بهبود تحمل‌پذیری خطای کلیدهای نیمه‌هادی قدرت در یکسوساز فعّال مبتنی بر مبدل چندسطحی پل آبشاری

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی برق قدرت، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 استادیارگروه مهندسی برق قدرت، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 گروه مهندسی برق قدرت، دانشکده مهندسی برق ، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله روشی مبتنی بر کنترل پیش‌بین جهت بهبود تحمل‌پذیری خطای کلید در مبدل تمام پل آبشاری هفت سطحی در کاربرد یکسوسازی فعال ارائه می‌شود. اگر یکی از کلیدهای قدرت مبدل تمام پل آبشاری معیوب شود، شکل موج جریان AC ورودی و ولتاژ خازن‌های لینکdc  سلول‌ها در مقدار مرجع خود تثبیت نمی‌شوند درنتیجه کل مبدل باید از مدار خارج شود. روش پیشنهادی با به‌کارگیری مدل سیستم، و با استفاده از روش کنترل پیش‌بین، امکان کارکرد مبدل باوجود سلول معیوب را فراهم می‌سازد. در روش پیشنهادی ابتدا مدل دینامیکی زمان-گسسته استخراج شده، سپس تابع هزینه‌ای که دربرگیرنده اهداف کنترلی است، تعریف شده است. با بررسی حالت‌های کلیدزنی در دسترس پس از رخداد خطا، بهترین حالت کلیدزنی که تابع هزینه را کمینه می‌کند، انتخاب و به مبدل اعمال می‌شود. پس از رخداد خطا، روش پیشنهادی قادر است تا ولتاژ خازن هر سلول را، با ریپل کمی در مقدار مرجع خودتنظیم کند. بنابراین توان موردنیاز همه بارهای dc تأمین می‌شود. همچنین جریان ورودی یکسوساز، جریان مرجع را به‌درستی دنبال می‌کند. کارایی و صحت روش پیشنهادی، با شبیه‌سازی بر روی یکسوساز مبتنی بر مبدل تمام پل آبشاری هفت سطحی در محیط MATLAB/SIMULINK ارزیابی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Improving the Tolerance of Power Semiconductor Switches Failure in an Active Rectifier Based on Cascaded H-bridge Multilevel Converter

نویسندگان [English]

  • A. Panahi 1
  • Y. Neyshabouri 2
  • M. Shamouei Dallaei Milan 3
1 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
2 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
3 Faculty of Electrical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, a new method based on model predictive control with a finite control set is proposed for the cascaded H-bridge converter-based active rectifier to control the converter under switch fault conditions. The purpose of the fault-tolerant method is to guarantee the continuous operation of the converter after switch(es) open-circuit failure. After the occurrence of an open circuit fault in the switches, by using the system model, the presented model predictive approach enables the operation of the converter despite the presence of a faulty cell. The proposed method sets the dc voltages of dc-link capacitors at the reference value under balanced and unbalanced dc loads and keeps the current drawn from the grid at a good quality. The performance of the proposed method has been evaluated through simulations based on the seven-level cascaded H-bridge converter in the MATLAB/SIMULINK environment.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multilevel converter
  • Cascaded H-bridge converter
  • Model predictive control
  • Fault tolerance

