ali, R. S. Alishah, V. Krishnasamy, "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, Dec. 2018, pp.1094-1106.
[12] R. S. Alishah, K. Bertilsson, N. V. Kurdkandi, S. H. Hosseini, A. Z. Gharehkoushan, J. S. M. Ali, "A New Switched-Ladder Multilevel Converter Structure with Reduced Power Electronic Components", Journal of Circuits, Systems and Computers, Vol. 30, NO, 12, Sep. 2021, pp. 2150217.
[13] 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, Sep. 2021, pp. 2959-2978.
[14] M D. Siddique, S. Mekhilef, N. M. Shah, A. Sarwar, A. Iqbal, M. A. Memon, "A new multilevel inverter topology with reduce switch count", IEEE Access, Vol. 7, May 2019, pp.58584-58594.
[15] R, S. Alishah, S. H. Hosseini, E. Babaei, M. Sabahi, "Optimal design of new cascaded switch-ladder multilevel inverter structure", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 64, NO. 3, Nov. 2016, pp. 2072-2080.
[16] M. Jayabalan, B. Jeevarathinam, T. Sandirasegarane, "Reduced switch count pulse width modulated multilevel inverter", IET Power Electronics, Vol. 10, NO. 1, Jan. 2017, pp.10-17.
[17] R. S. Alishah, S. H. Hosseini, E. Babaei, M. Sabahi, "A new general multilevel converter topology based on cascaded connection of submultilevel units with reduced switching components, DC sources, and blocked voltage by switches", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 63, NO. 11, Jul 2016, pp.7157-7164.
[18] R. S. Alishah, K. Bertilsson, S. H. Hosseini, E. Babaei, M. Aalami, J. S. Mohed Ali, G. B. Gharehpetian, "A new generalized cascade multilevel converter topology and its improved modulation technique", International Journal of Circuit Theory and Applications, Vol. 49, NO. 4, Apr. 2021, pp. 1103-1120.
[19] S. Selvaraj, G. Kumaresan, M. A. J. Sathik, "Modified “K”‐type multilevel inverter topology with reduced switches, DC sources, and power loss", International Transactions on Electrical Energy Systems, Vol. 30, NO. 5, May 2020, pp.e12345.
[20] S. T. Meraj, K. Hasan, A. Masaoud, "A novel configuration of cross-switched T-type (CT-type) multilevel inverter", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 35, NO. 4, Aug. 2019, pp.3688-3696.
[21] M. D. Siddique, S. Mekhilef, N. M. Shah, M. A. Memon, "Optimal design of a new cascaded multilevel inverter topology with reduced switch count", IEEE Access, Vol. 7, Feb. 2019, pp.24498-24510.
[22] R.P. Ponraj, T. Sigamani, V. Subramanian, "A Developed H-Bridge Cascaded Multilevel Inverter with Reduced Switch Count", Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 16, NO. 3, May. 2021, pp.1445-1455.
[23] E. Samadaei, S. A. Gholamian, A. Sheikholeslami, J. Adabi, "An envelope type (E-type) module: Asymmetric multilevel inverters with reduced components", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 63, NO. 11, Jan. 2016, pp.7148-7156.
[24] E. Samadaei, A. Sheikholeslami, S. A. Gholamian, J. Adabi, "A square T-type (ST-type) module for asymmetrical multilevel inverters", IEEE Transactions on power Electronics, Vol. 33, NO. 2, Mar. 2017, pp.987-996.
[25] U. Mustafa, I. A. Qeays, M. S. BinArif, S. M. Yahya, S. B. Md. Ayob, "Efficiency improvement of the solar PV-system using nanofluid and developed inverter topology", Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, Vol. 2, Sep 2020, pp. 1-17.
[26] J. Pereda, J. Dixon, "High-frequency link: A solution for using only one DC source in asymmetric cascaded multilevel inverters", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, NO. 9, Jan. 2011, pp. 3884-3892.
[27] D. Kolantla, S. Mikkili, S. Raju Pendem, A. Atul Desai. "Critical review on various inverter topologies for PV system architectures", IET Renewable Power Generation, Vol. 14, NO. 17, 2020, pp. 3418-3438.
[28] P. Sochor, N. Mei Lin Tan, H. Akagi. "Low-voltage-ride-through control of a modular multilevel single-delta bridge-cell (SDBC) inverter for utility-scale photovoltaic systems", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 54, NO. 5, 2018, pp. 4739-4751.
[29] R. Agrawal, S. Jain. "Multilevel inverter for interfacing renewable energy sources with low/medium‐and high‐voltage grids", IET Renewable Power Generation, Vol. 11, NO. 14, pp. 2017, 1822-1831.
[30] M. Hosseinpour, A. Kholousi, and A. Poulad, "A robust controller design procedure for LCL‐type grid‐tied proton exchange membrane fuel cell system in harmonics‐polluted network", Energy Science & Engineering, Early view, 2022.
 
 
مدل سازی در مهندسی
دوره 21، شماره 74
آبان 1402
صفحه 95-111

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 22 مرداد 1401
  • تاریخ بازنگری: 21 آبان 1401
  • تاریخ پذیرش: 30 اردیبهشت 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار