Modüler çok seviyeli dönüştürücüler için genelleştirilmiş bir kapasitör gerilim dengeleme şeması ve örnekleme frekansı analizi

Öz

Modüler çok seviyeli dönüştürücüler (MÇD), modüler yapısı, yüksek verimliliği ve kaliteli çıkış dalga formu sayesinde orta ve yüksek güçlü endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadırlar. MÇD’ler literatürde yer alan çeşitli darbe genişlik modülasyon teknikleriyle kontrol edilebilmektedirler. Düşük harmonik değerlerde sonuç vermesi ve kolay kontrol imkânı sunması sayesinde en yakın seviye modülasyon (ESM) yöntemi MÇD uygulamalarında tercih edilmektedir. ESM yöntemi için örnekleme frekans değerinin seçimi, MÇD çıkış performans parametreleri açısından önem arz etmektedir. Bununla birlikte, MÇD alt modüllerinde yer alan kapasitör gerilimlerinin referans değerde kalması için kullanılan modülasyon tekniğine uygun olarak gerilim dengeleme algoritmasına da ihtiyaç duyulmaktadır. Bu makalede, ESM yöntemi tabanlı genelleştirilen bir kapasitör gerilim dengeleme algoritması önerilerek, MÇD’nin çıkış parametreleri üzerindeki örnekleme frekansı etkisi analiz edilmiştir. Önerilen algoritma, farklı sayıda alt modül kullanımına göre genelleştirilerek tüm olası alt modül durumlarına uyarlanabilmektedir. Önerilen algoritma sayesinde, kapasitör gerilim dengeleme akış işlemi hızlanmakta, nispeten karmaşık bir algoritmadan ve daha fazla işlemci alanı gereksiniminden tasarruf edilmektedir. Birim zamanda daha fazla sayıda işlem yapılmasıyla ve tüm alt modüllerin olabildiğince eşit oranda kullanımıyla MÇD performansına da olumlu katkı sağlanmaktadır. Ek olarak, alt modül sayısının fazla olduğu MÇD uygulamalarında da önerilen algoritma işlem hızını önemli ölçüde düşürecektir. Bu çalışmada; üç-faz, 7-seviyeli, yarım-köprü alt modül tabanlı MÇD tasarlanmıştır. Önerilen kapasitör gerilim dengeleme algoritması, MÇD’nin üst ve alt kollarına ayrı ayrı uygulanmış ve kol gerilimleri kontrol edilmiştir. Ayrıca, MÇD için çıkış gerilim ve akım dalga formlarının toplam harmonik bozulma ve temel frekans bileşen büyüklük değerinin yanı sıra alt modül kapasitör gerilimlerinin denge kalitesi üzerindeki örnekleme frekansı etkisi ele alınmıştır. Önerilen algoritma kullanılarak farklı durum çalışmaları altında tasarlanan MÇD modelinin performans değerlendirmesi sunulmuştur. ESM yöntemi için gerekli minimum örnekleme frekansının altında ve üzerinde seçilen 0.5, 5 ve 20 kHz değerlerinde MÇD’nin tüm çıkış parametrelerinin ve kapasitör gerilimlerinin değişimleri incelenmiştir. Buna bağlı olarak, tüm parametreler açısından en uygun örnekleme frekans aralığı tespit edilmiştir. Önerilen kapasitör gerilim dengeleme algoritmasının geçerliliği ve uygulanabilirliği farklı durum çalışmaları yardımıyla simülasyon ortamında test edilmiş ve doğrulanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Enerji dönüşüm sistemleri
• Modüler çok seviyeli dönüştürücü (MÇD)
• En yakın seviye modülasyonu (ESM)
• Kapasitör gerilim dengeleme algoritması
• Örnekleme frekansı etkisi

A generalized capacitor voltage balancing scheme and sampling frequency analysis for modular multilevel converters

