ارائه ساختار اینورتر افزاینده هفت سطحی مبتنی بر خازن کلیدزنی-شده با کاهش تعداد المان‌ها جهت کاربرد در سیستم‌های خورشیدی متصل به شبکه

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی برق، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی برق، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران

چکیده

در این مقاله یک اینورتر خورشیدی متصل به شبکه هفت سطحی بر مبنای تکنیک خازن کلیدزنی-شده با قابلیت افزایندگی ولتاژ ورودی معرفی شده است. این ساختار شامل یک خازن الکترولیتی، هشت کلید قدرت و دو منبع ولتاژ ورودی است. دامنه پیک ولتاژ خروجی اینورتر پیشنهادی، یک و نیم برابر مجموع منابع ولتاژهای ورودی می‌باشد. تعداد المان‌های اینورتر پیشنهادی در مقایسه با اینورترهای هفت سطحی اخیر کاهش یافته است که مناسب برای کاربردهای متصل به شبکه در پانل‌های خورشیدی می‌باشد. این ساختار نیازی به روش کنترلی مستقل برای بالانس ولتاژ خازن نبوده و دارای بالانس خودی ولتاژ خازن می‌باشد. همچنین برای تزریق توان به شبکه، از روش کنترل مدل پبش‌بین جهت تولید ولتاژ با سطوح مختلف استفاده شده است. جهت کاهش حجم و اندازه ساختار اینورتر پیشنهادی، طراحی بهینه خازن تحت بارهای اهمی و اهمی-سلفی مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبات تلفات اینورتر پیشنهادی به صورت تحلیل ریاضی تحت بار‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. عملکرد اینورتر پیشنهادی در حالت متصل به شبکه و منفصل از شبکه، در محیط نرم افزار MATLAB/Simulink شبیه‌سازی شده و نتایج آن ارائه گردیده است. در نهایت، جهت اثبات عملکرد اینورتر پیشنهادی در محیط آزمایشگاهی، یک نمونه اولیه عملی از اینورتر پیشنهادی در توان 200 وات با حداکثر ولتاژ خروجی 180 ولت ساخته شده و تطابق نتایج حاصل از آن با نتایج شبیه‌سازی مورد بررسی قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

A Step-up Seven-Level Switched-Capacitor Inverter with Components Count Reduction for Grid-tied PV Systems Application

نویسندگان [English]

  • Behrouz Rozmeh 1
  • Jaber Fallah-Ardashir 2
1 Department of Electrical Engineering, Tabriz Branch, Islamic Azad University, Tabriz, Iran
2 Department of Electrical Engineering, Tabriz Branch, Islamic Azad University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

This paper proposes a seven-level grid-tied Photovoltaic (PV) inverter based on the switched-capacitor technique with input voltage boosting capability. This topology includes an electrolytic capacitor, eight power switches, and two input dc sources. The output peak magnitude of the proposed inverter is one-half times the input voltage sources. The components count of the proposed inverter is reduced in comparison to recent several-level inverters which are used for grid-tied PV applications. This topology does not require an independent control method for balancing voltage of capacitor and has a self-balancing mechanism for the capacitor voltage. Morover, the Model Predictive Control (MPC) is utilized as current injection technique to produce proper output voltage levels. A capacitor optimal design for resistive load and inductive-resistive load has been analyzed to reduce of volume and size of the proposed inverter.  The theoretical loss calculation of the proposed inverter under different load conditions has been analyzed. The performance of the proposed inverter is simulated by MATLAB/Simulink software and the results are presented under on-grid and off-grid conditions. Finally, a 200W laboratory prototype with 180V maximum output voltage is tested to validate the simulation and the theoretical analysis.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multilevel inverter
  • switched-capacitor inverter
  • grid-tied PV inverter
  • self-balancing capacitor voltage
  • components count reduction

