模拟单相多电平逆变器拓扑结构的分布式能源资源使用多输入

b .苏雷什·库马尔¹,GantaJoga饶²

M。科技学者,EEE称,Chirala工程学院,Chirala、印度
副教授,EEE称,Chirala工程学院,Chirala、印度

文摘

在微型智能电网"系统中,单相逆变器通常用于分布式energyresource (DER)。为了减少转换损失,消除变压器和降低电力设备将降低成本和zise转换器。本文的目的是构建模拟七levelmultistring逆变器拓扑基于各级直流对交流系统。摘要高升压转换器使用前端阶段改善传统提高转换器和稳定产量的conversionefficiency直流电压等各级各类光伏和燃料cellmodules使用简化的多电平逆变器。7级逆变器只需要六活跃switchesinstead传统级联H-bridgeinverter所必需的8小时。此外,两个activeswitches线频率下运行。simulatedseven水平字符串逆变器拓扑提供了这样强大的优势asimproved输出波形,小过滤器的大小,lowmagnetic interferenceand谐波失真。仿真结果表明引进建议的解决方案。

关键字

直流/交流电源转换,多电平逆变器

介绍

鉴于公众关注全球变暖和气候变化,多努力都集中在开发环境友好的分布式能源资源(单)。提供优质电力效率高,可靠性和电能质量,集等各级interfaceconverters光伏、风力发电、微型燃气轮机、燃料电池的微型智能电网"系统近年来成为不危急的问题[1]- [4]。在这样的系统中,mostDERs通常提供一个直流电压变化在一个宽rangeaccording各种负载条件。因此,需要一个DC / AC powerprocessing接口,依从的withresidential,工业和公用电网标准[4]——[7]。开发了各种变换器拓扑forDERs[7],[16]演示有效功率流controlperformance是否在短时间或stand-aloneoperation。其中,解决方案,采用高频变压器或不使用变压器beeninvestigated减少尺寸,重量,和费用。对于lowmediumpower应用程序,国际标准允许使用的发电功率转换器没有galvanicisolation,从而允许所谓的一个¢transformerlessA¢架构[7],[12]。levelincreases此外,输出电压,输出谐波含量invertersdecreases,允许使用较小和较expensiveoutput过滤器。因此,各种多电平拓扑通常表现为强烈的减少switchingvoltages在电源开关,允许减少ofswitching功率损耗和电磁干扰(EMI) [8], [11]。与一个辅助电路的单相多管五级inverterintegrated最近提议forDC /交流电源转换[12],[13]。 This topology used in thepower stage offers an important improvement in terms oflower component count and reduced output harmonics.Unfortunately, high switching losses in the additional auxiliarycircuit caused the efficiency of the multistring five-levelinverter to be approximately 4% less than that of theconventional multistring three-level inverter [13]. In [14], anovel isolated single-phase inverter with generalized zero vectors (GZV) modulation scheme was first presented tosimplify the configuration. However, this circuit can still onlyoperate in a limited voltage range for practical applicationsand suffer degradation in the overall efficiency as the dutycycle of the DC-side switch of the front-end conventionalboost converter approaches unity [6], [14]. Furthermore, theuse of isolated transformer with multi-windings of the GZV based inverter results in the larger size, weight, and additionalexpense [14].To overcome the above-mentioned problem, the objectiveof this paper is to study a newlyconstructed transformerlessfive-level multistring inverter topology for DERs. In this paper,the foresaid GZV-based inverter is reduced to a multistringmultilevel inverter topology that requires only six activeswitches instead of the eight required in the conventionalcascaded H-bridge (CCHB) multilevel inverter [16]. Inaddition, among them, two active switches are operated underline frequency. In order to improve the conversion efficiencyof conventional boost converters, a high step-up converter [26]is also introduced as a front-end stage to stabilize the outputDC voltage of each DER modules for use with the simplifiedmultilevel inverter. The newly-constructed inverter topologyoffer strong advantages such as improved output waveforms,smaller filter size, and lower EMI and total harmonicsdistortion (THD). In this paper, the operating principle of thedeveloped system is described, and a Simulation is constructedfor verifying the effectiveness of the topology.

操作系统配置原则

概述不同类型的光伏(PV)模块或燃料电池逆变器在[9]。各级原理提出了一种多管多电平逆变器的应用程序。图1所示的多管逆变器是一个字符串逆变器,进一步发展,一些字符串是干扰他们自己的一个常见的逆变器直流/直流转换器。这个集中的系统是有益的因为每个字符串可以单独控制。因此,运营商可能会开始自己的PV /燃料电池发电厂与几个模块。进一步放大很容易实现,因为一个新的字符串直流/直流转换器可以插入现有的平台,使一个灵活的设计效率高[9]。本研究中使用的单相多管多电平逆变器拓扑结构是图2所示。这种拓扑配置包括两个高升压DC / DC转换器连接到各自的直流母线电容器和一个简化的多电平逆变器。输入源,DER模块1,DER模块2连接到逆变器后通过高线性电阻负载升压DC / DC转换器。研究简化五级逆变器是用来代替传统的阶段性格(PD)脉冲宽度调制(PWM)逆变器,因为它提供了强大的优势,例如改善输出波形,较小的滤波器尺寸,和较低的电磁干扰和。 It should be noted that, by using the independent voltage regulation control of the individual high step-up converter, voltage balance control for the two bus capacitors Cbus1, Cbus2 can be achieved naturally.

答:高升压转换器阶段:

在这项研究中,介绍了高升压变换器拓扑来提高和稳定输出直流电压等各级各类光伏和燃料电池模块的就业提出了简化的多电平逆变器。高升压转换器最初引进的体系结构,描述在图2中,并由不同的变换器拓扑:提振,回程,电荷泵电路。高升压转换器的耦合线圈图2可以建模为一个理想变压器,磁化电感和漏电感。根据磁化电感的电压秒平衡条件,一次绕组的电压可以派生whereVin代表每个低压直流能源inputsource和二次绕组的电压与boost变换器的地位,thecharge-pump电容器的电压Cpumpand夹电容器Cc可以beexpressed

(1)

因此,电压转换比step-upconverter高,命名为输入电压总线电压比,可以bederived [26]

(2)

b .简化多级逆变阶段

协助解决问题引起的麻烦powerstages和复杂的传统multilevelinverters控制电路,这工作报告一个新的单相multistringtopology,作为一种新的基本电路在图3中。指图2,它应该假定,在thisconfiguration两个电容器的电容voltagedivider直接连接在直流总线和allswitching组合被激活在输出循环。Thedynamic两电容电压平衡控制的isautomatically前高step-upconverter阶段。然后,我们可以假设Vs1 = Vs2 = Vs。

这个拓扑结构包括六个功率切换更少比CCHB与八个功率开关逆变器——whichdrastically降低了电源电路复杂性和simplifiesmodulator电路设计和实现。介绍了PD PWMcontrol方案产生开关信号和产生五个输出电压等级:0,VS, 2对,VS和2 VS。这个逆变器拓扑结构使用了两个载波信号和onereference生成PWM开关信号。Themodulation策略及其实现逻辑方案在图4 (a)和(b)是一种广泛使用的替代dispositionmodulation阶段。除了一个偏移值equivalentto载波信号振幅,两个比较器是在计划使用相同的载波信号Vtri1和Vtri2提供高频开关信号开关Sa1, Sb1, Sa3 Sb3。另一个比较器是用于零crossingdetection提供linefrequency切换信号forswitches Sa2 Sb2。

方便起见,theswitch的开关函数图3定义如下:表1列出了切换组合生成therequired五输出水平。多电平逆变器的相应operationmodes asfollows阶段描述清楚:

(3)

(4)

(1)积极最大输出,2 vs:有源开关Sa2 Sb1,和Sb3;电压应用于过滤is2VS L-C输出。

(2)Half-level积极输出+ Vs:这个输出条件可以由两个不同的切换组合。Oneswitching组合是这样活跃的开关Sa2 Sb1, Sa3are;另一种是这样活跃的开关Sa2 Sa1, Sb3。在这个操作阶段,电压L-Coutput过滤器+ Vs。

(3)零输出,0:这个输出条件可以形成byeither两开关结构。一旦离开或rightswitching腿,负载短路,和thevoltage应用于负载终端是零。

(4)Half-level负输出,vs:这个输出条件可以引起的两种不同的switchingcombinations。一个开关组合activeswitches Sa1, Sb2, Sb3上;另一种是这样activeswitches Sa3 Sb1, Sb2。

(5)最大负输出,2 vs:在这个阶段,activeswitches Sa1, Sa3,和Sb2, L-C输出滤波器的电压是2 vs。在这些操作,它可以观察到,有功功率的openvoltage压力开关Sa1, Sa3, Sb1, Sb3 areequal输入电压VS;此外,主要活性switchesSa2和Sb2操作频率。因此,结果新拓扑的开关损失reducednaturally,和整体提高转换效率。核实单相five-levelinverter的可行性,一种广泛使用的应用软件程序PSIM模拟电路根据先前mentionedoperation原则。图4所示的控制信号块;m (t)是正弦调制信号。

Vtri1和Vtri2是两个三角载波信号。的峰值和频率正弦调制信号给出asmpeak = 0.7和调频= 60 hz,分别。三角调制信号的峰间值值等于1,和theswitching频率ftri1和ftri2都给出1.8 khz。的两个输入电压源喂养高step-upconverter控制在100 v,即Vs1 = Vs2 = 100 v。Thesimulated相电压波形的水平isshown图5。的开关电压Sa1 Sa2, Sa3 Sb1, Sb2, Sb3都是图6所示。很明显的voltagestresses开关Sa1, Sa3, Sb1,和Sb3都等于to100V,只有另外两个开关Sa2必须200 Sb2 vvoltage压力。

c与CCHB逆变器进行比较

的平均开关功率损耗Ps开关由于这些转换可以被定义为tc tc(上)和(下)是接通和断开crossoverintervals,分别;VDS是电压开关;Io是整个流动的电流通过开关。相比CCHB电路拓扑结构如图7所示,八个开关的电压应力CCHBinverter都等于Vs.For简化,提出了电路和CCHBinverter都在相同的刺激和turn-offcrossover间隔和Io负载。然后,averageswitching功率损耗Ps VDS公司和金融服务管理局根据情商成正比。(8)的切换损失CCHB逆变器从八个开关可以获得同样的,提出的开关功率损耗singlephasefivelevel六开关逆变器由于也可以beobtained因为开关Sa2 Sb2只能激活两次艾琳时期(60 hz)和开关频率要比行较大的频率(f > > fm), theproposed电路的切换损失接近4粘胶短纤。显然,theswitching CCHB逆变器的功率损耗是将近一半。考虑逆变器的谐波输出voltageVAB,基本的振幅和输出电压还有VAB harmoniccomponents PSIMsoftware计算。采用相移PWM技术theCCHB逆变器。CCHB多级逆变器和这项研究多电平逆变器在相同条件下,包括相同的开关频率18 khz,马samemodulation指数相同的输入电压VS = 100 v输出L-C过滤器,Lo = 420哦,= 4.7佛罗里达大学。

仿真结果

促进工作原理的理解和验证,仿真系统与高升压DC / DC变换器阶段和简化多级DC / AC上市阶段建立相应的参数。前两个的规格高升压DC / DC转换器(a)输入电压30 v;(b)控制输出电压100 v;和(c)切换频率85千赫。的相应规范简化多级DC / AC逆变阶段(1)输出功率,阿宝= 230 w;(2)输入电压,Vs = 100 v;(3)输出电压,签证官= 110 vrms;(4)线频率、调频= 60赫兹;(5)开关频率,fs = 40千赫;(6)峰值调制指数,mpeak = 0.76。 For better understanding, the guidelines and considerations of the DC-link capacitance and the use of an L-C output filter at the output are described as follows.

答:上浆直流环节电容

讨论了两级DC / AC转换系统,直流环节电容大小保持电压波动在指定范围内,防止直流总线上的过电压。

电容和电压极限之间的关系,计算净功率流入公共汽车电容器,例如DClink电容器,表示为在pd的总输出功率DER模块,和签证官和Io AC-side数量达到顶峰。

假设稳态操作条件,净平均功率流为零,瞬时功率流入公共汽车电容Cbusis pde因为2 wt。集成这个表达式提供了能量,将能量储存在电容器的峰值变化与通风装置,最大峰值总线电压,通风装置,最小是总线电压的最小值,cbu = Cbus1×Cbus2 / (Cbus1 + Cbus2)。讨论的电压偏差是由二级转换系统在这项研究中,一个设计的极限最大ΔVbus = 10 v是选择维持母线电压在额定电压的半导体,目前通常是200 v,减少输出电压的三阶谐波发生。

对于上述问题,电容Cbus1和Cbus1现在选为2000μf,分别。应该注意的是,为简化,公车电容选择对于这种情况只是基于电压偏差规范。

b .选择输出L-C过滤器

输出L-C过滤器是在开关频率如下:fsis的切换频率,Lo和公司的电感和电容输出L-C滤波器,分别。简化的单相逆变器的仿真结果阶段在额定输出功率无花果。8 - 10所示。

无花果。8 - 9显示了PWM信号和电压应力的六个五级逆变器功率开关,分别。很明显,开关的电压应力Sa1, Sa3, Sb1,和Sb3都等于100 v,只有另外两个开关Sa2 Sb2必须200 v电压应力。

Fig.9显示输出电压稳态波形vo,输出电流io, L-C输出滤波器和电压终端还有VAB,分别为逆变器的电阻负载51Ω。

我们可以看到在图8中,波形显示所需的五个电压等级:200 v, 100 v, 0 v, -100 v和-200 v。看到大约110 v的RMS值测量,同时测量的均方根值信息系统约2.12。实现逆变器的转换效率和输出电压的测量,在这种情况下约96%和3%,分别。

结论

这工作报告一个新建单相多管多电平逆变器拓扑结构产生显著减少所需的电力设备数量来实现多级各级输出。研究了逆变器拓扑提供了强大的优势,例如改善输出波形,过滤器尺寸较小,降低EMI和拉力。仿真结果表明提出的解决方案的有效性。本文提出了一种新的小说不对称多管多级转换器。在这里,我们提出了单相和三相多管多级逆变器,该转换器产生更多的电压水平较低数量的开关相比,H -桥接配置。这将减少开关损耗和门驱动和保护电路的数量从而降低了电路的成本和复杂性。最后的三阶段模型提出了电路和仿真结果显示。

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