Öz

Anahtar Kelimeler

• Energy conversion systems
• Modular multilevel converter (MMC)
• Nearest level modulation (NLM)
• Capacitor voltage balancing algorithm
• Sampling frequency effect

Kaynakça

1. [1] Lesnicar A. ve Marquardt R., An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range, 2003 IEEE Bol. PowerTech - Conf. Proc., 3, 272–277, 2003.
2. [2] Kurtoğlu M., Eroğlu F., Arslan A.O. ve Vural A. M., Recent contributions and future prospects of the modular multilevel converters: A comprehensive review, Int. Trans. Electr. Energy Syst., 29, e2763, 2019.
3. [3] Ajaei F.B. ve Iravani R., Dynamic Interactions of the MMC-HVDC Grid and its Host AC System Due to AC-Side Disturbances, IEEE Trans. Power Deliv., 31(3), 1289–1298, 2016.
4. [4] Thitichaiworakorn N., Hagiwara M. ve Akagi H., A Medium-Voltage Large Wind Turbine Generation System Using an AC/AC Modular Multilevel Cascade Converter, IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron., 4(2), 534–546, 2016.
5. [5] Gupta A., Influence of solar photovoltaic array on operation of grid-interactive fifteen-level modular multilevel converter with emphasis on power quality, Renew. Sustain. Energy Rev., 76, 1053–1065, 2017.
6. [6] Liu X., Lv J., Gao C., Chen Z. ve Chen S., A Novel STATCOM Based on Diode-Clamped Modular Multilevel Converters, IEEE Trans. Power Electron., 32(8), 5964–5977, 2017.
7. [7] Du S., Wu B., Zargari N. R. ve Cheng Z., A Flying-Capacitor Modular Multilevel Converter for Medium-Voltage Motor Drive, IEEE Trans. Power Electron., 32(3), 2081–2089, 2017.
8. [8] Quraan M., Yeo T. ve Tricoli P., Design and Control of Modular Multilevel Converters for Battery Electric Vehicles, IEEE Trans. Power Electron., 31(1), 507–517, 2016.

