В этой статье представлен новый 15-уровневый асимметричный многоуровневый инвертор с десятью переключателями и тремя источниками постоянного тока. Оптимизируя углы переключения, метод селективного отключения гармонических гармоний на базе искусственного интеллекта снижает THD и повышает эффективность (>97%). Эксперименты и симуляции подтверждают улучшение качества питания, уменьшение количества компонентов и совместимость средневольтных приложений.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Исследовательская статья
Новый асимметричный пятнадцатиуровневый инвертор для приложений среднего напряжения
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
В этой статье показана топология асимметричного пятнадцатиуровневого многоуровневого инвертора (MLI) с уменьшенным переключением для приложений среднего напряжения, в сочетании с методом управления селективной гармонической элиминацией (SHE) при поддержке искусственного интеллекта (ИИ). В предложенной схеме используются десять однонаправленных переключателей и три неравномерных источника постоянного тока для ограничения общего стоячего напряжения (TSV) при создании ступенчатого выходного напряжения. Для поиска наиболее эффективных углов переключения для различных индексов модуляции используется гибридная стратегия управления, сочетающая искусственную нейронную сеть (АНС) и метод Ньютона-Рафсона (NR). Экспериментальный прототип низкого напряжения используется для проверки производительности предложенной топологии, оценивается с помощью моделирования MATLAB/Simulink. Результаты показывают, что при оценённых условиях работы инвертор может создавать многоуровневые выходные сигналы с низким гармоническим содержанием низших порядков и хорошей эффективностью преобразования. В оцененном диапазоне нагрузки измеренная эффективность составляет от 98,6% до 97,1%, а при номинальных условиях общее гармоническое искажение (THD) составляет 5,47%. Предлагаемая топология обеспечивает меньшее количество переключателей и конкурентоспособную TSV и гармоническую производительность при сопоставимых операционных предположениях, согласно сравнительному анализу с несколькими многоуровневыми инверторными топологиями из литературы. Тем не менее, поскольку операционные условия и процедуры контроля не полностью стандартизированы в исследованиях, эти сравнения являются лишь информативными. Хотя предлагаемая архитектура предназначена для масштабируемого расширения для средневольтных приложений, экспериментальная валидация проводится с использованием прототипа низкого напряжения для подтверждения поведения коммутации и возможностей управления. Результаты показывают, что топология и метод управления возможны, даже несмотря на то, что экспериментальная валидация проводится при более низких уровнях напряжения. Для достижения более широкой применимости требуется больше валидации при условиях высокого напряжения и стандартизированные рамки бенчмаркинга.
Введение
Как широко признанный источник возобновляемой энергии, солнечная энергия привлекает большое внимание в поиске устойчивых энергетических решений. Солнечные технологии широко используются благодаря постоянному повышению эффективности и снижению затрат. Солнечная энергия необходима для снижения зависимости от ископаемого топлива и замедления изменения климата, поскольку страны движутся к более экологичным энергетическим системам. Экономическая эффективность и экологические преимущества фотоэлектрической (PV) энергии делают её уникальной. Цель текущих исследований и разработки систем — максимизировать экстракцию энергии фотоэлектрическими элементами при обеспечении плавной интеграции в сеть. Многоуровневые инверторы (MLI) стали необходимой технологией в последние годы благодаря их способности управлять высокими уровнями мощности и обеспечивать такие преимущества, как меньшие потери при переключении, лучшее качество питания и снижение гармонических искажений, а также улучшенные возможности электромагнитныхпомех 1,2,3,4,5.
MLI используют широкий спектр источников постоянного тока и питательные электрические цепи, состоящие из нескольких полупроводниковых переключателей, для создания ступенчатых волннапряжения 6. По мере добавления новых уровней качество волновой формы улучшается. Однако увеличение количества компонентов затрудняет достижение высокой надёжности и эффективности, что увеличивает стоимость7. Для эффективной работы MLI, особенно в области возобновляемой энергетики, необходим стабильный и надёжный источник питания постоянного тока. Контролируя уровни напряжения и снижая колебания, DC/DC преобразователи значительно улучшают качество напряжения и надёжность системы. Например, надёжное управление скользящим режимом для квадратичного преобразователя наддува, как предложенов статье 8, показало улучшенную динамическую реакцию и стабильность системы. Аналогично, сравнительный анализ топологий высококоэффициентных преобразователей постоянного/постоянного тока в9 показывает сложные методы повышения напряжения, что позволяет им интегрироваться с MLI в фотоэлектрических приложениях.
