Orta Gerilim Uygulamaları İçin Yeni Asimetrik On Beş Seviyeli İnvertör

Özet

Bu makale, on anahtar ve üç DC kaynağı olan yeni 15 seviyeli asimetrik çok katmanlı invertör sunmaktadır. Anahtarlama açılarını optimize ederek, yapay zeka tabanlı seçici harmonik eliminasyon tekniği THD'yi düşürür ve verimliliği artırır (%>97). Deneyler ve simülasyonlar, gelişmiş güç kalitesini, daha az bileşeni ve orta voltaj uygulama uyumluluğunu doğrular.

Özet

Bu makalede, orta gerilim uygulamaları için azaltılmış anahtarlı asimetrik on beş seviyeli çok seviyeli invertör (MLI) topolojisi ve yapay zeka (AI) destekli seçici harmonik eliminasyon (SHE) kontrol tekniği ile desteklenmektedir. Önerilen düzenlemede, toplam sabit voltajı (TSV) sınırlamak ve basamaklı çıkış voltajı oluşturmak için on tek yönlü anahtar ve üç eşit olmayan DC kaynak kullanılır. Çeşitli modülasyon endeksleri için en etkili anahtarlama açılarını bulmak amacıyla, yapay sinir ağı (ANN) ile Newton-Raphson (NR) yöntemini birleştiren hibrit bir kontrol stratejisi kullanılır. Önerilen topolojinin performansını test etmek için düşük gerilimli deneysel bir prototip kullanılır ve MATLAB/Simulink simülasyonları kullanılarak değerlendirilir. Bulgular, değerlendirilen çalışma koşulları altında, invertörün düşük seviye harmonik içeriğe ve iyi dönüşüm verimliliğine sahip çok katmanlı çıkış dalga formları üretebildiğini göstermektedir. Değerlendirilen yük aralığında ölçülen verimlilik %98,6 ile %97,1 arasında değişir ve nominal koşullarda toplam harmonik bozulma (THD) %5,47 olarak belirlenmiştir. Önerilen topoloji, literatürdeki birkaç çok katmanlı inverter topolojisiyle yapılan karşılaştırma analizine göre, karşılaştırılabilir çalışma varsayımları altında daha düşük anahtar sayısı ve rekabetçi TSV ile harmonik performans sağlıyor. Yine de, operasyonel koşullar ve kontrol prosedürleri araştırmalar genelinde tamamen standartlaştırılmadığı için, bu karşılaştırmalar sadece bilgilendiricidir. Önerilen mimari, orta voltajlı uygulamalara ölçeklenebilir bir genişletme için tasarlansa da, denemesel doğrulama, anahtarlama davranışı ve kontrol yeteneklerini doğrulamak için düşük voltajlı bir prototip kullanılarak gerçekleştirilir. Sonuçlar, deneysel doğrulamanın daha düşük voltaj seviyelerinde yapılmasına rağmen topoloji ve kontrol tekniğinin uygulanabilir olduğunu göstermektedir. Daha geniş uygulanabilirlik sağlamak için, daha yüksek voltaj koşullarında daha fazla doğrulama ve standartlaştırılmış kıyaslama çerçeveleri gereklidir.

Giriş

Geniş çapta tanınan bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak, güneş enerjisi sürdürülebilir enerji çözümleri arayışında büyük ilgi çekmektedir. Güneş teknolojisi, verimlilik ve maliyet azaltımındaki sürekli gelişmeler sayesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş enerjisi, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak ve ülkeler daha yeşil enerji sistemlerine doğru ilerlerken iklim değişikliğini yavaşlatmak için hayati öneme sahiptir. Fotovoltaik (PV) enerjinin maliyet etkinliği ve çevresel avantajları onu benzersiz kılmaktadır. Devam eden araştırma ve sistem geliştirme amacı, PV hücre enerji çıkarımını en üst düzeye çıkarırken sorunsuz şebeke entegrasyonunu garanti etmektir. Çok katmanlı invertörler (MLI'ler), son yıllarda büyük güç seviyelerini yönetme kapasiteleri ve daha düşük anahtarlama kayıpları, daha iyi güç kalitesi ve daha az harmonik bozulma gibi avantajlar sağladıkları için vazgeçilmez bir teknoloji haline gelmiştir; gelişmiş elektromanyetik parazit^yetenekleri 1,2,3,4,5.

MLI'lar, basamaklı voltaj dalga formları oluşturmak için çeşitli yarı iletken anahtarlardan oluşan geniş bir DC kaynakları ve güç elektrik^{devreleri kullanır 6}. Daha fazla seviye eklendikçe dalga formunun kalitesi de artar. Ancak, artan bileşen sayısı, iyi güvenilirlik ve verimlilik elde etmeyi zorlaştırıyor ve bu da maliyetleri^{artırıyor 7}. MLI'ların özellikle yenilenebilir enerji uygulamalarında iyi çalışabilmesi için istikrarlı ve güvenilir bir DC güç kaynağı gereklidir. Voltaj seviyelerini kontrol edip dalgalanmaları düşürerek, DC/DC dönüştürücüler gerilim kalitesini ve sistem güvenilirliğini büyük ölçüde artırır. Örneğin,^8'de önerilen kuadratik boost dönüştürücü için sağlam bir kaydırma modu kontrolü, gelişmiş dinamik tepki ve sistem kararlılığı göstermiştir. Benzer şekilde,^9'daki yüksek kazançlı DC/DC dönüştürücü topolojilerinin karşılaştırmalı analizi, voltajın artırılması için gelişmiş yöntemler ortaya koyuyor ve bu yöntemler PV uygulamalarında MLI'larla entegrasyon için yeterlilik sağlıyor.