مراجع

[1] S. Arazm and K. Al-Haddad, "ZPUC: A New Configuration of Single DC Source for Modular Multilevel Converter Applications," in IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society, vol. 1, pp. 97-113, 2020
[2] مجتبی خدرزاده و میثم صادقی، «طراحی یک مبدل واسط چندسطحی خازن شناور برای ریزشبکه‌های هیبرید فشار متوسط»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 48، شماره 4، زمستان 97.
[3] M. Shamouei-Milan, R. Asgarniya, M. G. Marangalu, M. R. Islam and A. Mehrizi-Sani, "A Single-Phase High Gain Active-Switched Quasi Z-Source NNPC Inverter," 2023 IEEE IAS Global Conference on Renewable Energy and Hydrogen Technologies (GlobConHT), Male, Maldives, 2023
[4] M. Sadoughi, A. Zakerian, A. Pourdadashnia and M. Farhadi-Kangarlu, "Selective Harmonic Elimination PWM for Cascaded H-bridge Multilevel Inverter with Wide Output Voltage Range Using PSO Algorithm," 2021 IEEE Texas Power and Energy Conference (TPEC), College Station, TX, USA, 2021, pp. 1-6
[5] Y. Ye, T. Hua, S. Chen and X. Wang, "Neutral-Point-Clamped Five-Level Inverter With Self-Balanced Switched Capacitor," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 69, no. 3, pp. 2202-2215, March 2022
[6] Hassanifar, M., Shamouei-Milan, M., & Neyshabouri, Y. (2022, February). T-type Nested Neutral Point Clamped (T-NNPC) Multilevel Inverter: Identification and Diagnosis of IGBT Switch Failures. In 2022 13th Power Electronics, Drive Systems, and Technologies Conference (PEDSTC) (pp. 409-413). IEEE.
[7] Y. Neyshabouri and H. Iman-Eini, "A New Fault-Tolerant Strategy for a Cascaded H-Bridge Based STATCOM," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 8, pp. 6436-6445, Aug. 2018
[8] Y. Neyshabouri, K. K. Monfared, H. Iman-Eini, Q. Xiao and M. Farhadi-Kangarlu, "Cascaded H-bridge Based STATCOM With Improved Ride Through Capability of Submodule Failures," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 69, no. 4, pp. 4034-4045, April 2022
[9] M. Ahmadijokani, M. Mehrasa, M. Sleiman, M. Sharifzadeh, A. Sheikholeslami and K. Al-Haddad, "A Back-Stepping Control Method for Modular Multilevel Converters," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 1, pp. 443-453, Jan. 2021
[10] D. Xie, C. Lin, Q. Deng, X. Ge and B. Gou, "A Fast Diagnosis Scheme for Multiple Switch Faults in Cascaded H-Bridge Multilevel Converters," in IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 7, no. 3, pp. 1000-1015, Sept. 2021
[11] Qi, C., Chen, X., Tu, P., & Wang, P. (2017). Cell-by-cell-based finite-control-set model predictive control for a single-phase cascaded H-bridge rectifier. IEEE Transactions on Power Electronics, 33(2), 1654-1665.
[12] S. Wang, N. Jiao, J. Ma, T. Liu and X. Liu, "Analysis and Optimization of Voltage Balancing Control Limits for Cascaded H-Bridge Rectifiers," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 11, pp. 10677-10687, Nov. 2021
[13] Y. Hu et al., "High-Frequency-Link Current Stress Optimization of Cascaded H-Bridge-Based Solid-State Transformer With Third-Order Harmonic Voltage Injection," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 1, pp. 1027-1038, Feb. 2021
[14] V. A. Kumar and M. Arounassalame, "Comparison of CHB Multi level inverters using Level shifted Modulation techniques with closed loop PI control," 2018 4th International Conference on Electrical Energy Systems (ICEES), Chennai, India, 2018, pp. 168-172.
[15] محمدحسین سعیدی‌نیا، محمد مهرگان، سید علیرضا داوری، «کنترل مستقیم توان یکسوساز AFE بر پایه شار مجازی و محدودسازی نوسان‌های توان در شرایط عدم تعادل شبکه»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 49، شماره 4، زمستان 98.
[16] Yan Y, Liu F, Shi T, Zhang G, Wang Z, Xia C. Model predictive current control for multilevel CHB‐PMSM system with lower calculation. IET Electric Power Applications. 2020 Jun;14(6):1089-96.
[17] M. Wu, Y. W. Li and G. Konstantinou, "A Comprehensive Review of Capacitor Voltage Balancing Strategies for Multilevel Converters Under Selective Harmonic Elimination PWM," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 3, pp. 2748-2767, March 2021.
[18] A. Moeini, H. I.- Eini, and A. Marzoughi, “Dc link voltage balancing approach for cascaded H-bridge active rectifier based on selective harmonic elimination pulsewidth modulation,” IET Power Electron., vol. 8, no. 4, pp. 583–590, Aug. 2015.
[19] H. Shi, H. Wen and J. Li, "Fault Analysis and Fault-Tolerant Method of Dual Active Bridge Converter under Triple Phase Shift Control," 2019 10th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE 2019 - ECCE Asia), Busan, Korea (South), 2019, pp. 1121-1127
[20] N. Zhao, Z. Zheng and Y. Li, "Fault-tolerant Method Based on Reconstructed Modulation for H-bridge Converter in Power Electronic Traction Transformer," 2021 IEEE Transportation Electrification Conference & Expo (ITEC), Chicago, IL, USA, 2021, pp. 1-4
[21] Y. Xia and Y. Xu, "A Transferrable Data-Driven Method for IGBT Open-Circuit Fault Diagnosis in Three-Phase Inverters," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 12, pp. 13478-13488, Dec. 2021
[22] J. Lamb and B. Mirafzal, "Open-Circuit IGBT Fault Detection and Location Isolation for Cascaded Multilevel Converters," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 6, pp. 4846-4856, Jun. 2017.
[23] S. Bazyar, H. Iman-Eini and Y. Neyshabouri, "A Fault-Tolerant Method for Cascaded H-Bridge-Based Photovoltaic Inverters With Improved Active and Reactive Power Injection Capability in Postfault Condition," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 69, no. 9, pp. 9029-9038, Sept. 2022
[24] M. D. Patel, D. J. Pandya, D. Y. Raval and N. Y. Yagnik, "Fault-Tolerant Structure for Cascaded H-bridge Multilevel Inverter using Relays," 2019 International Conference on Computation of Power, Energy, Information and Communication (ICCPEIC), Melmaruvathur, India, 2019, pp. 008-013
[25] Q. Xiao et al., "An Improved Fault-Tolerant Control Scheme for Cascaded H-Bridge STATCOM With Higher Attainable Balanced Line-to-Line Voltages," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 4, pp. 2784-2797, April 2021
[26] Moeini, H. I.- Eini, and A. Marzoughi, “Dc link voltage balancing approach for cascaded H-bridge active rectifier based on selective harmonic elimination pulsewidth modulation,” IET Power Electron., vol. 8, no. 4, pp. 583–590, Aug. 2015.
 [27] عباس کتابی، شیال صفایی، »استفاده از مبدل چند سطحی ماژوالر 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.
[28] E. Garayalde, I. Aizpuru, U. Iraola, I. Sanz, C. Bernal and E. Oyarbide, "Finite Control Set MPC vs Continuous Control Set MPC Performance Comparison for Synchronous Buck Converter Control in Energy Storage Application," 2019 International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), 2019, pp. 490-495
[29] L. Tarisciotti, P. Zanchetta, A. Watson, S. Bifaretti, and J. C. Clare, “Modulated model predictive control for a seven-level cascaded H-bridge back-to-back converter,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 10, pp. 5375–5383, Oct. 2014.
[30] H. Salimian and H. Iman-Eini, "Fault-tolerant operation of three-phase cascaded H-bridge converters using an auxiliary module," IEEE Transactions on Ind. Elec., vol. 64, no. 2, pp. 1018-1027, 2016

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار