دانلود رایگان مقاله اینورتر چند سطحی نامتقارن

چکیده

         این مقاله یک اینورتر چند سطحی (MLI) را پیشنهاد می‌کند که دارای دو یا چند منبع ولتاژ DC نابرابر با تعداد اجزای کمتر است. MLI پیشنهادی متشکل از بسیاری از واحدهای منبع DC اساسی است، که در آن هر واحد منبع DC اصلی به صورت سری روی هم قرار می‌گیرند تا سطوح ولتاژ بالاتری را بدست آورند. توپولوژی پیشنهادی MLI از یک اینورتر Hbridge آبشاری پایه MLI مشتق شده است. AMLI طراحی شده قادر به مدیریت جریان منفی است و از این رو به دلیل عدم وجود اجزایی مانند دیود که در توپولوژی پیشنهادی دیده می شود، قادر به کار در هر 4 ربع است، از تکنیک PWM تضاد فاز برای راه اندازی سوئیچ ها استفاده می شود. با استفاده از سه منبع ولتاژ DC مختلف به عنوان ورودی به AMLI، یک شکل موج خروجی به صورت پلکانی در سطح 15 دریافت می کنیم. THD شکل موج راه پله خروجی 8.25% است که در آن اکثر اعوجاج هارمونیک بالاتری دارد، با استفاده از فیلتر LCL می توان THD 0.1% را بدست آورد. کار بر روی MATLAB / SIMULINK 2020Ra انجام شده است.

1. مقدمه

         تقاضا برای انرژی به سرعت در حال افزایش است و انرژی های تجدید پذیر روز به روز محبوب تر می شوند. فتوولتائیک یکی از انرژی هایی است که به سرعت در حال رشد است زیرا مقرون به صرفه ترین، در دسترس ترین و رایج ترین است. امروزه اکثر پنل های خورشیدی فقط بین 15 تا 20 درصد راندمان دارند و این نیاز 15 تا 20 درصدی انرژی برای تبدیل به استانداردهای الکتریکی برای استفاده شهری، تلفات مبدل عمدتاً به دلیل مقادیر بالاتر جریان ورودی و ولتاژ خروجی است. بنابراین برای دریافت حداکثر انرژی ممکن از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند سلول‌های خورشیدی، طراحی مبدل‌های کارآمد ممکن ضروری است [1].

         همانطور که انتشار گازهای گلخانه ای زمین را می پوشاند، گرمای خورشید به دام می افتد. تغییرات اقلیمی و گرمایش زمین نتیجه این اقدام است. زمین در حال حاضر با سرعتی در حال گرم شدن است که پیش از این هرگز مشاهده نشده بود. در سال های اخیر تولید منابع انرژی تجدیدپذیر مانند سیستم های برق فتوولتائیک، انرژی باد و غیره به طور پیوسته در حال گسترش است. از سوی دیگر، سیستم‌های PV به دلیل عملکرد تمیزشان، بیشترین تقاضا را در RES دارند [2]. از آنجا که انرژی ارائه شده توسط RES هنوز در مقایسه با سوخت های فسیلی ناکافی است، بنابراین ما نمی توانیم تلفات انرژی بالا را تحمل کنیم، بنابراین یک مبدل انرژی کارآمد مورد نیاز است. ادبیات رزکت نشان می دهد که MLI مبدل های توان کارآمد هستند [3،4]. اما در این پروژه تلاش هایی برای طراحی و شبیه سازی AMLI اینورتر 15 سطحی با استفاده از سه باتری با نسبت 1:2:4 به عنوان منبع ولتاژ انجام شده است [5].

         اینورترهای چند سطحی توجه زیادی را در حوزه های دانشگاهی و صنعتی به خود جلب کرده اند. رویکردهای اینورترهای چند سطحی نه تنها کیفیت توان خروجی مبدل را افزایش می‌دهند، بلکه در مبدل‌های الکترونیکی قدرت، مقادیر بالاتر ولتاژ و توان را نیز ممکن می‌سازند. با استفاده از کلیدهای نیمه هادی ولتاژ متوسط پایین تجاری موجود می توان به سطوح توان بالاتری دست یافت [6]. سوئیچ ها به صورت سریال متصل می شوند و برای ساخت یک مبدل توان بالا با استفاده از مبدل های معمولی 2 سطح لازم است. مبدل‌های چند سطحی کاربردهای متعددی دارند [7]، از جمله سیستم‌های UPS، سیستم‌های هیبریدی فتوولتائیک-UPS، کشش، کشتی‌ها، سیستم‌های تجدیدپذیر، درایو و کیفیت توان. اینورترهای چند سطحی علیرغم ویژگی‌های منحصربه‌فردشان، معمولاً تعداد زیادی سوئیچ را به کار می‌گیرند که به این دلیل تلفات و هزینه اینورتر افزایش می‌یابد. کنترل مورد نیاز نیز پیچیده است. مبدل های چند سطحی را می توان بر اساس تعداد منابع ولتاژ و سطوح ولتاژ آنها به چهار دسته تقسیم کرد: مبدل های چند سطحی نامتقارن، متقارن، هیبریدی و تک منبع DC. اینورترهای متقارن و تک منبع DC چند سطحی مانند اینورترهای با دیود نقطه خنثی (NPDC)، پل H آبشاری (CHB) و اینورترهای خازن پرنده (FC) نمونه‌هایی از اینورترهای چند سطحی سنتی هستند [8]. در ادبیات، توپولوژی های پیشنهادی معمولاً مشتقات یا ترکیباتی از این مبدل های قدیمی هستند. این مبدل ها از واحدهای پایه تشکیل شده اند و سطوح ولتاژ خروجی مبدل با اتصال سری این واحدها افزایش می یابد.

         اینورتر چند سطحی نامتقارن پیشنهادی امکان استفاده از منابع ولتاژ DC با مقدار ولتاژ متفاوت را می دهد. اینورتر پیشنهادی دارای تعداد سوئیچ بسیار کمتر و تعداد سطوح ولتاژ خروجی به طور قابل توجهی بیشتر است. اینورترهای چند سطحی به دلیل کیفیت توان بالاتر، کاهش THD و تلفات سوئیچینگ کمتر از اینورترهای تک سطحی بهتر عمل می کنند.

         این مبدل برای کاربردهای پرقدرت مانند نیروگاه خورشیدی طراحی شده است. و همچنین برای کاربردهایی که برق با کیفیت بالا مورد نیاز است مانند اینورتر متصل به شبکه (GCI) [9]، بیمارستان ها و صنایع.

2. توپولوژی پیشنهادی

         توپولوژی اینورتر پیشنهادی نسبت به اینورتر پیشنهادی بهبود یافته است [5]، توپولوژی به دو واحد تقسیم می شود که در شکل 1 نشان داده شده است، واحد اول در نزدیکی سمت منبع شامل واحدهای پایه به صورت سری و واحد دوم است. در سمت بار، از پل H برای ارائه ولتاژهای خروجی جایگزین تشکیل شده است.

          واحد اصلی نشان داده شده در شکل 2 از یک منبع DC و دو کلید SWa و SWb تشکیل شده است. سوئیچ SWa به صورت سری با منبع DC و SWb به صورت پاد موازی در سراسر سوئیچ SWa و منبع DC متصل می شود. هر واحد پایه منبع ولتاژ DC متفاوتی دارد و سوئیچ ها بر این اساس انتخاب می شوند. این واحدهای پایه به صورت سری به هم متصل می شوند، اگر واحد پایه بالا را واحد اول و پایه ترین واحد پایین را به عنوان واحد n در نظر بگیریم، آنگاه مقدار منابع ولتاژ DC مورد استفاده به ترتیب 1:2:4:8:16: … : 2 (n+1) -1. شبیه سازی طراحی شده تنها از سه واحد اصلی تشکیل شده است بنابراین منابع ولتاژ DC مورد استفاده نسبت 1:2:4 هستند.

         توپولوژی پیشنهادی تجزیه و تحلیل می شود و شرایط سوئیچینگ قدرت برای مدار شکل 1 به دست می آید که در آن می توانیم پانزده خروجی سطح ولتاژ مختلف را در جدول 1 به دست آوریم.

Abstract

         This paper proposes a multi-level inverter (MLI) which has two or more unequal DC voltage source with lesser number of components. The proposed MLI composed of many basic DC source units, where each basic DC source unit are stacked in series to get higher voltage levels. The proposed topology of MLI is derived from a basic MLI cascaded Hbridge inverter. The designed AMLI is capable of handling negative current and hence capable of operating in all 4 quadrants due to absence of components like diode which is seen in the proposed topology, the phase opposition disposition PWM technique is used to trigger the switches. By utilizing three different DC voltage source as input to AMLI, we get an output waveform in staircase form of 15 level. The THD of output staircase waveform is 8.25% in which it has majority of higher harmonics distortion, by using LCL filter the THD of 0.1% can be achieved. The work is carried out on MATLAB / SIMULINK 2020Ra.