Uçan kapasitör (FC), kaskadlı H-köprü (CHB) ve diyotlu veya nötr noktalı (NPC) üç ana MLI^{topolojisidir 10}. Birkaç tek fazlı H-köprü ünitesi, DC voltaj^{seviyeleri 11'e} göre simetrik ve asimetrik varyantlara ayrılan CHB inverterini oluşturur. Geleneksel CHB invertörleri tarafından üç çıkış seviyesi üretilir: sıfır, negatif ve pozitif. Her birimin bireysel çıkış voltajı toplanarak toplam çıkış^{voltajı 12,13} belirlenir. FC ve NPC invertörleri daha yüksek voltaj seviyelerinde gerilim dengelemede zorluklar yaratırken, CHB invertörleri orta ve yüksek gerilim uygulamaları için tercih edilir¹⁴.

^15'te daha az anahtarlı benzersiz bir yapı önerilmiştir, ancak birkaç güç kaynağı gerektirmesi dezavantajı vardır. Bu zorlukları ele almak için yarı iletken cihazların optimal kullanımı çok önemlidir. 16'da çift yönlü güç anahtarlı asimetrik bir invertör topolojisi sunulur; bu da IGBT sayısını artırarak inverterin maliyetini artırır. Diğer tasarımlar ise voltaj seviyelerini yükseltmeye odaklanır ve güç anahtarlarının^{sayısını 17,18} azaltır. Sistemler tarafından oluşturulan DC adım çıkışını AC adımına dönüştürmek için tam köprülü bir dönüştürücü kullanılır. Tam köprülü dönüştürücünün gerilim engelleme sınırlamaları nedeniyle, uygulamalar yüksek voltajlı durumlarla sınırlıdır.

Bir çalışma^19'da tanımlanan üç tek fazlı üniteden oluşan üç faz sistem gibi birkaç yenilikçi topoloji, tek faz ve üç fazlı sistemler için bileşen sayısını azaltmak amacıyla tasarlanmıştır. Bazı topolojiler alt birim MLI'lar tarafından daha az anahtar ve DC^{kaynağı 20} ile çok katmanlı çıkışlar üretmek için kullanılır. Antiparalel bağlantılı çift yönlü anahtarlar, bazı sistemlerde anahtar sayısını azaltmak ve her iki yönde akım iletimi^{sağlamak için kullanılır (21,22,23,24}). Anahtarlar arasındaki voltajı engellemek, alt ünitelerin zincirleme birimleriyle azaltılır ve modüler bir çerçeve oluşturulur. Buna rağmen, çıkış seviyelerindeki artış anahtar sayısında da artışa yol açar ve bu yine de bir dezavantajdır. Bileşenleri keserken ve voltajı engelleyerek çeşitli seviyeler sunan yeni MLI konfigürasyonları bu nedenle sürekli talep görmektedir ve bu da nihayetinde inverter maliyetlerini düşürür. Paketlenmiş H-köprü adı verilen yeni bir MLI topolojisi, tüm köprünün her iki yanından da temel ünitelere^{bağlıdır 25,26}. Öte yandan, diğer tasarımlar devre anahtarlarındaki gerilim gerimini azaltmaya odaklanarak H-köprüsünü kaldırır. Ancak, bu topolojilerin çoğu birçok bileşen gerektirir. Anahtarları, kapasitörleri ve ayakta duran voltajı en aza indirirken çıkış^{voltajını optimize etmek için 27}. adım, alt bölümde standart üç ayaklı ve H-köprülü hücreler içeren hibrit kaskad çok katmanlı invertör (HCFMLI) tasarımını inceler. ^{Bir çalışma} 28,29'da, simetrik ve asimetrik konfigürasyonlar kullanılarak zincirli MLI topolojilerinin karşılaştırması sağlanmıştır.

Bir çalışma, seri bağlantılı alt çok seviyeli ünitelere dayalı çok katmanlı dönüştürücüler için kaskad bir tasarım öneriyor ve DC kaynaklarının^{büyüklüklerini hesaplamanın iki yolu olan 30}. Bir çalışma, tek bir DC kaynağı kullanarak altı kat artırılmış^{çıkış voltajı 31} sağlayan 14 anahtar, dört kapasitör ve iki diyotlu seyrek 13 seviyeli bir invertörü tanımlıyor. Tüm olası çıkış voltaj seviyeleri, bir çalışma^32'de önerilen kaskad topolojiyle üretilir ve karşılaştırmalı analiz, bunun daha modern çok katmanlı^{dönüştürücülerden (33}) üstün olduğunu gösterir. Başka bir çalışmada topoloji tarafından simetrik ve asimetrik çıkış voltajlarına sahip tek fazlı bir MLI^{tanıtılmıştır 34}. Başka bir^{araştırma 35}, asimetrik DC kaynak konfigürasyonunu destekleyen tek faz tabanlı çok katmanlı bir topoloji sunar; bu da 15 seviyeli çıkış sağlarken alanı ve maliyeti azaltır.

Literatürde birkaç on beş seviyeli invertör topolojisi belgelenmiş olsa da, karmaşıklık, maliyet ve harmonik performansta farklı tavizler, anahtar sayısı, DC kaynak konfigürasyonu ve kontrol metodolojilerindeki farklılıklardan kaynaklanır. Tablo 1, önerilen tasarımı bağlama oturtmak için temsil eden on beş seviyeli invertör topolojilerinin yapısal karşılaştırmasını özetler. Karşılaştırma, anahtar sayısı, DC kaynakları ve kontrol stratejisi gibi önemli faktörlere odaklanır. Çalışma koşulları ve değerlendirme ölçümleri araştırmalar arasında farklılık gösterdiği için, bu karşılaştırma çağrıştırıcı ve belirtilen konfigürasyonlara dayanmaktadır.

Bu çalışma katkısı iki sınıflandırmaya ayrılabilir: (i) daha az anahtarlı asimetrik bir topolojiye dayalı on beş seviyeli bir invertörden oluşan bir topoloji katkısı; ve (ii) temel voltaj kontrolünü koruyarak alt dereceden harmonikleri çıkarmak için en iyi anahtarlama açılarını bulmak için yapay zeka destekli seçici harmonik eliminasyon (SHE) tekniği kullanan kontrol katkısı. Seçmeli harmonik eliminasyon (SHE) formülasyonundan türetilen modülasyon indeksi ile optimal anahtarlama açıları arasındaki doğrusal olmayan ilişkiyi öğrenmek için yapay sinir ağının (ANN) kullanımı bu çalışmada özellikle "yapay zeka tabanlı" olarak adlandırılır. Neredeyse optimal başlangıç çözümleri sunan ve ardından Newton-Raphson yöntemiyle geliştirilen ANN, hesaplama çabasını dramatik şekilde azaltan veri odaklı bir öngörücü olarak işlev görür. Sadece sayısal yöntemlerle karşılaştırıldığında, bu hibrit yaklaşım daha hızlı yakınsamaya ve pratik uygulamayı kolaylaştırır.

Ana amaç, asimetrik kaynak yaklaşımını kullanan ve minimum sayıda güç cihazıyla akım iletimi mümkün kılan yeni bir tek fazlı sistem tasarımı geliştirmektir. Bu makale, güneş enerjisi üretimi, elektrikli otomobiller (EV) ve diğer yüksek güçlü özellikler gibi düşük gerilim uygulamaları için on beş seviyeli (15L) bir invertör önermektedir. Şekil 1 , önerilen Çok Katmanlı Inverter (MLI) üzerinden çatı üstü güneş panelleri, Pil, yakıt hücreleri, Süper Kapasitör, bir DC-DC dönüştürücü ve Elektrik sürücü yükünün bağlantısını göstermektedir. Önerilen inverterin geliştirilmesinde ölçeklenebilir çok katmanlı çalışma ana vurgusudur. Tasarım kavramları, uygun cihaz seçimi, yalıtım tasarımı ve sistem düzeyindeki endişelere bağlı olarak, mevcut çalışma topolojiyi düşük voltajlı laboratuvar prototipiyle doğrulasa bile, orta gerilim uygulamalarına doğru genişletmeyi kolaylaştırmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmanın başlıca katkıları şunlardır: 1) CHB tabanlı yeni asimetrik bir MLI topolojisi, yüksek çıkış voltaj seviyelerini koruyor ve daha az güç yarı iletken anahtarı kullanan, 2) Maliyet fonksiyonu ve toplam sabit voltajın (TSV) optimize edilmesi için ekonomi ve verimliliği artırma ve 3) Karşılaştırma analizi, önerilen topolojinin verimlilik açısından mevcut sistemleri geride bıraktığını ve toplam harmonik bozulmayı (THD) azalttığını gösteriyor.

Protokol

Topoloji yapılandırması

Şekil 2, 10 anahtar ve asimetrik olarak düzenlenmiş üç gerilim kaynağından oluşan önerilen mimariyi gösterir. Önerilen 15 seviyeli invertördeki DC kaynaklarının oranı 1:2:4'tür. Bu oran keyfi değildir; DC kaynaklarının sayısını en aza indirmek ve aynı zamanda geniş bir gerilim kombinasyonu yelpazesi oluşturulmasına olanak sağlamak için seçildi. Seçilen değerler, ayrık voltaj adımlarının tekrarlanmadan üretilmesine izin vererek çıkış seviyelerinin sayısını artırır. Bu çalışmada kullanılan tüm materyaller, Materyaller Tablosu'nda listelenmiştir.

Anahtarlama modları

Bu yöntemin anahtarlama durumları Şekil 3 ve 4'te gösterilmiştir. Kırmızı, Şekil 3 ve 4'teki eşleşen anahtarların iletken yolunu, yeşil ise iletken olmayan yolu gösterir. Üç tercih edilen voltaj kaynağına sahip on anahtar, doğal bir büyüklük dizisinde seviyeler oluşturmak için yerleştirilir. Tablo 1 , gerekli voltaj seviyelerini üretmek için kullanılan anahtarları listeler. Tablo 2'de 0, iletken olmayanlığı, 1 ise anahtarların iletkenlik yolunu gösterir. Önerilen topolojinin çalışma modları aşağıdaki gibidir.

0V_DC: Bu çalışma modunda sıfır gerilim elde etmek için S₁, S₂, S₃, S₇ ve S₉ iletim yapar , Şekil 3A'da gösterildiği gibi.

±1V_DC: S₁,_{S 5}, S₆, S₇ ve S₉, +1V_DC çıkış voltajı elde etmek için Şekil 3B'de gösterilen modlara uygun olarak iletmektedir. -1V_dc çıkış voltajı olarak almak için S₂, S₃, S₄, S₈ ve S₁₀, Şekil 4A'daki ilgili modlarda belirtildiği şekilde iletilir.

±2V_DC: +_2V dc çıkış voltajı elde etmek için S₃, S₄, S₆, S₇ ve S₉ Şekil 3C'de gösterilen şekilde açılır. S₁, S₂, S₅, S₈ ve S₁₀ , Şekil 4B modunda belirtildiği şekilde -2V_dc çıkışı elde etmek için aynı şekilde geçirilir.

±3V_DC: +3Vdc çıkış voltajı sağlamak için Şekil 3D, S₁,_{S 3, S} 6, S₇ ve S₉ iletimi sırasıyla gösterilmiştir. Şekil 4'te gösterildiği gibi, S₂, S₄, S₅, S₈ ve S₁₀ benzer şekilde -3V_DC çıkış voltajı üreterek iletmektedir.

±4V_DC: S₁, S₂, S₃, S₇ ve S₈ , Şekil 3E'de gösterildiği şekilde +_4V DC'yi çıkış voltajı olarak çalıştırmak üzere iletimlenir. S₄, S₅, S₆, S₉ ve S₁₀ , Şekil 4D'de gösterilen dizilerde -4V_dc çıkış voltajı elde etmek için geçirilir.

±5V_DC: +5V_DC'nin çıkış voltajı olarak üretilmesi için anahtarlama dizisi Şekil 3F'de gösterilmiştir. Şekil 4E , anahtarların iletkenlik desenini göstererek -5V_DC çıkış voltajı seviyesini sağlar.

±6V_DC: Çıkış voltajı olarak +6V_dc veren ilgili anahtarlama desenleri Şekil 3G'de gösterilmiştir. Şekil 4F, -6V_DC çıkış voltajı sağlamak için kullanılan anahtar desenini göstermektedir.

±7V_DC: S₁, S₃, S₆,_{S 7} ve S₈ , Şekil 3H'de gösterildiği gibi +7V_DC çıkış voltajı oluşturmak için iletilir. S₂, S₄, S₅, S₈ ve S₉ , Şekil 4G'de gösterildiği gibi iletim sağlayarak -7V_DC çıkış voltajı elde eder.

Modülasyon yöntemi

Bu çalışmada, önerilen inverterin etkinliğini analiz etmek için düşük frekanslı bir kontrol tekniği kullanılmıştır. Seçici Harmonik Eliminasyon (SHE), MLI'nin işleyişini gerçekleştirmek için düşük anahtarlama frekansı metodolojisinden faydalanır. Düşük dereceli harmonikler, SHE ile verimli bir şekilde ortadan kaldırılır ve bu da ayrıca anahtarlama kayıplarını en aza indirir. Ancak, bu yöntemi kullanmak birkaç zorlu transandantal denklemin çözülmesini gerektirir. Şekil 4 , çeyrek dalga simetrisi için dikkate alınan anahtarlama açılarını göstermektedir. m-seviyeli (m tek sayı) çıkış voltaj dalga formu için dalga formu 2(m-1) anahtarlama açısına sahiptir. Şekil 5, anahtarlama açılarının dört dörtlüğe bölünmesini göstermektedir. Ana anahtarlama açıları, 0'dan π/2'ye kadar uzanan birinci çeyrektekilerdir. Kalan dörtgen açılar ana anahtarlama açıları kullanılarak kolayca belirlenebilir.

İnverçerin toplam harmonik bozulmasını (THD) azaltmak için SHE tekniği, alt dereceden harmonikleri kaldırmayı amaçlar. Çıkışın 15 seviyesi olduğundan, önerilen inverter SHEPWM kullanarak üçüncü, beşinci, yedinci, dokuzuncu, on birinci ve on üçüncü gibi alt dereceli harmonikleri hedef alır ve ortadan kaldırır. Küçük filtreler, daha yüksek dereceden harmonikleri başarıyla bastırmak için kullanılabilir. Çıkış gerilim dalga formu matematiksel ifadeleri Fourier serisi kullanılarak elde edilir. Aşağıdaki denklemler bu ifadeleri sağlar:

(1)

Burada _{bir 0}= DC bileşeni

a_n= Çift Armonik

b_n=Tek Harmonik

Bu durumda

(2)

(3)

(4)

Çıkış dalga formu çeyrek döngü simetrisi, çift dereceli harmonikleri (_{a n} = 0) ve DC Bileşenini (_{a 0} = 0) iptal eder, sadece tek harmonikler (b_n) kalır. Bu nedenle, çok seviyeli inverter çıkış denklemi şu şekilde ifade edilir:

(5)

15 seviyeli bir invertör olduğundan, bir çeyrek döngü boyunca, her harmonik bileşenin tepe voltajını belirlemek için 7 ateşleme açısı kullanılır. Aşağıdaki denklemler zirve harmonik bileşenleri temsil eder.

