Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł badawczy
Ten artykuł przedstawia nowy niesymetryczny falownik wielopoziomowy z 15 poziomem, z dziesięcioma przełącznikami i trzema źródłami DC. Poprzez optymalizację kątów przełączania, oparta na sztucznej inteligencji technika selektywnej eliminacji harmonik obniża THD i zwiększa wydajność (>97%). Eksperymenty i symulacje potwierdzają lepszą jakość energii, mniejszą liczbę komponentów oraz zgodność z zastosowaniami średniego napięcia.
W tym artykule przedstawiono topologię zredukowanego, asymetrycznego, piętnasciopoziomowego falownika wielopoziomowego (MLI) dla zastosowań średniego napięcia, połączoną ze selektywną techniką eliminacji harmonicznych (SHE) wspomaganą sztuczną inteligencją (AI). W zaproponowanym układzie zastosowano dziesięć jednokierunkowych przełączy i trzy nierówne źródła prądu stałego w celu ograniczenia całkowitego stałego napięcia (TSV), jednocześnie wytwarzając stopniowe napięcie wyjściowe. Aby znaleźć najbardziej efektywne kąty przełączania dla różnych indeksów modulacji, zastosowano hybrydową strategię sterowania, łączącą sztuczną sieć neuronową (ANN) i metodę Newtona-Raphsona (NR). Aby przetestować wydajność zaproponowanej topologii, wykorzystano prototyp eksperymentalny niskiego napięcia, którego oszacowano wydajność za pomocą symulacji MATLAB/Simulink. Wyniki pokazują, że w ocenionych warunkach eksploatacyjnych falownik może wytwarzać wielopoziomowe kształty fal wyjściowych o niskiej zawartości harmonicznych niskich rzędów i dobrej wydajności konwersji. W zakresie ocenionych obciążeń, zmierzona wydajność waha się od 98,6% do 97,1%, a w warunkach nominalnych zniekształcenie harmoniczne całkowite (THD) wynosi 5,47%. Sugerowana topologia osiąga niższą liczbę przełączy oraz konkurencyjną wydajność TSV i harmoniczną w porównaniu z kilkoma topologiami falowników wielopoziomowych z literatury, zgodnie z analizą porównawczą. Niemniej, ponieważ warunki eksploatacyjne i procedury sterowania nie są w pełni zstandardyzowane w badaniach, te porównania mają jedynie charakter informacyjny. Chociaż zaproponowana architektura jest przeznaczona do skalowalnego rozszerzenia do zastosowań średniego napięcia, eksperymentalna walidacja przeprowadzana jest za pomocą prototypu niskiego napięcia w celu potwierdzenia zachowania przełączania i zdolności sterowania. Wyniki pokazują, że topologia i technika sterowania są wykonalne, mimo że eksperymentalna walidacja przeprowadzona jest na niższych poziomach napięcia. Aby osiągnąć szersze zastosowanie, potrzebna jest dalsza walidacja w wyższych warunkach napięciowych i zstandardyzowane ramy oceny wydajności.
Jako szeroko rozpoznane źródło energii odnawialnej, energia słoneczna przyciąga ogromną uwagę w poszukiwaniu zrównoważonych rozwiązań energetycznych. Technologia słoneczna jest szeroko stosowana ze względu na ciągłe ulepszenia wydajności i obniżanie kosztów. Energia słoneczna jest niezbędna do zmniejszenia zależności od paliw kopalnych i spowolnienia zmian klimatu, gdy kraje przechodzą na zielone systemy energetyczne. Efektywność ekonomiczna i zalety ekologiczne energii fotowoltaicznej (PV) sprawiają, że jest ona wyjątkowa. Celem trwających badań i rozwoju systemów jest maksymalizacja ekstrakcji energii z komórek PV przy jednoczesnym zapewnieniu płynnej integracji z siecią. Wielopoziomowe falowniki (MLI) stały się istotną technologią w ostatnich latach ze względu na ich zdolność do zarządzania dużymi poziomiami mocy i zapewnienia takich korzyści jak niższe straty na przełączaniu, lepsza jakość mocy i mniejsze zniekształcenia harmoniczne z ulepszonymi możliwościami interferencji elektromagnetycznej1,2,3,4,5.
MLI wykorzystują szeroki zakres źródeł DC i obwody elektryczne zasilane przez kilka przełączników półprzewodnikowych do tworzenia schodkowych kształtów fal napięcia6. W miarę dodawania kolejnych poziomów, jakość kształtu fali poprawia się. Jednak rosnąca liczba komponentów utrudnia osiągnięcie dobrej niezawodności i wydajności, co podnosi koszty7. Aby MLI działały dobrze, szczególnie w zastosowaniach odnawialnych źródeł energii, niezbędne jest stabilne i niezawodne zasilanie DC. Przetwornice DC/DC znacznie poprawiają jakość napięcia i niezawodność systemu poprzez kontrolowanie poziomów napięcia i zmniejszanie wahań. Na przykład mocny sterowanie trybem ślizgowym dla konwertera boost typu kwadratowego, jak zasugerowano w8, wykazało zwiększoną dynamiczną odpowiedzią i stabilnością systemu. W podobny sposób, porównawcza analiza topologii wysokonapięciowych konwerterów DC/DC w9 ujawnia zaawansowane metody zwiększania napięcia, które kwalifikują je do integracji z MLI w zastosowaniach PV.
Latający kondensator (FC), kaskadowana H-bridge (CHB) oraz z diodą zaciskaną lub neutralnie zaciśnięty (NPC) to trzy główne topologie MLI10. Przetwornica CHB składa się z kilku jednofazowych jednostek H-bridge, które są dalej podzielone na odmiany symetryczne i asymetryczne w zależności od poziomów napięcia DC11. Konwencjonalne przetwornice CHB produkują trzy poziomy wyjściowe: zero, ujemny i dodatni. Po to, aby określić całkowite napięcie wyjściowe, sumuje się pojedyncze napięcia wyjściowe każdej jednostki12,13. Podczas gdy przetwornice FC i NPC mają trudności z ujednoliceniem napięcia na wyższych poziomach napięcia, przetwornice CHB są preferowane dla średnich i wysokich napięć zastosowań14.
Wyjątkowa struktura z mniejszą liczbą przełączników jest sugerowana w15, choć ma wadę wymagania wielu źródeł zasilania. Aby zapanować nad tymi wyzwaniami, kluczowa jest optymalna eksploatacja urządzeń półprzewodnikowych. W16 przedstawiono asymetryczną topologię falownika z dwukierunkowymi przełącznikami mocy, co podnosi koszt falownika poprzez zwiększenie liczby IGBT. Inne projekty koncentrują się na podnoszeniu poziomów napięcia, zmniejszając jednocześnie liczbę przełączników mocy17,18. Aby zamienić DC krok wyjściowy wytworzony przez systemy w krok AC, stosuje się pełny konwerter mostkowy. Ze względu na ograniczenia blokowania napięcia pełnego konwertera, zastosowania są ograniczone do wysokich napięć.
Kilka innowacyjnych topologii, takich jak trójfazowy system składający się z trzech jednofazowych jednostek opisanych w badaniu19, zostało zaprojektowanych w celu zmniejszenia liczby komponentów dla systemów jednofazowych i trójfazowych. Niektóre topologie wykorzystują MLI podjednostkowe, aby uzyskać wielopoziomowe wyjścia z mniejszą liczbą przełączników i źródeł DC20. W niektórych systemach zastosowano dwukierunkowe przełączniki połączone antyparallelnie, aby zmniejszyć liczbę przełączników i umożliwić przepływ prądu w obu kierunkach21,22,23,24. Kaskadowe podjednostki zmniejszają blokowanie napięcia między przełącznikami, tworząc modułową strukturę. Niemniej jednak, wzrost poziomów wyjściowych powoduje odpowiedni wzrost liczby przełączników, co nadal jest wadą. Dlatego stale istnieje zapotrzebowanie na nowe konfiguracje MLI, które oferują różne poziomy, zmniejszając komponenty i blokując napięcie, co ostatecznie obniża koszty falowników. Nowa topologia MLI zwana upakowanym H-bridge ma podstawowe jednostki połączone po obu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Konfiguracja topologii
Rysunek 2 przedstawia zalecaną architekturę, która składa się z 10 przełączników i trzech źródeł napięcia ułożonych asymetrycznie. Stosunek źródeł DC w sugerowanym 15-poziomowym inwerterze wynosi 1:2:4. Ten stosunek nie jest przypadkowy; został wybrany w celu zminimalizowania liczby źródeł DC, jednocześnie umożliwiając stworzenie szerokiej gamy kombinacji napięciowych. Wybrane wartości zwiększają liczbę poziomów wyjściowych, umożliwiając produkcję dyskretnych kroków napięcia bez duplikacji. Wszystkie materiały użyte w tym badaniu są wymienione w Tabeli materiałów.
Tryby przełączania
Stany przełączania dla tej metody są przedstawione na Rysunkach 3 i 4. Czerwone wskazują ścieżkę przewodzącą, a zielone nieprzewodzącą pasujących przełączników na Rysunkach 3 i 4. Dziesięć przełączników z trzema preferowanymi źródłami napięcia są umieszczone w celu utworzenia poziomów w naturalnej sekwencji wielkości. W Tabeli 1 wymieniono przełączniki używane do uzyskania niezbędnych poziomów napięcia. W Tabeli 2, 0 oznacza nieprzewodność, a 1 oznacza przewodzący ścieżki przełączników. Tryby pracy zaproponowanej topologii są następujące.
0Vdc: Aby uzyskać zerowe napięcie w tym trybie pracy, S1, S2, S3, S7 i S9 przewodzą, jak pokazano na Rysunku 3A.
±1Vdc: S1, S5, S6, S7 i S9 przewodzą zgodnie z trybami przedstawionymi na Rysunku 3B dla uzyskania +1Vdc napięcia wyjściowego. Aby uzyskać -1Vdc jako napięcie wyjściowe, S2, S3, S4, S8 i S10 przewodzą zgodnie z odpowiednimi trybami na Rysunku 4A.
±2Vdc: Aby uzyskać +2Vdc jako napięcie wyjściowe, S3, S4, S6, S7 i S9 włączają się w sposób pokazany na Rysunku 3C. S1, S2, S5, S8 i S10 są przewodzone w taki sam sposób, jak wskazano w trybie Rysunku 4B w celu uzyskania wyjścia -2Vdc.
±3Vdc: Aby dostarczyć napięcie wyjściowe +3Vdc przedstawione na Rysunku 3D, S1, S3, S6, S7 i S9 przewodzą odpowiednio. Jak pokazano na Rysunku 4C, S2, S4, S5, S8 i S10 przewodzą w podobny sposób, aby uzyskać napięcie wyjściowe -3Vdc.
±4Vdc: S1, S2, S3, S7 i S8 przewodzą w sposób przedstawiony na Rysunku 3E w celu uzyskania +4Vdc jako napięcia wyjściowego. S4, S5, S6, S9 i S10 są przewodzone w sekwencjach przedstawionych na Rysunku 4D, aby uzyskać napięcie wyjściowe -4Vdc.
±5Vdc: Sekwencja przełączania do generowania napięcia wyjściowego +5Vdc jest przedstawiona na Rysunku 3F. Rysunek 4E przedstawia wzorzec przewodności przełączników w celu uzyskania poziomu napięcia wyjściowego -5Vdc.
±6Vdc: Odpowiednie wzorce przełączania, które dają +6Vdc jako napięcie wyjściowe, są przedstawione na Rysunku 3G. Rysunek 4F pokazuje wzór przełącznika wykorzystany do dostarczenia napięcia wyjściowego -6Vdc.
±7Vdc: S1, S3, S6, S7 i S8 przewodzą, jak pokazano na Rysunku 3H, aby uzyskać napięcie wyjściowe +7Vdc. S2, S4, S5, S8 i S9 przewodzą, jak pokazano na Rysunku 4G, aby uzyskać napięcie wyjściowe -7Vdc.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki symulacji
Piętnastopoziomowe działanie jest symulowane za pomocą interfejsu MATLAB/Simulink. Parametry obciążenia wynoszą odpowiednio 100 Ω i 100 mH, a napięcia źródłowe dla piętnastu poziomów są sklasyfikowane jako 100 V, 200 V i 400 V. Sugerowany falownik działa na 50 Hz, co jest jego podstawową częstotliwością. Wydajność falownika w warunkach obciążenia rezystancyjnego jest przedstawiona na Rysunku 13. Rysunek 14
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W tym artykule przedstawiono zredukowaną asymetyczną topologię falownika szesnastopoziomowego z przełącznikami połączoną z techniką eliminacji wybranych harmonicznych z pomocą sztucznej inteligencji (SHE). Zasugerowana aranżacja jest odpowiednia dla zastosowań średniego napięcia, takich jak systemy słoneczne i interfejsy napędów elektrycznych, ponieważ zapewnia dobrą równowagę między liczbą przełączników, całkowitym napięciem stojącym (TSV) a wydajnością harmoniczną. Topologia może generować wysokiej jakości schodkowe fa...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Autorzy deklarują, że niniejsze badania nie otrzymały żadnych szczególnych dotacji z agencji finansujących w sektorze publicznym, komercyjnym lub non-profit.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Current Sensor | Hall-effect sensor | — | Używany do pomiaru prądu |
| DC Power Supply (Isolated) | Laboratory Supply | — | Izolowany źródło DC 10 V, 20 V, 40 V |
| Digital Storage Oscilloscope (DSO) | Tektronix | — | Używany do obserwacji i pomiaru kształtu fali |
| DSP Controller | Texas Instruments | TMS320F28379D | Używany do generowania impulsów i implementacji sterowania |
| Gate Driver Circuit | Custom-built Driver IC | IR2110 | Używany do sterowania przełączaniem MOSFET |
| Inductive Load | — | — | 30 mH induktor |
| MATLAB/Simulink | MATLAB | Wersja (2025a) | Używany do symulacji i analizy |
| MOSFET | Infineon | IRFP460 | 500 V, 20 A przełącznik mocy stosowany w falownikach |
| PCB / Breadboard Setup | Custom | — | Używany do implementacji sprzętowej |
| Personal Computer | — | — | Używany do symulacji i programowania DSP |
| PLECS Software | PLECS | Wersja (5.0.3.) | Używany do analizy termicznej i strat |
| Power Diode | ON Semiconductor | MUR860 | 600 V, 8 A szybki diod odzysku |
| Power Supply Unit | — | — | Dodatkowe zasilanie dla obwodów sterowania i driverów |
| Resistive Load | — | — | 30 Ω rezystor mocy |
| Voltage Probe | Tektronix | — | Używany do pomiaru kształtu fali napięcia |