I. INTRODUCTION

         The demand of energy is increasing rapidly and the renewable energy is getting more popular day by day. The photovoltaic is one of rapidly growing energy because of, most affordable, accessible, and prevalent. Today, most solar panels are between 15% and 20% efficiency only, and this 15%-20% energy need to converted into electrical standards for utility utilization, converter losses are mainly due to higher values of input current and output voltage. So to get maximum possible energy from renewables like solar cells, it is necessary to design a most possible efficient converters [1].

         As greenhouse gas emission covers the Earth, the heat of the sun is trapped. Climate change and global warming are the results of this action. The Earth is currently warming at a rate that has never been seen before. In the recent years the production of renewable energy sources such as photovoltaic power systems, wind energy and other is steadily expanding. PV systems, on the other hand, become the most demanding in RES because to their clean functioning [2]. Because the energy provided by RES is still insufficient in comparison to fossil fuels so we can’t handle high energy losses so an efficient energy converter is required. The resect literatures shows the MLI are efficient power converters [3,4]. However efforts have been made in this project to design and simulate AMLI of 15 level inverter using three batteries of 1:2:4 ratios as voltage sources [5].

         Multilevel inverters have got a lot of attention from the academic and industry areas. Multilevel inverters approaches not only increase the converter's output power quality, but they also In power electronic converters, allow for higher amounts of voltage and power. Using commercially available low-medium voltage semiconductor switches, higher power levels can be achieved [6]. The switches are connected in serial it is required to make a high power converter utilizing typical 2-level converters. Multilevel converters have numerous uses [7], including UPS systems, hybrid photovoltaic-UPS systems, traction, ships, renewable systems, drive, and power quality. Despite their unique characteristics, multilevel inverters typically employ a large number of switches, due to this losses and cost of the inverter increases. The required control is also complex. Multilevel converters can be divided into four categories based on the number of voltage sources and their voltage levels: asymmetrical, symmetrical, hybrid, and single DC source multilevel converters. Multilevel symmetric and single DC source inverters such as neutral point diode clamped (NPDC), cascaded H-bridge (CHB), and flying capacitor (FC) inverters are examples of traditional multilevel inverters [8]. In literatures the proposed topologies are typically derivations or combinations of these old converters. These converters are made up of basic units, and the output voltage levels of the converter are enhanced by connecting these units in series.

         The proposed asymmetrical multilevel inverter allows the use of DC voltage sources with varying voltage magnitude. The suggested inverter has a substantially lower switch count and a significantly bigger number of output voltage levels. Multilevel inverters outperform single-level inverters due to higher power quality, reduced THD and a fewer switching losses.

        This converter is designed for high-power applications such as solar power plant. and also for applications where high quality power is needed like grid connected inverter (GCI) [9], hospitals and industries.

II. PROPOSED TOPOLOGY

         The topology of proposed inverter is a improvement over the inverter proposed [5], The topology is divided into two units which are shown in Fig.1, The first unit near the source side consists of basic units connected in series and the second unit, on load side, consists of H-bridge to provide alternative output voltages.

        The basic unit shown in Fig.2 consists of a DC source and two switches, SWa and SWb. Switch SWa is connected in series with the DC source and SWb is connected antiparallel across switch SWa and DC source. Each basic unit has different DC voltage source and the switches are selected accordingly. These basic units are connected in series, if we consider the top basic unit as 1st unit and bottom most basic unit as nth unit, then the magnitude of DC voltage sources used are of order 1:2:4:8:16: … :2(n+1)-1. The designed simulation consists of only three basic units so the DC voltage sources used are of ratio 1:2:4.

        The proposed topology is analyzed and the power switching conditions for the Fig.1 circuit is obtained where we can obtain fifteen different voltage level output are tabulated in Table.1.

چکیده

1. مقدمه

2. توپولوژی پیشنهادی

3. کار و حالت های عملیات

4. تکنیک های PWM

5. شبیه سازی و نتایج

6. نتیجه

Abstract

I. Introduction

II. Proposed Topology

III. Working and Modes of Operation.

IV. PWM Techniques

V. Simulation & Results