A new multilevel inverter topology, controlled by the pulse width and height modulation (PWHM) technique, with a reduced number of switches

• Autorzy: Brahami M.N. , Bousmaha I.S. , Boudjella S. , Boudjella FZ. , Brahami M. , Bechekir S.E. , Mabrouk Khelifi El

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.08.37

Warianty tytułu

PL

Nowa topologia inwertera wielopoziomowego, sterowana techniką modulacji szerokości i wysokości impulsu (PWHM) ze zmniejszoną liczbą przełączników

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Energy harvesting from renewable energy sources is trending in the world due to inventions in modern technology. The electricity generation through a grid-connected PV (photovoltaic) system is of great interest to developing countries. PV systems generate electricity in the form of direct current, while most loads use alternating voltage. Therefore, DC-AC (direct current- alternative current) converters are necessary to supply loads with alternating current and to be able to feed the produced energy into the electrical grid. Indeed, the presence of current or voltage harmonics leads to disturbances in electrical networks. The most well-known adverse effects of harmonic pollution include malfunctions in certain electrical equipment, conductor heating, interference with telecommunication networks, and resonance phenomena with elements composing the network. Improving the performance of a photovoltaic system relies on choosing appropriate control strategies and inverter topologies. Purpose. The objective of this article is to study and implement a static converter (DC-AC) for photovoltaic systems, ensuring efficient adaptation between the energy source and consumers. Novelty. A new multilevel inverter topology with a reduced number of switches is proposed in this article. Method. The inverter is controlled by pulse width and height modulation technique to enhance the quality of the extracted energy and optimize total harmonic distortion (THD) by eliminating low-order harmonics close to the fundamental frequency, while reducing switching losses. Practical value. A detailed study of the proposed new topology (Figure 1), as well as a Fourier series decomposition of the output waveform obtained from the multilevel inverter (Equations 1-28), has been presented to improve the quality of the energy injected into the grid. Simulation results have demonstrated the effectiveness of the employed method (Figures 4-7). A comparison of the proposed topology is made with other conventional inverter topologies in terms of component requirements (Table 1). This comparison highlights the advantage of the proposed topology in terms of component count, particularly for a higher number of voltage levels.

PL

Pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych jest trendem na świecie ze względu na wynalazki w nowoczesnej technologii. Generowanie energii elektrycznej za pośrednictwem podłączonego do sieci systemu PV (fotowoltaicznego) jest bardzo interesujące dla krajów rozwijających się. Systemy PV wytwarzają energię elektryczną w postaci prądu stałego, podczas gdy większość obciążeń wykorzystuje napięcie przemienne. Dlatego konwertery DC-AC (prąd stały-prąd alternatywny) są niezbędne do zasilania obciążeń prądem przemiennym i do przekazywania wytworzonej energii do sieci elektrycznej. Rzeczywiście, obecność harmonicznych prądu lub napięcia prowadzi do zakłóceń w sieciach elektrycznych. Najbardziej znane negatywne skutki zanieczyszczenia harmonicznymi obejmują awarie niektórych urządzeń elektrycznych, nagrzewanie się przewodów, zakłócenia w sieciach telekomunikacyjnych i zjawiska rezonansu z elementami tworzącymi sieć. Poprawa wydajności systemu fotowoltaicznego polega na wyborze odpowiednich strategii sterowania i topologii falowników. Cel. Celem tego artykułu jest zbadanie i wdrożenie konwertera statycznego (DC-AC) dla systemów fotowoltaicznych, zapewniającego skuteczną adaptację między źródłem energii a odbiorcami. Nowość. W tym artykule zaproponowano nową topologię falownika wielopoziomowego ze zmniejszoną liczbą przełączników. Metoda. Falownik jest sterowany techniką modulacji szerokości i wysokości impulsu w celu zwiększenia jakości wyodrębnionej energii i zoptymalizowania całkowitych zniekształceń harmonicznych (THD) poprzez wyeliminowanie harmonicznych niskiego rzędu zbliżonych do częstotliwości podstawowej, przy jednoczesnym zmniejszeniu strat przełączania. Wartość praktyczna. Przedstawiono szczegółowe badanie proponowanej nowej topologii (rysunek 1), a także rozkład szeregu Fouriera przebiegu wyjściowego uzyskanego z falownika wielopoziomowego (równania 1-28), aby poprawić jakość energii wstrzykiwanej do sieci. Wyniki symulacji wykazały skuteczność zastosowanej metody (rysunki 4-7). Dokonano porównania proponowanej topologii z innymi konwencjonalnymi topologiami falowników pod względem wymagań dotyczących komponentów (tabela 1). Porównanie to podkreśla zaletę proponowanej topologii pod względem liczby komponentów, szczególnie w przypadku większej liczby poziomów napięcia.

