Покращення гармонічного складу вихідної напруги в багаторівневих інверторах напруги в режимі оптимуму амплітудної модуляції

Автор(и)

  • Oleksandr Plakhtii Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН» вул. Гвардійців-Широнівців, 3А, м. Харків, Україна, 61153, Україна https://orcid.org/0000-0002-1535-8991
  • Volodymyr Nerubatskyi Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050, Україна https://orcid.org/0000-0002-4309-601X
  • Dmytro Sushko Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050, Україна https://orcid.org/0000-0002-9747-3263
  • Denys Hordiienko Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050, Україна https://orcid.org/0000-0002-0347-5656
  • Hryhorii Khoruzhevskyi Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН» вул. Гвардійців-Широнівців, 3А, м. Харків, Україна, 61153, Україна https://orcid.org/0000-0003-2042-4938

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.200021

Ключові слова:

амплітудна модуляція, коефіцієнт гармонічних спотворень, оптимум синусоїдальності вихідної напруги інвертора

Анотація

Одним із найважливіших параметрів багаторівневих інверторів є синусоїдальність вихідної напруги. Існує досить багато різних алгоритмів модуляції, які дозволяють отримати різні показники синусоїдальності вихідної напруги та різний вміст вищих гармонік. Представлено універсальний алгоритм модуляції, який дозволяє отримати форму вихідної напруги багаторівневого інвертора з будь-якою кількістю ступенів, оптимізовану за вмістом вищих гармонік, а саме за мінімумом коефіцієнта гармонічних спотворень. Запропонований алгоритм дозволяє отримати мінімально можливий THD для будь-якої рівневої напруги. Перевагою запропонованого алгоритму у порівнянні з аналогічними алгоритмами оптимізації є забезпечення менших гармонічних спотворень та його відносна простота. Представлений алгоритм базується на амплітудній модуляції синусоїдального сигналу з 25 % перемодуляцією відносно найвищої дискретності. Представлено аналітичні вирази, що дозволяють визначити час (кут) вмикання кожного ступеня вихідної напруги для формування мінімуму середньоквадратичного значення вищих гармонік. Для підтвердження аналітичної точки оптимуму в програмному середовищі Matlab / Simulink було розроблено ряд багаторівневих інверторів напруги, які формують п’яти-, семи-, -дев’яти та одинадцятирівневу форми вихідної напруги. Проведені дослідження показали, що точки оптимуму для всіх форм багаторівневих напруг досягаються при одному й тому ж коефіцієнті амплітудної модуляції. Показано, що запропонований алгоритм модуляції можливо також застосовувати для регулювання амплітуди та частоти вихідної напруги в багаторівневому інверторі. Представлено регулювальну характеристику вихідної напруги багаторівневого інвертора при амплітудно-імпульсній модуляції

Біографії авторів

Oleksandr Plakhtii, Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН» вул. Гвардійців-Широнівців, 3А, м. Харків, Україна, 61153

Кандидат технічних наук, інженер-електронік

Volodymyr Nerubatskyi, Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки

Dmytro Sushko, Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки

Denys Hordiienko, Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050

Аспірант

Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки

Hryhorii Khoruzhevskyi, Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН» вул. Гвардійців-Широнівців, 3А, м. Харків, Україна, 61153

Інженер-конструктор

Посилання

  1. Chen, F., Qiao, W. (2016). A general space vector PWM scheme for multilevel inverters. 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). doi: https://doi.org/10.1109/ecce.2016.7854687
  2. Dai, P., Guo, G., Gong, Z. (2016). A Selection Precharge Method for Modular Multilevel Converter. International Journal of Control and Automation, 9 (4), 161–170. doi: https://doi.org/10.14257/ijca.2016.9.4.16
  3. Adapa, A. K., John, V. (2019). An Auxiliary-Capacitor-Based Active Phase Converter With Reduced Device Current Stress. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 66 (9), 6925–6935. doi: https://doi.org/10.1109/tie.2018.2877087
  4. Bharadwaj, P., John, V. (2019). Subcell Modeling of Partially Shaded Photovoltaic Modules. IEEE Transactions on Industry Applications, 55 (3), 3046–3054. doi: https://doi.org/10.1109/tia.2019.2899813
  5. Nerubatskyi, V., Plakhtii, O., Ananіeva, O., Zinchenko, O. (2019). Analysis of the Smart Grid concept for DC power supply systems. International scientific journal «INDUSTRY 4.0», 4 (4), 179–182.
  6. Vamanan, N., John, V. (2018). Dual-Comparison One-Cycle Control for Single-Phase Bidirectional Power Converters. IEEE Transactions on Industry Applications, 54 (5), 4621–4631. doi: https://doi.org/10.1109/tia.2018.2836359
  7. Du, S., Dekka, A., Wu, B., Zargari, N. (2017). Modular Multilevel Converters: Analysis, Control, and Applications. John Wiley & Sons. doi: https://doi.org/10.1002/9781119367291
  8. Helmers, E., Weiss, M. (2017). Advances and critical aspects in the life-cycle assessment of battery electric cars. Energy and Emission Control Technologies, 5, 1–18. doi: https://doi.org/10.2147/eect.s60408
  9. Deng, F., Chen, Z. (2015). Voltage-Balancing Method for Modular Multilevel Converters Switched at Grid Frequency. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 62 (5), 2835–2847. doi: https://doi.org/10.1109/tie.2014.2362881
  10. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Sushko, D., Ryshchenko, I., Tsybulnyk, V., Hordiienko, D. (2019). Improving energy characteristics of ac electric rolling stock by using the three-level active four-quadrant rectifiers. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (8 (100)), 6–14. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.174112
  11. Shruti, K. K., Valsalan, T., Poorani, S. (2017). Single phase active front end rectifier system employed in three phase variable frequency drive. International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, 121–129. Available at: https://ijireeice.com/wp-content/uploads/2017/05/IJIREEICE-nCORETech-16.pdf
  12. Kumari, B., Sankar, M. (2014). Modeling and individual voltage balancing control of modular multilevel cascade converter. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology, 2 (1), 42–48.
  13. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Ryshchenko, I., Zinchenko, O., Tykhonravov, S., Hordiienko, D. (2019). Determining additional power losses in the electricity supply systems due to current's higher harmonics. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (8 (97)), 6–13. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.155672
  14. Venkatramanan, D., Bharadwaj, P., Adapa, A. K., John, V. (2019). Power Conversion Technologies for High-Performance AC Micro-grid. INAE Letters, 4 (1), 27–35. doi: https://doi.org/10.1007/s41403-018-00062-6
  15. Martinez-Rodrigo, F., Ramirez, D., Rey-Boue, A., de Pablo, S., Herrero-de Lucas, L. (2017). Modular Multilevel Converters: Control and Applications. Energies, 10 (11), 1709. doi: https://doi.org/10.3390/en10111709
  16. Nerubatskyi, V. P., Plakhtii, O. A., Karpenko, N. P., Hordiienko, D. A., Tsybulnyk, V. R. (2019). Analysis of energy processes in a seven-level autonomous voltage inverter at various modulation algorithms. Information and control systems on railway transport, 5, 8–18. doi: https://doi.org/10.18664/ikszt.v24i5.181286
  17. Plakhtiy, A., Nerubatskyi, V., Tsibulnyk, V. (2019). Stabilization of voltages on capacitors of cells in modular multilevel inverters with space-vector PWM. Bulletin of NTU "Kharkiv Polytechnic Institute" Series: Electrical Machines and Electromechanical Energy Conversion, 20 (1345), 42–52. doi: https://doi.org/10.20998/2409-9295.2019.20.06
  18. Mali, S. M., Patil, B. G. (2018). THD Minimization in Multilevel Inverter Using Optimization Approach. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), 7 (6), 97–100.
  19. Sonia, K., Seshadri, G. (2015). Analysis and modelling of a multilevel inverter in distribution system with FACTS capability. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 4 (5), 3015–3021.
  20. Aghdam, M., Fathi, S., Gharehpetian, G. B. (2008). Harmonic Optimization Techniques in Multi-Level Voltage-Source Inverter with Unequal DC Sources. Journal of Power Electronics, 8 (2), 171–180.
  21. Kurwale, M. V., Sharma, P. G., Bacher, G. (2014). Performance analysis of modular multilevel converter (MMC) with continuous and discontinuous pulse width modulation (PWM). International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 3 (2), 7463–7474. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org/d351/b7b2b80426065468fd39c8d746f70fee1296.pdf
  22. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Karpenko, N., Hordiienko, D., Butova, O., Khoruzhevskyi, H. (2019). Research into energy characteristics of single-phase active four-quadrant rectifiers with the improved hysteresis modulation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (8 (101)), 36–44. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.179205
  23. Zhou J., Suand J., Wang X. (2014). Pre-charging control of modular multilevel converter. High Voltage Apparatus, 50 (4), 103–107.
  24. Solas, E., Abad, G., Barrena, J. A., Aurtenetxea, S., Carcar, A., Zajac, L. (2013). Modular Multilevel Converter With Different Submodule Concepts – Part I: Capacitor Voltage Balancing Method. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 60 (10), 4525–4535. doi: https://doi.org/10.1109/tie.2012.2210378
  25. Plakhtii, O. A., Nerubatskyi, V. P., Hordiienko, D. A., Tsybulnyk, V. R. (2019). Analysis of the energy efficiency of a two-level voltage source inverter in the overmodulation mode. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 4 (172), 68–72. doi: https://doi.org/10.29202/nvngu/2019-4/9
  26. Yang, H., Saeedifard, M. (2017). A Capacitor Voltage Balancing Strategy With Minimized AC Circulating Current for the DC–DC Modular Multilevel Converter. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 64 (2), 956–965. doi: https://doi.org/10.1109/tie.2016.2613059
  27. Kelrykh, М., Fomin, О. (2014). Perspective directions of planning carrying systems of gondolas. Metallurgical and Mining Industry, 6, 64–67.
  28. Fomin, O. (2015). Improvement of upper bundling of side wall of gondola cars of 12-9745 model. Metallurgical and Mining Industry, 1, 45–48.
  29. Nerubatskyi, V., Plakhtii, O., Hordiienko, D., Khoruzhevskyi, H. (2019). Simulation of surge protection according IEC 61000-4-5. International scientific journal «Industry 4.0», 4 (6), 293–296.
  30. Korneliuk, S., Dmitriev, P., Tugay, D. (2019). Empirical support of the mathematical model of the wind turbine WPI. Lighting Engineering & Power Engineering, 2 (55), 68–72. doi: https://doi.org/10.33042/2079-424x-2019-2-55-68-72
  31. Bashir, S. B., Beig, A. R. (2018). An improved voltage balancing algorithm for grid connected MMC for medium voltage energy conversion. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 95, 550–560. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2017.09.002
  32. Plakhtii, O. A., Nerubatskyi, V. P., Kavun, V. Y., Hordiienko, D. A. (2019). Active single-phase four-quadrant rectifier with improved hysteresis modulation algorithm. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 93–98. doi: https://doi.org/10.29202/nvngu/2019-5/16
  33. Scherback, Y. V., Plakhtiy, O. A., Nerubatskiy, V. P. (2017). Control characteristics of active four-quadrant converter in rectifier and recovery mode. Tekhnichna Elektrodynamika, 6, 26–31. doi: https://doi.org/10.15407/techned2017.06.026
  34. Zhemerov, G. G., Krylov, D. S. (2018). Concept of construction of power circuits of a multilevel modular converter and its transistor modules. Electrical Engineering & Electromechanics, 6, 26–32. doi: https://doi.org/10.20998/2074-272x.2018.6.03
  35. Fomin, О. V., Burlutsky, O. V., Fomina, Yu. V. (2015). Development and application of cataloging in structural design of freight car building. Metallurgical and Mining Industry, 2, 250–256.
  36. Franco, V., Zacharopoulou, T., Hammer, J., Schmidt, H., Mock, P., Weiss, M., Samaras, Z. (2016). Evaluation of Exhaust Emissions from Three Diesel-Hybrid Cars and Simulation of After-Treatment Systems for Ultralow Real-World NOx Emissions. Environmental Science & Technology, 50 (23), 13151–13159. doi: https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03585
  37. Nerubatskyi, V., Plakhtii, O., Kotlyarov, V. (2019). Analysis of topologies of active four-quadrant rectifiers for implementing the INDUSTRY 4.0 principles in traffic power supply systems. International scientific journal «Industry 4.0», 4 (3), 106–109.
  38. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Philipjeva, M., Mashura, A. (2019). Research of mathematical models of lithium-ion storages. International scientific journal «Mathematical modeling», 3 (4), 127–130.
  39. Gevorkyan, E. S., Rucki, M., Kagramanyan, A. A., Nerubatskiy, V. P. (2019). Composite material for instrumental applications based on micro powder Al2O3 with additives nano-powder SiC. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 82, 336–339. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.05.010
  40. Meshram, P. M., Borghate, V. B. (2015). A Simplified Nearest Level Control (NLC) Voltage Balancing Method for Modular Multilevel Converter (MMC). IEEE Transactions on Power Electronics, 30 (1), 450–462. doi: https://doi.org/10.1109/tpel.2014.2317705
  41. Tugay, D., Sayenko, Y., Kolontaevsky, Y., Shkurpela, A. (2019). Distributed solar photovoltaic power station conversion system with power filtration function. International Ukraine-Poland Seminar «Power quality in distribution networks with distributed generation», 131–138. doi: http://doi.org/10.32073/iepl.2019.15
  42. Emel'yanov, A. A., Pesterov, D. I., Votyakov, A. S., Gusev, V. M., Beskletkin, V. V., Bystryh, D. A., Gabzalilov, E. F. (2017). K ponimaniyu vektornoy sistemy shirotno-impul'snoy modulyatsii invertora napryazheniya. Molodoy ucheniy, 52 (186), 1–14.
  43. Ramadan, S. Gh., Sarhan, G. M., Yousef, A. Y. (2015). Microcontroller Based Space Vector PWM Control of Three Phase Voltage Source Inverter. HCTL Open International Journal of Technology Innovations and Research (IJTIR), 17, 1–13.
  44. Gaballah, M. M. (2012). Design and Implementation of Space Vector PWM Inverter Based on a Low Cost Microcontroller. Arabian Journal for Science and Engineering, 38 (11), 3059–3070. doi: https://doi.org/10.1007/s13369-012-0464-2

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-04-30

Як цитувати

Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Sushko, D., Hordiienko, D., & Khoruzhevskyi, H. (2020). Покращення гармонічного складу вихідної напруги в багаторівневих інверторах напруги в режимі оптимуму амплітудної модуляції. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(8 (104), 17–24. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.200021

Номер

Том 2 № 8 (104) (2020): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Oleksandr Plakhtii, Volodymyr Nerubatskyi, Dmytro Sushko, Denys Hordiienko, Hryhorii Khoruzhevskyi

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.