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Yukarıdaki denklemlerin üçüncü, beşinci, yedinci, dokuzuncu, on birinci ve on üçüncü dereceden harmoniklerinin gerilim büyüklüklerini sıfıra ayarlamak ve yükten çıkarmak gerekir.

(13)

İnvertörün modülasyon indeksi (M) şu şekilde hesaplanabilir

(14)

Newton-Raphson (NR) yöntemi ateşleme açılarını hesaplamak için kullanılır ve SHE PWM'nin ana amacı harmonik değerleri mümkün olduğunca azaltmaktır. NR yaklaşımı, doğrusal olmayan denklemlerin çözümüne başlangıç tahminiyle başlar; bu tahmin 0 ile 90^◦ arasında rastgele bir sayıdır. Sayılarla yapılan yinelemeler j ve e ile temsil edilir. NR yaklaşımı aşağıdaki eylemleri içerir.

Adım 1: Ateşleme açılarını bulmak için başlangıç değerleri ayarlanır.

(15)

Adım 2: "k" yinelemelerindeki "n" değişkenler için Jacobian matrisini kullanarak doğrusal olmayan denklem ve dα değerlerini hesaplayın.

(16)

(17)

Adım 3: Eğer δα eşik değerinden büyükse, 4. adımı tekrarlayın. Eşik δα'ya eşit veya büyükse, süreci durdurun.

Adım 4: Denklem (18) αdeğeri güncelledikten sonra 2. Adıma geçin.

(18)

İdeal anahtarlama açılarını belirlemek için Yapay Sinir Ağları (ANN) ve Newton-Raphson yaklaşımı kullanılır. Eğitim prosedürü için bir ANN'nin ilk girdilerine ihtiyacı vardır. Bu yöntemde kullanılan yapay sinir ağlarının iç katmanları Şekil 6'da gösterilmiştir. İdeal anahtarlama açılarını sağlamak için, giriş ve çıkış katmanları arasında yerleştirilen iki gizli katmandan (H₁ ve H₂) ve V_dc değerinde tek bir giriş katmanından oluşur. Model, -1'den 1'e kadar aralıklı bir "tanh" aktivasyon fonksiyonu kullanılarak doğrusal olmayan hale getirilmiştir. Her girdisine bir ağırlık atayarak, bireysel nöronlar (Y_i) hesaplanır. K, 0 ile önceki katmandaki nöron sayısı arasında bir değerdir. Çıkış değerleri, tanh fonksiyonu kullanılarak belirlenen aralık içinde ölçeklenir. Aşağıda bunun bir açıklaması yer almaktadır

(19)

Belirtmek gerekir ki, W _k her nöronunun ağırlığını, X_k k'nın nöronun çıktısını ve Bi gizli katmanın yanlımlığını temsil eder. Hata metrikleri, ortalama kare hata (MSE) kaybı kullanılarak hesaplanır. Her katmanın ağırlıklarını değiştirmek için Adam optimizatorunu kullanan Geri Yayılma yaklaşımı, hata kaybını azaltmak için kullanılır.

(20)

Şekil 7'deki akış şeması, hibrit ANN-NR algoritmasının optimizasyon prosedürünü tanımlar. Hibrit Yapay Sinir Ağı (ANN) ve Newton-Raphson (NR) tekniği, doğrusal olmayan seçici harmonik eliminasyon (SHE) denklemleri Newton–Raphson yöntemiyle 0.6 ≤ M ≤ 1.0 modülasyon indeks aralığında çözülürken optimal anahtarlama açılarının doğru ve hesaplama açısından verimli hesaplanmasını garanti etmek için kullanılır. Üçüncü, beşinci, yedinci, dokuzuncu, on birinci ve on üçüncü harmonikler için harmonik kaldırma gereksinimlerini karşılayan geçerli anahtarlama açısı setleri (_α₁–α₇) her modülasyon indeksi için bulunur ve saklanır,2. Modülasyon indeksini (M) temsil eden bir giriş nöron, iki gizli katman ve α_₁ ile α₇ arasındaki anahtar açılarını gösteren yedi çıkış nöronu ileriye doğru besleme sinir ağı oluşturur. İlk gizli katmanda on beş, ikinci katmanda ise on nöron vardır. Çıkış katmanının doğrusal bir aktivasyon fonksiyonu vardır, ancak gizli katmanlar doğrusal olmayanlık eklemek için hiperbolik teğet (tanh) aktivasyon fonksiyonları kullanır. Hem giriş hem de çıkış verileri, eğitim kararlılığını ve yakınsamasını artırmak için [−1, 1] aralığına standartlaştırılır. Eğitimden önce, modülasyon indeksi ve anahtarlama açıları uygun şekilde ölçeklenir ve çıkarım sırasında yeniden ölçeklenir.

Veri seti 60:20:20 oranında eğitim, doğrulama ve test setlerine bölünür. Ağın eğitilmesinde 0.001 öğrenme hızı ve kayıp fonksiyonu olarak ortalama kare hata (MSE) ile Adam optimizasyon tekniği kullanılır. Aşırı donanım uygulanmasını önlemek için, erken duraklama ile 1000 döneme kadar eğitim yapılır. Eğitim, MSE önceden belirlenmiş eşiğin altına düştüğünde veya doğrulama kaybı 50 ardışık dönem boyunca iyileşmediğinde (sabır kriteri) durdurulur. Belirli bir modülasyon indeksi için ilk anahtarlama açısı tahminleri, eğitim veren ANN tarafından çalışma sırasında sağlanır. Newton–Raphson yinelemeli çözümü bu tahminleri başlangıç koşulları olarak kullanır. NR yaklaşımı, ANN çıkışlarını doğrusal olmayan SHE denklemlerini mükemmel şekilde yerine getirecek şekilde ince ayarlayarak doğru harmonik çıkarımı sağlar.

Amaçlanan harmoniklerin (3.–13.) kalıntı büyüklükleri %0,5'ten az olduğunda ve anahtarlama açıları gerekli sıralama kısıtlamasını karşıladığında, çözüm geçerli sayılır:
0 < α₁ < α₂ < α₃ < α₄ < α₅ < α₆ < α₇ < π / 2. Hızlı yakınsamaya ve tüm modülasyon indeks aralığında güvenilir harmonik bastırma, bu hibrit ANN–NR stratejisinin sonudur; bu strateji, yinelemeli sayısal tekniklerin mükemmel doğruluğunu sinir ağlarının hızlı tahmin gücü ile birleştirir. Tablo 2 , MI değerleri aralığı için çeşitli parametreler (_{α 1'den} α_7'ye kadar) ve ölçümler (5^., 7^., 11^. ve 13^.) hakkında bilgi sunar. Bu sayılar, MI değerleriyle ilişkili ölçümleri veya özellikleri yansıtıyor gibi görünmektedir. Şekil 8A , modülasyon indeksine göre anahtarlama açılarının nasıl değiştiğini gösterirken, Şekil 8B, harmonik düzenin modülasyon indeksine göre nasıl değiştiğini gösterir.

Performans analizi

Bu çalışmada, önerilen on beş seviyeli asimetrik inverterin performansını gerilim gerilimi dağılımı, dönüşüm verimliliği, güç kaybı özellikleri ve cihaz kullanımı üzerine odaklanarak değerlendiriyoruz—bunların hepsi pratik uygulama üzerinde doğrudan etki etmektedir. Farklı çalışma koşullarında tüm anahtarlar arasında maksimum bloklama voltajları toplanarak toplam sabit voltaj (TSV) belirlenir. Tablo 2'de belirtilen anahtarlama durumlarına dayanarak voltaj geriliminin cihazlar arasında eşit dağılmadığını belirtiyoruz. Örneğin, S₁, S₂, S₅, S₉ ve S₁₀ anahtarları, +6V_dc çalışma seviyesinde sırasıyla Vdc, 3V_dc, 2V_dc, 4V_dc ve 4V_DC voltajlarını bloklar.

Bu kurulumda, kaynağa bağlı anahtarlama cihazlarının (V3) tepe gerilim gerilimi aynıdır; iken, kaynaklara bağlı anahtarlama cihazlarının (V1 ve V2) değerleri farklıdır. Aşağıdaki denklemler anahtarın maksimum gerilim gerilimini gösterir.

V_S1 = V_S4 = V₁ = V_dc (21)

V_S3 = V_S5 = V₂ = 2V_DC (22)

V_S2 = V_S6 = V₁ + V₂ = 4V_dc (23)

V_S7 = V_S8 = V_S9 = _{V S10} = V₃ = 4V_DC (24)

burada V_Sn, cihaz kapalı konumdayken maksimum gerilim gerilmesini temsil eder. Önerilen tasarım için toplam sabit voltaj (TSV) (25) olarak ifade edilir.

TSV = 2 * V_S1 + 2 * V_S3 + 2 * V_S2 + 4 * V_S7 = 30 V_DC (25)

Asimetrik DC kaynak düzeni ve anahtarlama dizisi doğrudan Şekil 9'da gösterilen uniform olmayan gerilme profiline yol açar. Düzensiz dağılım, bileşenlerin aşırı yüklenmesini önlemek için dikkatli cihaz derecelendirmesi ve seçimi gerektirir; genel TSV geleneksel tasarımlara göre daha düşüktür. Önerilen topoloji çerçevesinde, anahtar sayısı ile ulaşılabilir voltaj seviyeleri arasındaki bağlantıyı da değerlendiriyoruz. Mevcut mimari, on beş seviyeyi gerçekleştirmek için 10 anahtar kullanır; geleneksel zincirli yapıların aksine, seviye geliştirme genellikle bileşenlerde orantılı artışlar gerektirir. Araştırmamıza göre, bu azalmayı sağlamak için iletim yolları çeşitli çalışma modlarında yeniden kullanılıyor. Buna rağmen, bu yöntem basit ölçeklenebilirliği daha yüksek voltaj seviyelerine sınırlar ve anahtarlama mantığına daha fazla kısıtlama ekler.

(26) denklem, kaynak sayısına (N_s), anahtar sayısına (N_sw), kapı sürücü devre sayısına (N sürücü), diyot sayısına_{(N sürücü}), kapasitör sayısına (N_C), maliyet faktörüne (CF) ve verimlilike bağlı tüm terimler kullanılarak maliyet faktörü hesaplanarak elde edilir. Bu durumda, δ ağırlıklandırma faktörünü temsil eder. Bileşenlere δ 1'den küçük olduğunda daha fazla ağırlık verilirken, Toplam Standing Voltaj (TSV) (p.u.) 1'den büyük olduğunda δ daha fazla ağırlık alır. Eğer δ = 1 ise, bileşen ağırlıkları ile TSV (p.u.) eşittir. Bu çalışmada tartışılan tüm topolojiler için δ 1 olarak varsayılır.

CF = N_s + N_sw + N_sürücü + N_D + N_C + δ*TSV(p.U.) (26)

İnvertörün verimliliği genellikle denklem (27) olarak ifade edilir.

(27)

burada güç çıkışı, güç girişi ve güç kayıpları sırasıyla P_çıkış, P_in ve P_kayıpları ile temsil edilir. Anahtarlama kayıpları ve iletken kayıpları, önerilen topolojide üç tür güç kaybıdır. Anahtarlama kayıpları: Bu kayıplar, cihazların tek bir döngüde hızla açılıp kapatılmasından kaynaklanır. Bu formül, geçişlerin yarattığı anahtarlama kayıplarını ifade etmek için kullanılır.

 

(28)

(29)

i. anahtarın açma kaybı, kapama kaybı ve kapalı durum voltajı sırasıyla P_swlturnon(i), P_swltunoff(i) ve V_swoff ile gösterilir. i_açık ve _{i kapalı}, anahtarın açık ve kapalı durumlarındaki akımları temsil eder. (30) denklemi bu kayıpların nasıl toplanarak toplam anahtarlama kayıplarını (P_sw(Toplam)) belirlediğini gösterir.

(30)

İletken kayıpları: Bir anahtarın iletken kayıpları şu şekilde temsil edilir:

(31)

(32)

burada V_don ve V_swon sırasıyla diyot ve anahtarın açık durum gerilim düşüşlerini temsil eder; P_Dcon ve P_swcon ise diyot ve anahtarın iletken kayıplarını temsil eder. Diyot ve anahtarın açık durum direnci R_Don ve R_swon ile temsil edilirken, anahtarın ortalama ve RMS akımları i_Davg, i_swavg, i_Drms ve i_swrms ile temsil edilir.

Seçilen cihazlar için, PLECS yarı iletken modellerinin yapılandırılmasında standart veri sayfası tabanlı özellikler kullanılır. Anahtarlama kayıpları (P_açık,_{P kapalı}), iletken parametreleri (R_Don, V_Don) ve termal dirençler, nominal veri sayfası değerleri kullanılarak tanımlanır ve üretici verilerinden tam eğri uyumu sağlanamadığında anlık çalışma koşullarına göre PLECS tarafından dahili olarak ölçeklendirilir.

Şekil 10'da gösterilen PLECS simülasyon platformunu kullanarak, güç kaybını değerlendirmek için kayıp analizi yapıyoruz; hem iletken hem de anahtarlama kayıpları için cihaz düzeyindeki özellikleri dikkate alıyoruz. Kayıpların dağılımının yüke bağlı olarak dramatik şekilde değiştiğini görüyoruz. İletken kayıpları, belirli anahtarların sürekli akım akışı yaşaması nedeniyle tamamen dirençli yükleme altında baskındır. Öte yandan, voltaj ile akım arasındaki faz gecikmesi, RL yüklerinde anahtarlama kayıplarının artmasına ve bu da anahtarlama geçişlerinde enerji kaybının artmasına yol açar. Şekiller 11A ve 11B bu davranışı gösterir; bazı anahtarlar iletken rollerine göre sürekli olarak daha yüksek kayıp konsantrasyonları gösterir.

Şekil 12'de gösterildiği gibi, invertörün toplam verimliliği, çeşitli çalışma koşullarında (0–2000 W) çıkış gücü ile giriş gücü karşılaştırılarak hesaplanır. Bulgularımıza göre, verimlilik daha düşük güç seviyelerinde %98,6'dan oranlı koşullara yakın %97,1'e düşüyor. Bu eğilimi, akım büyüklüğü arttığında anahtarlama ve iletken kayıplarının daha fazla katkı sağladığını belirterek açıklıyoruz. Gözlemlenen değişim, kayıp mekanizmalarının daha yüksek yük seviyelerinde daha belirgin hale geldiğini ve verimlilik iyi olsa da termal tasarımda dikkate alınması gerektiğini gösteriyor.

Bu performans ölçütlerinin simülasyon koşullarında türetildiğini vurgulamak önemlidir; bu koşullar basitleştirilmiş parazitik modelleme ve idealize edilmiş anahtarlama davranışını öngörmektedir. Gerçek dünya uygulamalarında, ölü zaman ekleme, kapı sürücü gecikmeleri, sapan endüktanslar ve sıcaklığa bağlı cihaz özellikleri gibi diğer unsurlar verimlilik ve kayıp dağılımını değiştirebilir. Sonuç olarak, sonuçlar karşılaştırma değerlendirmesi için tutarlı bir temel sunsa bile, tüm gerçek dünya operasyonel etkilerini tam olarak kapsamıyor. TSV, verimlilik ve kayıp dağılımı, çok katmanlı inverter analizinde kıyaslama kriteri olarak sıkça kullanılır ve bu çalışmada kullanılan performans değerlendirme yaklaşımı, bu alanda kabul gören prosedürlerle uyumludur. Ancak, bu çalışmada ele alınan topoloji, anahtarlama tekniği ve çalışma koşullarının nicel sonuçlara doğuştan bağlı olduğunu belirtiyoruz.

Literatürden önerilen asimetrik on beş seviyeli invertör ve birkaç çok katmanlı invertör topolojisi, Tablo 3'te karşılaştırılmıştır. Anahtar sayısı, DC kaynaklarının sayısı, kontrol tekniği ve genel çalışma özellikleri gibi temel yapısal ve performansla ilgili faktörler karşılaştırmanın odağı konumunda. 24,25'teki gibi bazı akım düzenlemelerinin daha fazla anahtar kullandığı (16'ya kadar) veya hibrit veya yüksek frekanslı modülasyon tekniklerine dayandığı ve bunun kontrol karmaşıklığının artmasına ve anahtarlama kayıplarına yol açabileceği gözlemlenmiştir. Farklı modülasyon şemaları ve tasarım sınırlamaları altında çalışsalar da,²⁷ gibi diğer azaltılmış anahtar topolojileri daha düşük cihaz sayısına ulaşır.

Düşük frekanslı SHE tabanlı bir kontrol çerçevesi altında, önerilen mimari, on anahtar ve üç DC kaynağı kullanarak on beş seviyeli bir çıkış üretir. Bazı referans tasarımlarla karşılaştırıldığında, topoloji daha düşük anahtar sayısı ve bu kurulum ile çalışma durumu için orta düzeyde toplam sabit voltaj (TSV) gösterir. Yine de, sunulan karşılaştırmaların literatürden alınan verilere dayandığı ve tüm çalışmaların aynı işletim koşullarını, modülasyon sistemlerini ve yük varsayımlarını kullanmadığı vurgulanmalıdır. Sonuç olarak, doğrudan bire bir performans eşdeğerliğini kanıtlamak imkansızdır. Tamamen uyarılmış bir temel önermek yerine, bu karşılaştırma yapısal ve ima edici bir değerlendirme sunmayı amaçlamaktadır. Genel olarak, değerlendirilen çalışma aralığı içinde, önerilen yapılandırma bileşen sayısı, kontrol karmaşıklığı ve harmonik performans arasında uygulanabilir bir denge sağlar.

Sonuçlar

Simülasyon sonuçları

On beş seviyeli işlem, MATLAB/Simulink arayüzü kullanılarak simüle edilir. Yük parametreleri sırasıyla 100 Ω ve 100 mH'dir ve on beş seviyenin kaynak voltajları 100 V, 200 V ve 400 V olarak sınıflandırılır. Önerilen inverter, temel frekansı olan 50 Hz'de çalışır. Dirençli yükleme koşullarında invertör performansı Şekil 13'te gösterilmiştir. Şekil 14 , invertörün ç...

Tartışma

Bu makalede indirgenmiş anahtarlı asimetrik on beş seviyeli invertör topolojisi, yapay zeka destekli seçici harmonik eliminasyon (SHE) tekniğiyle birleştirilmiştir. Önerilen düzenleme, güneş sistemleri ve elektrikli sürücü arayüzleri gibi orta gerilim uygulamaları için uygundur çünkü anahtar sayısı, toplam sabit voltaj (TSV) ve harmonik performans arasında iyi bir denge sağlar. Topoloji, nominal çalışma koşullarında %97,1'i aşan yüksek kaliteli basamaklı voltaj dalga formları üretebilir;...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Current Sensor	Hall-effect sensörü	—	Akım ölçümü için kullanılır
DC Güç Kaynağı (Yalıtımlı)	Laboratuvar Kaynağı	—	10 V, 20 V, 40 V izole DC kaynakları
Dijital Depolama Osiloskopu (DSO)	Tektronix	—	Dalga formu gözlemi ve ölçümü için kullanılır
DSP Kontrolörü	Texas Instruments	TMS320F28379D	Darbe üretimi ve kontrol uygulaması için kullanılır
Kapı Sürücü Devresi	Özel Yapılmış Sürücü IC	IR2110	MOSFET geçiş kontrolü için kullanılır
Endüktif Yük	—	—	30 mH indüktör
MATLAB/Simulink	MATLAB	Versiyon (2025a)	Simülasyon ve analiz için kullanılır
MOSFET	Infineon	IRFP460	İnvertörde kullanılan 500 V, 20 A güç anahtarı
PCB / Breadboard Kurulumu	Özel	—	Donanım uygulaması için kullanılır
Kişisel Bilgisayar	—	—	Simülasyon ve DSP programlama için kullanılır
PLECS Yazılımı	PLECS	Versiyon (5.0.3.)	Termal ve kayıp analizi için kullanılır
Güç Diyot	ON Semiconductor	MUR860	600 V, 8 A hızlı geri kazanım diyot
Güç Kaynağı Ünitesi	—	—	Kontrol ve sürücü devreleri için yardımcı kaynak
Dirençli Yük	—	—	30 Ω güç direnci
Voltaj Probu	Tektronix	—	Gerilim dalgası alımı için kullanılır