Słowa kluczowe

EN

topology; multilevel inverter; height modulation PWHM; renewable energy source; microgrid

PL

topologia; falownik wielopoziomowy; modulacja szerokości i wysokości impulsu PWHM; odnawialne źródła energii

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 8
• Strony: 178--184
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys.

Twórcy

autor

Brahami M.N.

• Djillali Liabes University of Sidi Bel Abbes, Algeria
• ICEPS Laboratory, Djillali Liabes University of Sidi-Bel-Abbes, Algeria

autor

Bousmaha I.S.

• ESSA-Tlemcen, Ecole Supérieure en Sciences Appliquées de Tlemcen, ESSA Tlemcen. BP 165 RP Bel Horizon, Tlemcen 13000, Algerie
• ICEPS Laboratory, Djillali Liabes University of Sidi-Bel-Abbes, Algeria

autor

Boudjella S.

• University of Mascara, Algeria

autor

Boudjella FZ.

autor

Brahami M.

• Djillali Liabes University of Sidi Bel Abbes, Algeria
• ICEPS Laboratory, Djillali Liabes University of Sidi-Bel-Abbes, Algeria

autor

Bechekir S.E.

• Djillali Liabes University of Sidi Bel Abbes, Algeria
• ICEPS Laboratory, Djillali Liabes University of Sidi-Bel-Abbes, Algeria

autor

Mabrouk Khelifi El

• Djillali Liabes University of Sidi Bel Abbes, Algeria
• ICEPS Laboratory, Djillali Liabes University of Sidi-Bel-Abbes, Algeria

