Σχεδιασμός μονοφασικών αντιστροφέων πολλαπλών ασύμμετρων επιπέδων τάσης υψηλής ποιότητας ισχύος

Abstract

The photovoltaic (PV) systems offer multiple advantages for the production of clean energy, and this is the reason why they are placed at the top of investments in the last few years. In order to use the electric energy of the PV panels, by terms of suppling local loads or providing it to the power distribution network the conversion of the DC voltage into AC voltage is necessary. The aforementioned can be achieved by deploying power electronic converters, called inverters. Despite that the classic widely used topologies are reliable, in more and more applications the multilevel inverter technology is used the last years, due to their advantages in lower voltage and power levels, such as increased efficiency and power density. Nevertheless, the adoption of such advanced topologies introduces some limitations. To overcome these limitations constant efforts are made by the academia and industry. In this PhD dissertation, the proper operation of multilevel inverters under asymmetrical voltage levels is thoroughly studied, while a family of hybrid five level inverters are investigated aiming to suppress limitations regarding the strict requirement for symmetrical voltage levels, and the main disadvantage of the increased number of semiconductor devices.Due to the above, a modulation method is proposed, called UniLS-SPWM, tailored to eliminate the increased harmonic contend in the output voltage waveform, which exists when the asymmetrical operation of any multilevel inverter is established. The latter is achieved by regulating the duty cycle and the modulation frequency of the corresponding switches according to the results of the conducted mathematical analysis. The proposed modulation technique can be applied to both classic and hybrid multilevel inverters, extending this way their operating range, while better power quality can be provided. After that, the operation of the CHB multilevel inverter with asymmetrical voltage levels is thoroughly examined, using the proposed UniLS-SPWM technique. More specifically, a method to achieve even lower harmonic distortion is presented, when a higher percentage of asymmetry exists, by deploying a sorting algorithm. Since the CHB multilevel inverter requires multiple isolated voltage sources for correct operation, the energy balance under asymmetrical operation is investigated, and the mechanism (K-ratio) to control the power flow from each independent voltage source is evaluated. Additionally, a generalized and accurate power loss model for the CHB multilevel is derived.As a next step, a family of hybrid five level inverters is examined, offering advantages like, embedded voltage boosting stage with reduced power processing characteristics aiming for increased efficiency, and reduced component count. The aforementioned features make this converter family suitable for modern day PV systems. The topology for the embedded DC/DC stage of the multilevel inverter and its mode of operation is selected according to the conducted mathematical analysis, aiming for increased power density and efficiency.With the aforementioned selections as a basis, analytical formulas are exported to accurately describe the converter power losses. The power loss analysis is then utilized in order to develop an optimization algorithm. With the use of the optimization algorithm the various design parameters of the converter can be defined with accuracy for given specifications, to achieved maximum European weighted efficiency.As a final step, the control methods of the multilevel inverter are described. To accurately design the control loop to regulate both the DC bus voltage, and the inverter output current, when the converter operates in grid-connected mode, small signal analysis is conducted. What is more, an improved control method is presented to effectively regulate the DC bus voltage. To further increase the converter power density, the pseudo-parallel active buffer (P-PAB) mode of operation is introduced. By integrating the proposed P-PAB operation into the embedded DC/DC converter the input capacitance requirements are significantly decreased.The accuracy of the theoretical analysis, control methods and the design procedure presented in this thesis are validated through extensive simulations, while laboratory prototypes are implemented to experimentally confirm the results.

Τα πολλαπλά πλεονεκτήματα, που προσφέρει η χρήση Φ/Β συστημάτων για την παραγωγή ‘‘καθαρής’’ ηλεκτρικής ενέργειας, τα τοποθετούν στην κορυφή των επενδύσεων τα τελευταία χρόνια. Βασική προϋπόθεση για την εκμετάλλευση της ηλεκτρικής ενέργειας των Φ/Β πλαισίων, με σκοπό την απόδοση αυτής είτε στο δίκτυο, είτε σε τοπικά φορτία, είναι η μετατροπή της συνεχούς τάσης στην έξοδό τους σε εναλλασσόμενη. Το προηγούμενο είναι δυνατό με τη χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, οι οποίοι καλούνται αντιστροφείς. Παρόλο που οι κλασικές εγκαθιδρυμένες τοπολογίες αντιστροφέων αποτελούν αξιόπιστες μονάδες ενέργειας, τα τελευταία χρόνια υιοθετούνται σε ολοένα και περισσότερες εφαρμογές τοπολογίες αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων έχοντας ως βασικό πλεονέκτημα στα χαμηλότερα επίπεδα τάσης και ισχύος τον αυξημένο βαθμό απόδοσης και την σημαντική μείωση του όγκου της μονάδας μετατροπής ενέργειας. Ωστόσο, για τη ορθή και αξιόπιστη λειτουργία των αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων πραγματοποιείται διαρκής έρευνα, ώστε να αρθούν οι περιορισμοί που εισάγονται με την υιοθέτηση τέτοιων πολυπλοκότερων τοπολογιών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετάται σε βάθος ορθή λειτουργία αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων με ασύμμετρα επίπεδα στην τάση εξόδου, καθώς και υβριδικές τοπολογίες αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων με στόχο να καμφθούν δύο βασικά μειονεκτήματα, τα οποία σχετίζονται με την αυστηρή απαίτηση για συμμετρικά επίπεδα και με το αυξημένο πλήθος ημιαγωγικών στοιχείων.Για το λόγο αυτό προτείνεται αρχικά μια μέθοδος παλμοδότησης, η UniLS-SPWM, ώστε να επιτυγχάνεται η ορθή λειτουργία των αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων εξασφαλίζοντας χαμηλό αρμονικό περιεχόμενο στα ηλεκτρικά μεγέθη εξόδου. Το προηγούμενο επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας κατάλληλα και όπως επιβάλλεται από τη μαθηματική ανάλυση, τόσο το λόγο κατάτμησης, όσο και τη συχνότητα των διακοπτών, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τη διαμόρφωση του εκάστοτε επιπέδου στην τάση εξόδου ενός αντιστροφέα ν επιπέδων. Με την προτεινόμενη μέθοδο είναι δυνατή η διαμόρφωση της τάσης εξόδου συμβατικών αλλά και υβριδικών τοπολογιών αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων επεκτείνοντας με αυτόν τον τρόπο το εύρος λειτουργίας τους και την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος.Εν συνεχεία, διερευνάται σε βάθος η λειτουργία του αντιστροφέα τύπου CHB, όταν επιτυγχάνεται λειτουργία υπό ασύμμετρα επίπεδα στην έξοδο χρησιμοποιώντας και εξετάζοντας όλες τις πτυχές τις UniLS-SPWM τεχνικής. Ειδικότερα, παρουσιάζεται μια μέθοδος για την περαιτέρω βελτίωση του αρμονικού περιεχομένου σε οριακές περιπτώσεις όπου το ποσοστό ασυμμετρίας είναι σημαντικό, αξιοποιώντας αλγόριθμο ταξινόμησης. Καθότι ο αντιστροφέας τύπου CHB απαιτεί την ύπαρξη πολλαπλών πηγών τάσης για τη λειτουργία του, εξετάζεται ο μηχανισμός με τον οποίο μπορεί να επιτευχθεί ενεργειακό ισοζύγιο υπό ασύμμετρα επίπεδα εφαρμόζοντας την ασύμμετρη κυκλική εναλλαγή φορέων (K-ratio), ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσεται ένα αναλυτικό και γενικευμένο μοντέλο απωλειών ισχύος για την προαναφερθείσα τοπολογία αντιστροφέα.Σε επόμενο βήμα, πραγματοποιείται διερεύνηση της λειτουργίας μιας οικογένειας αντιστροφέων πέντε επιπέδων, η οποία προσφέρει στάδιο ανύψωσης τάσης με χαρακτηριστικά μερικής διαχείρισης ισχύος για την αύξηση της απόδοσης και μειωμένο αριθμό ημιαγωγικών στοιχείων, χαρακτηριστικά κατάλληλα για τα σύγχρονα Φ/Β συστήματα. Πραγματοποιώντας μαθηματική ανάλυση επιλέγεται ο καταλληλότερος τύπος του ενσωματωμένου σταδίου ανύψωσης, καθώς και η περιοχή λειτουργίας αυτού με γνώμονα τη μείωση του όγκου και την αύξηση του βαθμού απόδοσης. Με βάση τις προαναφερθείσες επιλογές διατυπώνονται αναλυτικές σχέσεις οι οποίες περιγράφουν τις απώλειες ισχύος του μετατροπέα, με σκοπό την κατασκευή ενός αλγορίθμου βέλτιστης επιλογής των σχεδιαστικών παραμέτρων του μετατροπέα ώστε να μεγιστοποιείται ο ευρωπαϊκός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης για τις εκάστοτε προδιαγραφές.Έχοντας παρουσιάσει εκτενώς το σχεδιασμό του υβριδικού αντιστροφέα πέντε επιπέδων σειρά έχει η περιγραφή των μεθόδων ελέγχου του. Για το σκοπό αυτό εξάγονται μοντέλα μικρού σήματος για τη σωστή σχεδίαση του βρόχου ελέγχου τόσο της τάσης στο ζυγό συνεχούς τάσης, όσο και της εγχεόμενης ισχύος προς το δίκτυο όταν επιτυγχάνεται διασυνδεμένη λειτουργία του συστήματος, προτείνοντας παράλληλα και μια βελτιωμένη μέθοδο για τον έλεγχο της τάσης ζυγού συνεχούς τάσης. Για την περαιτέρω μείωση του όγκου του αντιστροφέα μελετάται η λειτουργία ψευδό-παράλληλου ενεργού φίλτρου, η οποία ενσωματώνεται στο στάδιο ανύψωσης τάσης, επιτυγχάνοντας έτσι μείωση των απαιτήσεων για τη χωρητικότητα εισόδου του αντιστροφέα.Η ακρίβεια της θεωρητικής ανάλυσης, των μεθόδων ελέγχου αλλά και σχεδιασμού που παρουσιάζονται στα πλαίσια της παρούσας επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων, ενώ κατασκευάζονται και εργαστηριακά πρωτότυπα για την πειραματική επιβεβαίωση των παραπάνω.