9. [9] Pereda J.ve Green T.C., Direct Modular Multilevel Converter with Six Branches for Flexible Distribution Networks, IEEE Trans. Power Deliv., 31(4), 1728–1737, 2016.
10. [10] Amankwah E.K., Watson A.J. ve Clare J.C., Operation of a hybrid modular multilevel converter during grid voltage unbalance, IET Gener. Transm. Distrib., 10(12), 3102–3110, 2016.
11. [11] António-Ferreira A., Collados-Rodríguez C. ve Gomis-Bellmunt O., Modulation techniques applied to medium voltage modular multilevel converters for renewable energy integration: A review, Electr. Power Syst. Res., 155, 21–39, 2018.
12. [12] Deng Y., Wang Y., Teo K. H. ve Harley R. G., A simplified space vector modulation scheme for multilevel converters, IEEE Trans. Power Electron., 31(3), 1873–1886, 2016.
13. [13] Far AAJ., Hajian M., Jovcic D. ve Audichya Y., High-power modular multilevel converter optimal design for DC/DC converter applications, IET Power Electron., 9(2), 247–255, 2016.
14. [14] Moranchel M., Huerta F., Sanz I., Bueno E. ve Rodríguez F. J., A comparison of modulation techniques for modular multilevel converters, Energies, 9(1091), 2016.
15. [15] Wang J., Han X., Ma H. ve Bai Z., A hybrid modular multilevel converter topology with an improved nearest level modulation method, J. Power Electron., 17(1), 96–105, 2017.
16. [16] Moranchel M., Bueno E.J., Rodriguez F.J. ve Sanz I., Implementation of nearest level modulation for Modular Multilevel Converter, 2015 IEEE 6th Int. Symp. Power Electron. Distrib. Gener. Syst. PEDG 2015, 2015.
17. [17] Si G., Zhu J., Lei Y., Jia L. ve Zhang Y., An enhanced level-increased nearest level modulation for modular multilevel converter, Int. Trans. Electr. Energy Syst., 29, e2669, 2019.
18. [18] Hu P. ve Jiang D., A level-increased nearest level modulation method for modular multilevel converters, IEEE Trans. Power Electron., 30(4), 1836–1842, 2015.
19. [19] Jin Y. vd., A Novel Harmonic Control Method for MMC Combining Improved Nearest Level Control and Selective Harmonic Elimination method, 2019 IEEE Energy Convers. Congr. Expo., 6368–6375, 2019.
20. [20] Wu D. ve L. Peng L., Characteristics of nearest level modulation method with circulating current control for modular multilevel converter, IET Power Electron., 9(2), 155–164, 2016.
21. [21] Wang Y., Hu C., Ding R., Xu L., Fu C. ve Yang E., A Nearest Level PWM Method for the MMC in DC Distribution Grids, IEEE Trans. Power Electron., 33(11), 9209–9218, 2018.
22. [22] Nguyen M. H. ve Kwak S., Nearest-Level Control Method with Improved Output Quality for Modular Multilevel Converters, IEEE Access, 2020.
23. [23] Peng H., Xie R., Wang K., Deng Y., He X. ve Zhao R., A Capacitor Voltage Balancing Method With Fundamental Sorting Frequency for Modular Multilevel Converters Under Staircase Modulation, IEEE Trans. Power Electron., 31(11), 7809–7822, 2016.
24. [24] Meshram P. M. ve Borghate V. B., A simplified nearest level control (NLC) voltage balancing method for modular multilevel converter (MMC), IEEE Trans. Power Electron., 30(1), 450–462, 2015.
25. [25] Tu Q. ve Xu Z., Impact of sampling frequency on harmonic distortion for modular multilevel converter, IEEE Trans. Power Deliv., 26(1), 298–306, 2011.
26. [26] Niu J. ve Wang F., The impact of execution frequency in sorting algorithm on nearest level modulated modular multilevel converter, PEDG 2019 - 2019 IEEE 10th Int. Symp. Power Electron. Distrib. Gener. Syst., 582–588, 2019.
27. [27] Dekka A., Wu B., Yaramasu V. ve Zargari N. R., Integrated model predictive control with reduced switching frequency for modular multilevel converters, IET Electr. Power Appl., 11(5), 857–863, 2017.
28. [28] Leon A. E. ve Amodeo S. J., Energy Balancing Improvement of Modular Multilevel Converters Under Unbalanced Grid Conditions, IEEE Trans. Power Electron., 32(8), 6628–6637, 2017.
29. [29] Konstantinou G., Pou J., Ceballos S., Darus R. ve Agelidis V. G., Switching Frequency Analysis of Staircase-Modulated Modular Multilevel Converters and Equivalent PWM Techniques, IEEE Trans. Power Deliv., 31(1), 28–36, 2016.
30. [30] Du S., Dekka A., Wu B. ve Zargari N., Modular Multilevel Converters: Analysis, Control, and Applications, John Wiley & Sons., 2017.
31. [31] Sharifabadi K., Harnefors L., Nee H. P., Norrga S. ve Teodorescu R., Design , Control , and Application of Modular Multilevel Converters for HVDC Transmission Systems Transmission, John Wiley & Sons, 2016.
32. [32] Lesnicar A. ve Marquardt R., A new modular voltage source inverter topology, in 10th European Conference on Power Electronics and Applications, Toulouse, France, 2003.
33. [33] Saeedifard M. ve Iravani R., Dynamic performance of a modular multilevel back-to-back HVDC system, IEEE Trans. Power Deliv., 25(4), 2903–2912, 2010.
34. [34] Peralta J., Saad H., Dennetière S., Mahseredjian J. ve Nguefeu S., Detailed and averaged models for a 401-level MMC-HVDC system, IEEE Trans. Power Deliv., 27(3), 1501–1508, 2012.