Bibliografia

• [1] BRAHAMI, Mohammed Nadjib, BOUDJELLA, Fatima Zohra, NEMMICH, Said, et al. IDENTIFYING OPTIMAL ORIENTATION OF A PHOTOVOLTAIC GENERATOR FOR OZONE WATER TREATMENT. Environmental Engineering & Management Journal (EEMJ), (2020). vol. 19, no 12.
• [2] MAKA, Ali OM et ALABID, Jamal M. Solar energy technology and its roles in sustainable development. Clean Energy, (2022). vol. 6, no 3, p. 476-483. DOI:
• [3] MOHAMMED, Laith A., HUSSEIN, Taha A., et SADOON, Ahmed T. High performance of multilevel inverter reduced switches for a photovoltaic system. Przeglad Elektrotechniczny, 2022, vol. 98, no 8
• [4] DESHPANDE, Soham et BHASME, N. R. A review of topologies of inverter for grid connected PV systems. Innovations in Power and Advanced Computing Technologies (i-PACT). IEEE, (2017). p. 1-6.
• [5] BOEH, Magnus, LOHNER, Andreas, et EL AMRANI, Noureddine. (2017). Efficiency increasing by a variable DC link voltage in combination with a bang-bang controlled inverter for an automotive application. In: PCIM Europe; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management. VDE2017, p. 1
• [6] BOUDJELLA, Fatima Zohra, BOUKLI HACÈNE, Fouad, BOUCHAKOUR, Abdelhak, et al. Simulation and realisation of a three-phase inverter controlled through sinus triangle and space vector pulse width modulation for photovoltaic systems. International Journal of Ambient Energy (2020) , vol. 43, no 1, p. 2360-2368.
• [7] FERNÁNDEZ, Efrén, PAREDES, Alejandro, SALA, Vicent, et al. A simple method for reducing THD and improving the efficiency in CSI topology based on SiC power devices. Energies, (2018). vol. 11, no 10, p. 2798.
• [8] KARPE, Suraj Rajesh, DEOKAR, Sanjay A., et DIXIT, Arati M. Switching losses minimization and performance improvement of PCC and PTC methods of model predictive direct torque control drives with 15-level inverter. Journal of Electrical Systems and Information Technology, (2018). vol. 5, no 3, p. 759-776.
• [9] Boudjella Fatima Zohra, Bousmaha IS, Bechekir S, Brahami M, Ould Abdesslam D, Contribution of the selective harmonic elimination control to the improvement of the output wave quality of a two-level inverter dedicated to renewable energies. Conférence Internationale sur les sciences et génie des atériaux et leurs impacts sur l’environnement ICMSE-19, Sidi Bel Abbès. (2019).
• [10] AHMED, Sajjad, SAQIB, Muhammad Asghar, KASHIF, Syed Abdul Rahman, et al . A Modified Multi-Level Inverter System for Grid-Tied DES Applications. Sustainability, (2022). vol. 14, no 24, p. 16545.
• [11] MEHTA, Shivinder et PURI, Vinod. A review of different multilevel inverter topologies for grid integration of solar photovoltaic system. Renewable Energy Focus. (2022).
• [12] SURESH, K. et PARIMALASUNDAR, E. A modified multilevel inverter with inverted SPWM control. IEEE Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering, (2022) vol. 45, no 2, p. 99-104.
• [13] BOUSMAHA, Imen Souhila, BECHEKIR, Seyf Eddine, , Djaffar Ould Abdesslam et al. . SHEPWM in three-phase voltage source inverters by modified Newton–Raphson. International Journal of Power Electronics and Drive Systems, (2023), vol. 14, no 1, p. 25.
• [14] DURGALAKSHMI, K., ANBARASU, P., KARPAGAM, V., et al. .Utilization Of Reduced Switch Components With Different Topologies In Multi-Level Inverter For Renewable Energy Applications-A Detailed Review. In : 2022 5th International Conference on Contemporary Computing and Informatics (IC3I). (2022) IEEE. p. 913-920.
• [15] SOLAS, Estibaliz, ABAD, Gonzalo, BARRENA, Jon Andoni, et al.. Modular multilevel converter with different submodule concepts Part I: Capacitor voltage balancing method. IEEE Transactions on Industrial Electronics, (2012) vol. 60, no 10, p. 4525-4535.
• [16] SHI, Xiaojie, LIU, Bo, WANG, Zhiqiang, et al. Modeling, control design, and analysis of a startup scheme for modular multilevel converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, (2015). vol. 62, no 11, p. 7009-7024.
• [17] LI, Rui, FLETCHER, John E., XU, Lie, et al. A hybrid modular multilevel converter with novel three-level cells for DC fault blocking capability. IEEE Transactions on Power Delivery, (2015). vol. 30, no 4, p. 2017-2026
• [18] LAKSHMI, G. Sree, SREESHOBHA, E., et KUMAR, S. Naveen. Comparison of Multilevel Inverters with T-type Inverter. Przeglad Elektrotechniczny, 2023, vol. 99, no 6.
• [19] PARIMALASUNDAR, Ezhilvannan, KUMAR, Nathella Munirathnam Giri, GEETHA, Prahalathan, et al. Performance investigation of modular multilevel inverter topologies for photovoltaic applications with minimal switches. (2022).
• [20] DENG, Fujin et CHEN, Zhe. A control method for voltage balancing in modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Electronics, (2013). vol. 29, no 1, p. 66-76.
• [21] CHAVAN, Prakash, PATIL, Akash, PATIL, Suraj, et al. Smart Grid Integration: Renewable Based Micro Hybrid Power System. Asian Journal For Convergence In Technology (AJCT). (2019).
• [22] AMAMRA, Sid-Ali, MEGHRICHE, Kamal, CHERIFI, Abderrezzak, et al. Multilevel inverter topology for renewable energy grid integration. IEEE Transactions on Industrial Electronics, (2016). vol. 64, no 11, p. 8855-8866.
• [23] MANSOURI, O., ALLAH, M. Khair, MEGHRICHE, K., et al. Three-phase static inverter using a novel precalculated switching method. In : IECON 2007-33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. (2007). IEEE. p. 1530- 1535.
• [24] JARJES, Muhammed K. et HUSSEIN, Taha A. Comparative study of SPWM and SVPWM techniques for the control of three-phase grid connected inverter. Przeglad Elektrotechniczny, 2023, vol. 99, no 5.
• [25] ABED, Adnan Majeed, ALKHAZRAJI, Afaneen Anwer, et ABDULLA, Shatha S. Active and reactive power control in a three-phase Photovoltaic inverter. Przeglad Elektrotechniczny, 2023, vol. 99, no 4

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).