Летающий конденсатор (FC), каскадный H-мост (CHB) и диодно-зажимный или нейтральный зажим (NPC) — это три основных топологии MLI10. Несколько однофазных H-мостовых блоков составляют инвертор CHB, который дополнительно делится на симметричные и асимметричные варианты в зависимости от уровней постоянногонапряжения 11. Обычные инверторы CHB создают три уровня выхода: нуль, отрицательный и положительный. Индивидуальное выходное напряжение каждого блока суммируется, чтобы определить общее выходноенапряжение 12,13. В то время как инверторы FC и NPC испытывают трудности с балансировкой напряжения на высоких уровнях, CHB-инверторы предпочитаются для средне- ивысоковольтных приложений 14.
В15 предлагается уникальная конструкция с меньшим количеством переключателей, хотя у неё есть недостаток — требуется несколько источников питания. Для решения этих проблем крайне важно оптимальное использование полупроводниковых устройств. Асимметричная топология инвертора с двунаправленными переключателями питания представлена в16, которая увеличивает стоимость инвертора за счёт увеличения числа IGBT. Другие конструкции сосредоточены на повышении уровня напряжения при уменьшении числа переключателеймощности на 17, 18. Для преобразования постоянного шага выхода, создаваемого системами, используется полный мостовой преобразователь. Из-за ограничений по блокированию напряжения полного мостового преобразователя применение ограничено высоковольтными ситуациями.
Несколько инновационных топологий, таких как трёхфазная система, состоящая из трёх однофазных блоков, описанных висследовании 19, направлены на сокращение количества компонентов для однофазных и трёхфазных систем. Субединичные MLI используются некоторыми топологиями для получения многоуровневых выходов с меньшим числом переключателей и источникамипостоянного тока 20. Двунаправленные переключатели, подключённые в антипараллельном режиме, используются в некоторых системах для уменьшения количества переключателей и обеспечения проводности тока в обоихнаправлениях 21, 22, 23, 24. Блокировка напряжения между переключателями уменьшается за счёт каскадных субединиц, создавая модульную структуру. Тем не менее, увеличение уровня выхода приводит к соответствующему увеличению числа переключателей, что всё равно является недостатком. Новые конфигурации MLI, предлагающие различные уровни при сокращении компонентов и блокировке напряжения, поэтому постоянно востребованы, что в конечном итоге снижает стоимость инвертора. Новая топология MLI, называемая ущільнённым H-мостом, содержит базовые блоки, соединённые с обеих сторон целого моста25, 26. С другой стороны, другие конструкции направлены на снижение напряжения на переключателях схем за счёт отказа от H-образного моста. Однако многие из этих топологий требуют множества компонентов. Для минимизации переключателей, конденсаторов и постоянного напряжения при оптимизации выходного напряжения27 шагов рассматривается гибридный каскадный многоуровневый инвертор (HCFMLI), включающий стандартные трёхноговые и H-мостовые элементы в нижней части. В исследовании28,29 приведено сравнение каскадных топологий MLI с использованием симметричных и асимметричных конфигураций.
Исследование предлагает каскадную конструкцию многоуровневых преобразователей на основе субмногоуровневых блоков, соединённых последовательно, с двумя способами расчёта величин источников постоянноготока 30. Исследование описывает разреженный 13-уровневый инвертор с 14 переключателями, четырьмя конденсаторами и двумя диодами, который использует один источник постоянного тока для обеспечения шестикратного увеличения выходногонапряжения 31. Все возможные уровни выходного напряжения определяются каскадной топологией, предложенной висследовании 32, и сравнительный анализ показывает, что она превосходит более современные многоуровневыепреобразователи 33. Однофазный MLI с симметричными и асимметричными выходными напряжениями вводится топологией в другомисследовании 34. Другоеисследование 35 предлагает однофазную многоуровневую топологию, поддерживающую асимметричную конфигурацию источника постоянного тока, что обеспечивает 15-уровневый выход при снижении пространства и стоимости.
Хотя в литературе описано несколько топологий пятнадцатиуровневых инверторов, различные компромиссы в сложности, стоимости и гармонических характеристиках возникают из-за различий в количестве переключателей, конфигурации источника постоянного тока и методологиях управления. Таблица 1 подводит итог структурного сравнения репрезентативных топологий пятнадцатиуровневых инверторов, чтобы поместить предлагаемую конструкцию в контекст. Сравнение сосредоточено на важных факторах, таких как количество переключателей, источники постоянного тока и стратегия управления. Поскольку условия эксплуатации и показатели оценки различаются в разных исследованиях, это сравнение является наводящим и основано на заявленных конфигурациях.
Этот вклад в работу можно разделить на две классификации: (i) вклад в топологию, который состоит из пятнадцатиуровневого инвертора, основанного на асимметричной топологии с меньшим числом переключателей; и (ii) вклад управления, использующий технику селективного гармонического устранения (SHE) с помощью искусственного интеллекта для поиска лучших углов переключения для удаления гармоник низшего порядка при сохранении базового управления напряжением. Использование искусственной нейронной сети (АНС) для изучения нелинейной зависимости между индексом модуляции и оптимальными углами переключения, полученной из формулировки селективного гармонического элиминации (ШЗ), в данной работе особенно называется «основанной на ИИ». Предлагая почти оптимальные начальные решения, которые затем уточняются методом Ньютона-Рафсона, ANN функционирует как предсказатель, основанный на данных, который значительно снижает вычислительные усилия. По сравнению с исключительно численными методами, этот гибридный подход позволяет быстрее сходиться и облегчить практическое применение.
Ключевая цель — разработать новую однофазную систему, использующую асимметричный источник, обеспечивающий ток с минимальным количеством устройств питания. В этой статье предлагается пятнадцатиуровневый (15-литровый) инвертор для низковольтных приложений, таких как генерация солнечной энергии, электромобили (EV) и другие мощные характеристики. Рисунок 1 иллюстрирует соединение солнечных панелей на крышах, аккумулятора, топливных элементов, суперконденсатора, преобразователя постоянного тока и электрической нагрузки привода через предлагаемый многоуровневый инвертор (MLI). Масштабируемая многоуровневая работа — основной акцент в разработке предлагаемого инвертора. Концепции проектирования предназначены для облегчения расширения в области средневольтных приложений с учётом подходящего выбора приборов, проектирования изоляции и системных задач, даже если текущая работа подтверждает топологию с помощью низковольтного лабораторного прототипа. Основные вклады этого исследования приведены ниже: 1) Новая асимметричная топология MLI на основе CHB, которая поддерживает высокие уровни выходного напряжения при использовании меньшего количества силовых полупроводниковых переключателей, 2) оптимизация функции затрат и общего стоячего напряжения (TSV) для повышения экономии и эффективности; 3) Анализ сравнения показывает, что предлагаемая топология превосходит текущие системы по эффективности и снижает общее гармоническое искажение (THD).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
Конфигурация топологии
На рисунке 2 показана рекомендуемая архитектура, состоящая из 10 переключателей и трёх источников напряжения, расположенных асимметрично. Источники постоянного тока в рекомендуемом 15-уровневом инверторе имеют соотношение 1:2:4. Это отношение не является произвольным; он был выбран для минимизации количества источников постоянного тока при одновременном создании широкого диапазона комбинаций напряжений. Выбранные значения увеличивают количество выходных уровней, позволяя создавать дискретные шаги напряжения без дублирования. Все материалы, использованные в этом исследовании, перечислены в Таблице материалов.
Режимы переключения
Состояния переключения этого метода показаны на рисунках 3 и 4. Красный обозначает проводящий путь, а зелёный — непроводящий путь соответствующих переключателей на рисунках 3 и 4. Десять переключателей с тремя предпочтительных источниками напряжения размещаются для создания уровней в естественной последовательности величины. В таблице 1 перечислены переключатели, используемые для создания необходимых уровней напряжения. В таблице 2 0 обозначает непроводимость, а 1 — путь проводимости переключателей. Режимы работы предлагаемой топологии следующие.
0Vпостоянного тока: Чтобы достичь нуля напряжения в этом режиме работы, проводят либоS 1,S 2, S3, S7 и S9 , как показано на рисунке 3A.
±1Vпостоянного тока: S1,S 5, S6,S 7 иS 9 проводят в соответствии с режимами, показанными на рисунке 3B , для получения выходного напряжения +1Vпостоянного тока. Чтобы получить -1Vпостоянного тока в качестве выходного напряжения, S2,S 3,S 4,S 8 иS 10 проводят, как показано соответствующими режимами на рисунке 4A.
±2Vпостоянного тока: Чтобыполучить +2V постоянного тока в качестве выходного напряжения, S3,S 4, S 6,S 7 иS 9 включаются так, как показано на рисунке 3C. S1,S 2,S 5,S 8 иS 10 проводятся таким же образом, как показано на рисунке 4B для достижения выхода -2Vпостоянного тока.
±3Vпостоянного тока: для получения выходного напряжения +3Vdc показано на рисунке 3D, S 1, S 3,S 6,S 7 иS 9 соответственно. Как показано на рисунке 4C, S2,S 4,S 5,S 8 иS 10 проводят аналогичным образом, создавая выходное напряжение -3V постоянного тока.
±4Vпостоянного тока: S1,S 2,S 3,S 7 иS 8 проводят так, как показано на рисунке 3E , чтобы работать с +4V постоянного тока в качестве выходного напряжения. S4,S 5,S 6,S 9 иS 10 проводятся в последовательности, показанных на рисунке 4D, чтобы получить выходное напряжение -4V постоянного тока.
±5Vпостоянного тока: Последовательность переключения для генерации +5Vпостоянного тока в качестве выходного напряжения показана на рисунке 3F. На рисунке 4E показана схема проводимости переключателей, обеспечивающая выходной уровень напряжения -5Vпостоянного тока.
±6Vпостоянного тока: соответствующие схемы переключения, дающие +6Vпостоянного тока в качестве выходного напряжения, показаны на рисунке 3G. На рисунке 4F показана схема переключателя, используемая для подачи выходного напряжения -6Vпостоянного тока.
±7Vпостоянного тока: S1,S 3,S 6,S 7 иS 8 проводят, как показано на рисунке 3H , создавая выходное напряжение +7Vпостоянного тока. S2,S 4,S 5,S 8 иS 9 , как показано на рисунке 4G , проводят выходное напряжение -7Vпостоянного тока.
Метод модуляции
В этой работе используется метод низкочастотного управления для анализа эффективности предлагаемого инвертора. Селективная гармоническая элиминация (SHE) использует методы низкой коммутационной частоты для выполнения работы MLI. Низкопорядочные гармоники эффективно устраняются с помощью SHE, что дополнительно минимизирует потери при переключении. Однако использование этого метода требует решения нескольких сложных трансцендентальных уравнений. На рисунке 4 показаны углы переключения, учитываемые для четвертьволновой симметрии. Форма сигнала для выходной формы напряжения уровня m (m — нечётное число) имеет 2(m-1) угла переключения. Рисунок 5 показывает разделение углов переключения на четыре квадранта. Основные углы переключения находятся в первом квадранте, который простирается от 0 до π/2. Оставшиеся углы квадранта можно легко определить, используя основные углы переключения.
Для снижения общего общего гармонического искажения (THD) инвертора, техника SHE направлена на удаление гармоник низшего порядка. Поскольку выход имеет 15 уровней, рекомендуемый инвертор использует SHEPWM для нацеления и устранения гармоник низшего порядка, таких как третий, квинтый, седьмой, девятый, одиннадцатый и тринадцатый. Маленькие фильтры могут успешно подавлять гармоники высшего порядка. Математические выражения сигналов выходного напряжения получаются с помощью ряда Фурье. Следующие уравнения дают следующие выражения:
(1)
Где компонента 0= постоянного тока
an= чётная гармония
bn=Нечётная гармоника
В данном случае
(2)
(3)
(4)
Четвертьтактическая симметрия выходной формы сигнала аннулирует гармоники чётного порядка (a n = 0) и компонент постоянного тока (a 0 = 0), оставляя только нечетные гармоники (bn). Таким образом, уравнение выхода многоуровневого инвертора выражается как
(5)
Поскольку это 15-уровневый инвертор, для одного четвертного цикла используется 7 углов сжигания для определения пикового напряжения каждой гармонической компоненты. Следующие уравнения представляют компоненты пиковых гармонических компонентов.
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
Необходимо скорректировать величины напряжений третьей, пятой, седьмой, девятой, одиннадцатой и тринадцатой гармоник до нуля из вышеуказанных уравнений, чтобы снять их с нагрузки.
(13)
Индекс модуляции (M) инвертора можно вычислить следующим образом
(14)
Метод Ньютона-Рафсона (NR) используется для вычисления углов стрельбы, а основная цель SHE PWM — максимально снизить гармонические значения. Подход NR начинает решение нелинейных уравнений с начальной оценки, которая представляет собой случайное число от 0 до 90◦. Итерации с числами представлены j и e. Подход NR включает следующие действия.
Шаг 1: Чтобы найти углы выстрела, устанавливаются начальные значения.
(15)
Шаг 2: Используйте матрицу Якобиана для «n» переменных в итерациях «k» для вычисления значений нелинейного уравнения и dα.
(16)
(17)
Шаг 3: Если δα больше порога, повторите шаг 4. Если порог равен или выше δα, остановить процесс.
Шаг 4: Как только уравнение (18) обновит αзначение, переходите к шагу 2.
(18)
Для определения идеальных углов переключения используются искусственные нейронные сети (АНС) и подход Ньютона-Рафсона. Для процедуры обучения ANN необходимы начальные входные данные. Внутренние слои искусственных нейронных сетей, используемых в этом методе, показаны на рисунке 6. Для обеспечения идеальных углов переключения он состоит из двух скрытых слоёв (H1 иH 2), расположенных между входным и выходным слоями, и одного входного слоя со значением Vпостоянного тока. Модель сделана нелинейной с помощью функции активации «tanh», которая имеет диапазон от -1 до 1′. Присваивая вес каждому входу, вычисляются отдельные нейроны (Yi). K — это значение между 0 и числом нейронов в предыдущем слое. Выходные значения масштабируются в пределах заданного диапазона с помощью функции танха. Ниже приведено описание этого
(19)
Стоит отметить, что Wk означает вес каждого нейрона, Xk — выход k-го нейрона, а Bi — смещение скрытого слоя. Метрики ошибок вычисляются с использованием среднеквадратичной ошибки (MSE). Метод обратного распространения, использующий оптимизатор Адама для изменения весов каждого слоя, применяется для снижения потерь от ошибок.
(20)
Блок-схема на рисунке 7 описывает процедуру оптимизации гибридного алгоритма ANN-NR. Гибридная технология искусственной нейронной сети (ANN) и метода Ньютона-Рафсона (NR) используется для обеспечения точного и вычислительного вычисления оптимальных углов переключения, поскольку нелинейные уравнения селектирующего гармонического исключения (SHE) решаются методом Ньютона–Рафсона в диапазоне индексов модуляции 0,6 ≤ M ≤ 1,0 для создания обучающего набора данных офлайн. Действительные наборы углов переключения (α₁–α 7), соответствующие требованиям по удалению гармоник для третьей, пятой, седьмой, девятой, одиннадцатой и тринадцатой гармоник, находятся и сохраняются для каждого индекса модуляции,2. Один входной нейрон, представляющий индекс модуляции (M), два скрытых слоя и семь выходных нейронов, указывающих на углы переключения α₁ доα 7 , образуют прямую нейронную сеть. В первом скрытом слое пятнадцать нейронов, во втором — десять. Выходной слой имеет линейную активационную функцию, но скрытые слои используют гиперболические тангенциальные (tanh) активационные функции для добавления нелинейности. Как входные, так и выходные данные стандартизированы в диапазоне [−1, 1] для повышения устойчивости обучения и сходимости. Перед тренировкой индекс модуляции и углы переключения соответствующим образом масштабируются, а при выводе — перескакиваются.
Набор данных разделён в соотношении 60:20:20 на наборы для обучения, валидации и тестирования. Для обучения сети используется метод оптимизации Адама со скоростью обучения 0,001 и среднеквадратичной ошибкой (MSE) в качестве функции потерь. Чтобы избежать переоснащения, обучение проводится до 1000 эпох с ранней остановкой. Обучение прекращается, когда MSE падает ниже заранее установленного порога или если потеря валидации не улучшается в течение 50 последовательных эпох (критерий терпения). Начальные оценки угла переключения для конкретного индекса модуляции предоставляются обученным ANN во время работы. Итеративное решение Ньютона–Рафсона затем использует эти оценки как исходные условия. Подход NR обеспечивает точное удаление гармоник за счёт тонкой настройки выходов ANN для совершенного выполнения нелинейных уравнений SHE.
Когда остаточные величины предполагаемых гармоник (3–13-й) меньше 0,5%, а углы переключения соответствуют необходимому ограничению порядка, считается допустимым решением:
0 < α1 < α2 < α3 < α4 < α5 < α6 < α7 < π / 2. Быстрая сходимость и надёжное гармоническое подавление по всему диапазону индексов модуляции являются результатом этой гибридной стратегии ANN–NR, которая сочетает отличную точность итеративных численных методов с быстрой предсказательной способностью нейронных сетей. Таблица 2 отображает информацию по нескольким параметрам (α1–α 7) и измерениям (5-й,7-й, 11-й и 13-й) для диапазона значений MI. Эти числа, по-видимому, отражают измерения или признаки, связанные с значениями MI. Рисунок 8A показывает, как углы переключения изменяются в зависимости от индекса модуляции, а рисунок 8B показывает, как гармонический порядок изменяется в зависимости от индекса модуляции.
Анализ эффективности
В этом исследовании мы оцениваем производительность предлагаемого пятнадцатиуровневого асимметричного инвертора, сосредотачиваясь на распределении напряжений, эффективности преобразования, характеристиках потерь энергии и использовании устройств — все это напрямую влияет на практическую реализацию. Максимальные блокирующие напряжения на всех переключателях при различных условиях работы суммируются для определения общего постоянного напряжения (TSV). Отмечаем, что напряжение распределяется неравномерно между устройствами на основе переключительных состояний, указанных в таблице 2. Например, коммутаторы S1,S 2,S 5,S 9 и S10 сталкиваются с блокирующими напряжениями Vdc, 3Vпостоянного тока, 2Vпостоянного тока,4V постоянного тока и4V DC соответственно на рабочем уровне +6Vпостоянного тока.
Для этой системы пиковое напряжение коммутационных устройств, подключённых к источнику (V3), одинаковы, тогда как коммутационные устройства, подключённые к источникам (V1 и V2), имеют разные значения. Следующие уравнения отображают максимальное напряжение выключателя.
VS1 = VS4 = V1 = Vпостоянного тока (21)
VS3 = VS5 = V2 = 2Vпостоянного тока (22)
VS2 = VS6 = V1 + V2 = 4Vdc (23)
VS7 = VS8 = VS9 = VS10 = V3 = 4VDC (24)
где V Sn обозначает максимальное напряжение устройства в положении выключенного. Общее стоящее напряжение (TSV) для предлагаемой конструкции выражается как (25).
TSV = 2 * VS1 + 2 * VS3 + 2 * VS2 + 4 * VS7 = 30 VDC (25)
Асимметричное расположение источников постоянного тока и последовательность переключения напрямую приводят к неоднородному профилю напряжений, показанному на рисунке 9. Неравномерное распределение требует тщательной оценки и выбора устройств, чтобы избежать перенапряжения компонентов, хотя общий коэффициент TSV ниже, чем у традиционных моделей. В рамках предлагаемой топологии мы также оцениваем связь между количеством переключателей и достижимыми уровнями напряжения. Текущая архитектура использует 10 переключателей для выполнения пятнадцати уровней, в отличие от традиционных каскадных конструкций, где повышение уровня обычно требует пропорционального увеличения количества компонентов. Согласно нашему расследованию, проводные маршруты повторно используются в нескольких режимах работы для достижения этого снижения. Тем не менее, этот метод ограничивает простую масштабируемость более высокими уровнями напряжения и добавляет дополнительные ограничения в логику переключения.
Уравнение (26) получается путем вычисления коэффициента затрат с использованием всех членов, зависящих от количества источников (Ns), количества переключателей (N sw), количества схем драйверов затвора (Nдрайверов), количества диодов (ND), количества конденсаторов (NC), коэффициента затрат (CF) и эффективности. В этом случае δ представляет собой весовой коэффициент. Компоненты получают больший вес, когда δ меньше 1, тогда как общее стоячее напряжение (TSV) (p.u.) — больше, если δ больше 1. Если δ = 1, то веса компонентов и TSV (p.u.) равны. Для всех топологий, рассмотренных в этом исследовании, δ считается равным 1.
CF = Ns + Nsw + Nдрайверов + N D + NC + δ*TSV(p.u.) (26)
Эффективность инвертора часто выражается в уравнении (27).
(27)
где выходная мощность, входная мощность и потери питания представлены соответственно потерямиP out, Pвход и P. Потери на переключение и потери на проводимость — это три типа потерь мощности в предложенной топологии. Потери при переключении: эти потери возникают при быстром включении и выключении устройств за один цикл. Формула используется для выражения потерь при переключении, вызванных переходами.
(28)
(29)
Потери при включении, потери при выключении и напряжение выключения ith обозначаются соответственно P swlturnon(i), P swltunoff(i) и Vswoff. Ion и i off — это токи в состояниях выключателя вкл и выключен. Уравнение (30) показывает, как эти потери складываются для определения общих потерь при переключении (Psw(Total)).
(30)
Потери проводимости: потери на проводимости переключателя представлены как
(31)
(32)
где Vdon и Vswon — это падения напряжения в режиме диода и выключателя соответственно, а P Dcon и P swcon — потери проводимости диода и выключателя. Сопротивление диода и переключателя в состоянии представлено RDon и Rswon, а средние и RMS токи переключателя представлены как iDavg, iswavg,i Drms и i swrms.
Для выбранных устройств для конфигурации полупроводниковых моделей PLECS используются стандартные характеристики, основанные на технических характеристиках. Коммутационные потери (P включено,P выключено), параметры проводимости (RDon, VDon) и тепловые сопротивления определяются с помощью номинальных значений технического листа и масштабируются внутренне с помощью PLECS в соответствии с мгновенными рабочими условиями, когда полная подгонка кривой из данных производителя недоступна.
Используя платформу моделирования PLECS, показанную на рисунке 10, мы проводим анализ потерь для оценки рассеяния энергии, учитывая особенности устройства как для потерь на проводимость, так и для коммутации. Мы обнаружили, что распределение потерь сильно меняется в зависимости от нагрузки. Потери на проводимость преобладают при чисто резистивной нагрузке, поскольку некоторые выключатели испытывают постоянный ток тока. С другой стороны, фазовая задержка между напряжением и током приводит к росту потерь при переключении для RL-нагрузок, что приводит к увеличению рассеяния энергии во время переключительных переходов. Рисунки 11A и 11B демонстрируют это поведение, при этом некоторые переключатели постоянно показывают более высокие концентрации потерь в зависимости от своей проводимости.
Как показано на рисунке 12, общая эффективность инвертора рассчитывается путём сравнения выходной и входной мощности в различных условиях работы (0–2000 Вт). Согласно нашим данным, эффективность падает до 97,1% близко к номинальным условиям с 98,6% при низких уровнях мощности. Мы объясняем эту тенденцию тем, что при увеличении величины тока потери при переключении и проводимости вносят больше вклада. Наблюдаемые изменения свидетельствуют о том, что механизмы потерь становятся более заметными при больших нагрузках и должны учитываться при тепловом проектировании, даже если эффективность остаётся хорошей.
Важно подчеркнуть, что эти показатели производительности получаются в условиях моделирования, которые предполагают упрощённое паразитное моделирование и идеализированное поведение коммутации. В реальных приложениях другие элементы, такие как вставка в мертвом времени, задержки драйверов затвора, случайные индуктивности и свойства устройства, зависящие от температуры, могут влиять на эффективность и распределение потерь. Следовательно, результаты не полностью охватывают все реальные операционные последствия, даже если они дают единообразную основу для сравнительной оценки. TSV, распределение эффективности и распределения потерь часто используются в качестве критериев бенчмаркинга в многоуровневом инверторном анализе, и подход к оценке эффективности в этой работе соответствует принятым процедурам в данной области. Однако мы отмечаем, что топология, техника переключения и рабочие условия, рассмотренные в этой работе, неразрывно зависят от количественных результатов.
Предлагаемые асимметричные пятнадцатиуровневые инверторы и несколько топологий многоуровневых инверторов из литературы противопоставлены в таблице 3. Ключевые структурные и связанные с производительностью факторы, такие как количество переключателей, количество источников постоянного тока, техника управления и общие эксплуатационные характеристики, являются в центре внимания сравнения. Отмечено, что некоторые схемы тока, такие какв 24,25, используют больше переключателей (до 16) или используют гибридные или высокочастотные методы модуляции, что может привести к увеличению сложности управления и потерям при переключении. Хотя они работают при различных схемах модуляции и ограничениях конструкции, другие топологии с уменьшенным переключением, такие как27, достигают меньшего количества устройств.
В рамках низкочастотной системы управления на основе SHE, предлагаемая архитектура обеспечивает выход пятнадцати уровней, использующий десять переключателей и три источника постоянного тока. По сравнению с некоторыми эталонными конструкциями топология демонстрирует меньшее количество переключателей и умеренное общее стоящее напряжение (TSV) для этой установки и рабочего состояния. Тем не менее, следует подчеркнуть, что предоставленные сравнения основаны на данных из литературы, и что не все исследования используют одинаковые рабочие условия, системы модуляции и предположения нагрузки. В результате невозможно доказать прямую однозначную эквивалентность производительности. Вместо полностью скорректированной базовой линии сравнение призвано предложить структурную и наводящую оценку. В целом, в пределах оцененного рабочего диапазона предлагаемая конфигурация обеспечивает рабочий компромисс между количеством компонентов, сложностью управления и гармонической производительностью.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Результаты моделирования
Пятнадцатиуровневая операция моделируется с помощью интерфейса MATLAB/Simulink. Параметры нагрузки составляют соответственно 100 Ω и 100 мГ, а напряжения источника для пятнадцати уровней классифицируются как 100 В, 200 В и 400 В. Рекомендуемый инвертор работает на частоте 50 Гц, что является его основной частотой. Производительность инвертора при резистивных нагрузках показана на рисунке 13
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
В этой статье представлена асимметричная топология пятнадцатиуровневого инвертора с уменьшенным переключением, сочетаемая с помощью ИИ, селективной гармонической элиминацией (SHE). Предлагаемая схема подходит для средневольтных приложений, таких как солнечные системы и интерфейсы электрических приводов, поскольку обеспечивает хороший баланс между количеством переключателей, общим стоячим напряжением (TSV) и гармоническими характеристиками. Топология способна генерировать высококачественн...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы не заявляют о конфликтах интересов.
Благодарности
Авторы заявляют, что это исследование не получило никаких специальных грантов от фондов в государственном, коммерческом или некоммерческом секторе.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Датчик тока | Датчик Холла | — | Используется для измерения тока |
| Блок питания постоянного тока (изолированный) | Лабораторный источник | — | Изолированные источники постоянного тока 10 В, 20 В, 40 В |
| Цифровой осциллограф с запоминающей способностью (DSO) | Tektronix | — | Используется для наблюдения и измерения формы сигнала |
| Контроллер DSP | Texas Instruments | TMS320F28379D | Используется для генерации импульсов и реализации управления |
| Цепь управления ключом | Пользовательский IC-водитель | IR2110 | Используется для управления коммутацией МОП-транзисторов |
| Индуктивная нагрузка | — | — | Индуктивность 30 мГн |
| MATLAB/Simulink | MATLAB | Версия (2025a) | Используется для моделирования и анализа |
| МОП-транзистор | Infineon | IRFP460 | Силовой ключ 500 В, 20 А, используемый в инверторе |
| Набор PCB / Перемычки | Пользовательский | — | Используется для реализации аппаратного обеспечения |
| Персональный компьютер | — | — | Используется для моделирования и программирования DSP |
| Программное обеспечение PLECS | PLECS | Версия (5.0.3.) | Используется для термического и анализа потерь |
| Диод мощности | ON Semiconductor | MUR860 | Диод быстрого восстановления 600 В, 8 А |
| Блок питания | — | — | Вспомогательное питание для цепей управления и драйверов |
| Резисторная нагрузка | — | — | Мощный резистор 30 ом |
| Измерительный зонд | Tektronix | — | Используется для регистрации формы сигнала напряжения |