مراجع

 
[1] J. F. Ardashir, B. Rozmeh, M. Gasemi, A. M. Shotorbani and A. A. Ghavifekr, "A Novel Boost Fifteen-Level Asymmetrical Flying-Capacitor Inverter with Natural Balancing of Capacitor Voltages", 2021 12th Power Electronics, Drive Systems, and Technologies Conference (PEDSTC), 2021, pp. 1-5, doi: 10.1109/PEDSTC52094.2021.9405887.
[2] J. F. Ardashir, H. V. Ghadim and A. M. Ogly, "A Novel Step-up Common Ground Five-Level Inverter with Inherent Balance of Capacitors Voltage", 2022 IEEE Kansas Power and Energy Conference (KPEC), 2022, pp. 1-5, doi: 10.1109/KPEC54747.2022.9814729.
[3] Hadi Vatankhah Ghadim, Jaber Fallah Ardashir, "Technical design and environmental analysis of 100-kWp on-grid photovoltaic power plant in north-western Iran", Clean Energy, vol. 6, no. 2, pp. 362-371, 2022, https://doi.org/10.1093/ce/zkac013.
[4] Fallah Ardeshir, J., Ajami, A., Jalilvand, A., Mohammadpour, "Flexible Power Electronic Transformer for Power Flow Control Applications", Journal of Operation and Automation in Power Engineering," vol. 1, no. 2, pp. 147-155, 2007.
 [5] P. S. V. Kishore, N. Jayaram, S. Jakkula, Y. R. Sankar, J. Rajesh and S. Halder, "A New Reduced Switch Seven-Level Triple Boost Switched Capacitor Based Inverter", in IEEE Access, vol. 10, pp. 73931-73944, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3190546.
[6] R. Anjali Krishna, L. Padma Suresh, "A brief review on multi level inverter topologies", in 2016 international conference on circuit, power and computing technologies (ICCPCT), 2016, IEEE.
[7] Hosseinpour, M., et al., "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, 2020.
[8] S. Islam, M. D. Siddique, A. Iqbal, S. Mekhilef and M. Al-Hitmi, "A Switched Capacitor-Based 13-Level Inverter with Reduced Switch Count", in IEEE Transactions on Industry Applications, 2022, doi: 10.1109/TIA.2022.3191302.
[9] T. Roy, M. W. Tesfay, B. Nayak, C. K. Panigrahi, "A 7-Level Switched Capacitor Multilevel Inverter With Reduced Switches and Voltage Stresses", in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 68, no. 12, pp. 3587-3591, 2021.
[10] J. F. Ardashir, M. Sabahi, S. H. Hosseini, F. Blaabjerg, E. Babaei, G. B. Gharehpetian, "A Single-Phase Transformerless Inverter With Charge Pump Circuit Concept for Grid-Tied PV Applications", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 7, pp. 5403-5415, July 2017, doi: 10.1109/TIE.2016.2645162.
[11] Kazimierczuk MK, "Pulse-width modulated DC-DC power converters", John Wiley & Sons, 2015 Aug 24.
[12] A. Taghvaie, J. Adabi, M. Rezanejad, "A Self-Balanced Step-Up Multilevel Inverter Based on Switched-Capacitor Structure", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 1, pp. 199-209, 2018.
[13] A. K. Sadigh, V. Dargahi, K. A. Corzine, "Analytical Determination of Conduction and Switching Power Losses in Flying-Capacitor-Based Active Neutral-Point-Clamped Multilevel Converter", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 8, pp. 5473-5494, 2016.
[14] X. Sun, B. Wang, Y. Zhou, W. Wang, H. Du, Z. Lu, "A Single DC Source Cascaded Seven-Level Inverter Integrating Switched-Capacitor Techniques", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 11, pp. 7184-7194, 2016.
[15] H. Tian, Y. W. Li, "An Active Capacitor Voltage Balancing Method for Seven-Level Hybrid Clamped (7L-HC) Converter in Motor Drives", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 3, pp. 2372-2388, 2020.
[16] W. Sheng, Q. Ge, "A Novel Seven-Level ANPC Converter Topology and Its Commutating Strategies", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 9, pp. 7496-7509, 2018.
[17] L. He, C. Cheng, "A Bridge Modular Switched-Capacitor-Based Multilevel Inverter With Optimized SPWM Control Method and Enhanced Power-Decoupling Ability", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 8, pp. 6140-6149, 2018.
[18] C. Feng, J. Liang, V. G. Agelidis, "Modified Phase-Shifted PWM Control for Flying Capacitor Multilevel Converters", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 1, pp. 178-185, 2007.
[19] W. Sheng, Q. Ge, "A Novel Seven-Level ANPC Converter Topology and Its Commutating Strategies", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 9, pp. 7496-7509, 2018.
[20] Y. P. Siwakoti, A. Mahajan, D. J. Rogers, F. Blaabjerg, "A Novel Seven-Level Active Neutral-Point-Clamped Converter With Reduced Active Switching Devices and DC-Link Voltage", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 11, pp. 10492-10508, 2019.
[21] S. S. Lee, M. Sidorov, N. R. N. Idris, Y. E. Heng, "A Symmetrical Cascaded Compact-Module Multilevel Inverter (CCM-MLI) With Pulsewidth Modulation", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 6, pp. 4631-4639, 2018.
[22] Y. C. Fong, K. W. E. Cheng, S. R. Raman, "A Modular Concept Development for Resonant Soft-Charging Step-Up Switched-Capacitor Multilevel Inverter for High-Frequency AC Distribution and Applications", in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 5, pp. 5975-5985, 2021.
[23] عباس کتابی، شیلا صفایی، «استفاده از مبدل چند سطحی ماژولار با استفاده از روش کنترل پیش‌بین در سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 48، شماره 4، صفحات 1730-1719، زمستان 97.
[24] محمد مرشدلو، رضا قاضی، «کاهش جریان نشتی در اینورتر فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور سه‌فاز با استفاده از روش کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل تک‌برداری و دوبرداری توأم با کمینه‌کردن THD و فرکانس کلیدزنی»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 50، شماره 4، صفحات 1832-1819، زمستان 99.
[25] J. F. Ardashir, M. Gasemi, S. Peyghami, B. Rozmeh, F. Blaabjerg, "A Novel Five-Level Transformer-less Inverter Topology with Common-Ground for Grid-Tied PV Applications", 2021 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'21 ECCE Europe), 2021, pp. 1-10, doi: 10.23919/EPE21ECCEEurope50061.2021.9570654.
 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار