Ανάλυση και σχεδίαση μιας νέας τοπολογίας υβριδικού αντιστροφέα πολλαπλών επιπέδων με πηγή τάσης

Abstract

The scope of this dissertation was the design and analysis of a new multilevel inverter topology, which is suitable for high-voltage and high power applications. Initially, in the chapters one to three, the main voltage source multilevel inverter topologies with their simulation results for sinusoidal pulse width modulation were presented. From the analysis, important information for each type of multilevel inverter, such as: the amplitude of fundamental frequency harmonic, the total harmonic distortion, the amplitude and frequency of dominant harmonic as well as the allocation of sideband harmonics around the switching frequencies, was concluded. The conclusions from this analysis offer a base for a thorough understanding of operation of each type of multilevel inverter. Furthermore, the above information is necessary for filter design in the case of harmonic depression. In the fourth chapter, the topology of a novel voltage source four-level inverter was presented and analyzed. The proposed inverter, when it is compared with a conventional four-level neutral-point diode-clamped inverter, exhibits a better distribution profile of power losses among its semiconductor devices. As a result, a better utilization of semiconductor devices of the proposed inverter is obtained, especially for high-power applications. This behaviour of the proposed inverter arises from the ability of the inverter to accomplish the intermediate voltage levels with more than one switching strategies. Selecting the suitable switching strategy, the best result on the distribution of power losses among the semiconductor devices can be obtained. On the contrary, the conventional inverter has not this ability, since it offers only one switching strategy for obtaining the several voltage levels. In addition, the proposed inverter is more efficient than the conventional inverter for high-power applications with high power factor and high modulation index, since it exhibits up to 30% lower power losses. A new technique for theoretical calculation of the proposed inverter semiconductor power losses was developed, which can be applied to any multilevel inverter. The theoretical results of power losses were confirmed by simulation results. For the space vector pulse width modulation of the proposed inverter, a simplified algorithm for calculation of the duty ratios of voltage vectors was developed with excellent results on the inverter output waveforms. The use of the proposed modulation algorithm can be extended to any type of multilevel inverter. The voltage balance of the inverter dc-link capacitors was ensured by using two novel balancing techniques. For three phase operation, the capacitors voltage balance was obtained by a new space vector pulse width modulation algorithm, which was based on the ability of inverter virtual voltage space vectors to induce zero average currents on the intermediate dc-link neutral-points. For one phase operation, the capacitors voltage balance was obtained by a self-voltage balancing topology, which is composed of auxiliary semiconductor switches and capacitors. The balancing effect of both techniques was confirmed by simulation results. The proposed techniques can also be applied to a conventional inverter for balancing the dc-link capacitors voltages, especially for applications with a high power factor. Finally, the simulation results of the proposed inverter output voltage and current waveforms were confirmed by experimental results. In the fifth chapter, a novel predictive current control technique for multilevel voltage source inverters was presented. The proposed method can be applied to any multilevel inverter, also including the proposed inverter, for high-voltage high-power applications. The method allows optimum reference current tracking for all operating conditions under low current harmonic distortion as a result of many voltage vectors that participate in the control process. Furthermore, the proposed control ensures fast dynamic response and decoupling effect between the load current components. Simulation and experimental results verified the effectiveness of the proposed predictive current controller.

Ο σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής ήταν η σχεδίαση και η μελέτη μιας νέας τοπολογίας αντιστροφέα πολλαπλών επιπέδων τάσης με πηγή συνεχούς ρεύματος, ο οποίος είναι κατάλληλος για εφαρμογές μετατροπής ηλεκτρικής ισχύος υψηλής τάσης και μεγάλης ισχύος. Αρχικά, στα τρία πρώτα κεφάλαια παρουσιάστηκαν αναλυτικά οι επικρατέστερες τοπολογίες αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων τάσης και προσομοιώθηκε η λειτουργία τους με την τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών. Από την ανάλυση, προέκυψαν τεχνικά χαρακτηριστικά όπως, το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής, το συνολικό περιεχόμενο αρμονικών, το πλάτος και η συχνότητα της επικρατούσας ανώτερης αρμονικής, καθώς και η κατανομή των αρμονικών γύρω από τις διακοπτικές συχνότητες, τα οποία είναι χρήσιμα τόσο για την κατανόηση και αξιολόγηση της λειτουργικής συμπεριφοράς των αντιστροφέων αυτών όσο και για τον υπολογισμό των φίλτρων καταστολής ανώτερων αρμονικών, όταν αυτό κρίνεται αναγκαίο. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάστηκε και αναλύθηκε η τοπολογία του προτεινόμενου υβριδικού αντιστροφέα. Με τον προτεινόμενο αντιστροφέα επιτυγχάνεται πιο ομοιόμορφη κατανομή απωλειών ισχύος μεταξύ των ημιαγωγών στοιχείων από ότι συμβαίνει με τον αντίστοιχο συμβατικό αντιστροφέα με διόδους περιορισμού. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, εξασφαλίζεται καλύτερη αξιοποίηση και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των ημιαγωγών στοιχείων, ιδιαίτερα σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε αντίθεση με το συμβατικό αντιστροφέα, ο προτεινόμενος αντιστροφέας διαθέτει περισσότερες από μία εναλλακτικές διακοπτικές στρατηγικές για την υλοποίηση των ενδιάμεσων επιπέδων τάσης. Επιπλέον, ο προτεινόμενος αντιστροφέας είναι αποδοτικότερος για φορτία υψηλής ισχύος με υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλό συντελεστή διαμόρφωσης, αφού για αυτή την περιοχή λειτουργίας εμφανίζει έως και 30% χαμηλότερες απώλειες ισχύος συγκριτικά με τον αντίστοιχο συμβατικό αντιστροφέα. Παρουσιάστηκε θεωρητική μέθοδος υπολογισμού των απωλειών ισχύος των ημιαγωγών στοιχείων του υβριδικού αντιστροφέα, η καταλληλότητα της οποίας επιβεβαιώθηκε με αποτελέσματα προσομοίωσης. Η τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε αντιστροφείς πολλαπλών επιπέδων με πηγή τάσης με περισσότερα από τέσσερα επίπεδα τάσης. Προτάθηκε αλγόριθμος υλοποίησης της τεχνικής διαμόρφωσης εύρους παλμών με βάση τα διακριτά διανύσματα τάσης του αντιστροφέα, ο οποίος απαιτεί μικρό υπολογιστικό φόρτο για τον υπολογισμό των βαθμών χρησιμοποίησης των διανυσμάτων τάσης, η εφαρμογή του οποίου μπορεί να επεκταθεί σε αντιστροφείς με περισσότερα από τέσσερα επίπεδα τάσης. Η καταλληλότητα του αλγορίθμου επιβεβαιώθηκε με αποτελέσματα προσομοίωσης για όλες τις περιοχές γραμμικής λειτουργίας του αντιστροφέα εντός του εξαγώνου. Προτάθηκαν πρωτότυπες τεχνικές για τη σταθεροποίηση των τάσεων των πυκνωτών του ζυγού ΣΡ του προτεινόμενου αντιστροφέα, υπό οποιοσδήποτε συνθήκες φορτίου. Για τη σταθεροποίηση των τάσεων του αντιστροφέα σε τριφασική λειτουργία, αναπτύχθηκε κατάλληλος αλγόριθμος διαμόρφωσης με βάση τα φανταστικά διανύσματα τάσης του αντιστροφέα. Για μονοφασική λειτουργία του αντιστροφέα, σχεδιάστηκε πρωτότυπη διάταξη σταθεροποίησης, αποτελούμενη από βοηθητικούς ημιαγωγούς και πυκνωτές. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων σταθεροποίησης επιβεβαιώθηκε με αποτελέσματα προσομοίωσης. Οι τεχνικές αυτές μπορούν να εφαρμοστούν και στον αντίστοιχο συμβατικό αντιστροφέα, ο οποίος εμφανίζει βασική αδυναμία σταθεροποίησης των τάσεων των πυκνωτών, ιδιαίτερα για φορτία με υψηλό συντελεστή ισχύος. Τέλος, οι κυματομορφές εξόδου του προτεινόμενου αντιστροφέα που ελήφθησαν με προσομοίωση επιβεβαιώθηκαν και με πειραματικά αποτελέσματα. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάστηκε πρωτότυπη τεχνική προβλεπτικού ελέγχου ρεύματος, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε αντιστροφέα πολλαπλών επιπέδων με πηγή τάσης, συμπεριλαμβανομένου και του προτεινόμενου υβριδικού αντιστροφέα. Με την προτεινόμενη τεχνική ελέγχου επιτυγχάνεται ταχύτατη δυναμική απόκριση στις μεταβολές του ρεύματος αναφοράς, πλήρης αποσύζευξη των συνιστωσών ρεύματος φορτίου και μεγάλη ακρίβεια προσέγγισης ρεύματος φορτίου και ρεύματος αναφοράς. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής ελέγχου επιβεβαιώθηκε με πειραματικά αποτελέσματα, τα οποία συγκλίνουν με τα αποτελέσματα προσομοίωσης.