Designing and developing nine-level Packed U-Cell (PUC9) inverter for high power applications

Askari Noghani, Kiavash (2019). Designing and developing nine-level Packed U-Cell (PUC9) inverter for high power applications. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

It is a fact that energy consumption has had an increasing trend, and due to economic reasons and environmental concerns, the usage of renewable energies like wind and solar is increasing drastically. Inverters are needed in order to change the produced energy into usable energy for consumers. Although the existing inverters work properly, factories and countries always tend to decrease energy loss and the cost of the components used in producing and ransferring energy. Considering the aforementioned issues, PUC9 inverter could be a suitable choice due to its simplicity, reliability and efficiency and also needing low weight transformers in comparison with other inverters.

The main objectives of this project are reducing the complexity of PUC9 control system, as a result producing an industry-oriented converter, which balances the dc capacitor level as desired, increasing the efficiency of PUC9 inverter, and designing an inverter compatible with adding series inverter together to decrease complexity.

In order to achieve the above mentioned research objectives; first, I do literature review on different types of inverters, especially single dc sources inverters, and check out the design the complexity of each type of reviewed inverter in terms of switching state possibility, the number of their components, advantages and disadvantages, and THD (Total Harmonic Distortion). Afterward, I review some modulation and voltage balancing techniques. Then, PUC9 inverter is theoretically analyzed. After that, I apply model predictive control on PUC9; in addition, I propose one modulation technique on it. On that occasion, I obtain mathematical model of PUC9, simulate it with SimPowerSystem and Matlab Simulink, and validate them experimentally. Finally, I offer nine-level UX-Cell inverter, apply model predictive control and sensorless control technique, simulate it with Matlab Simulink, validate it experimentally, and consider its pros and cons in comparison with PUC9 inverter. For this purpose, I design the PCB of PUC9 and UX-Cell inverter with Altium Design software and test both patents experimentally in stand-alone and grid-connected modes.

Titre traduit

Conception et développement d'un onduleur PUC9 (Packed U-Cell) à neuf niveaux pour les applications à forte puissance

Résumé traduit

Il est indéniable que la consommation d’énergie a tendance à augmenter et que, pour des raisons économiques et environnementales, l’utilisation des énergies renouvelables tels : éolienne et solaire a augmenté considérablement. A cet effet, des onduleurs sont nécessaires pour convertir l’énergie produite en énergie utilisable par les consommateurs. Bien que les onduleurs existants fonctionnent correctement, les efforts pour réduire les pertes d'énergie dans ces étages de conversion avec une réduction des coûts des composants utilisés constituent un objectif en soi. Compte tenu de ce qui précède, l'onduleur PUC9 pourrait être un choix approprié en raison de sa simplicité, de sa fiabilité et de son efficacité en comparaison avec d'autres onduleurs.

Les objectifs de ce projet sont de réduire la complexité du système de contrôle du PUC9, ce qui permet de produire un convertisseur orienté vers l’industrie et capable d’équilibrer les niveaux des tensions des condensateurs selon les besoins de la charge, aussi d’accroître son efficacité, et finalement de concevoir l’expérimentation nécessaire pour valider ce nouveau concept avec sa commande.

Afin d'atteindre les objectifs de recherche susmentionnés; tout d'abord, je effectué une revue de la littérature sur différents types d'onduleurs, en particulier des onduleurs à source continue, et vérifier la complexité de chaque type d'onduleur étudié en termes de fréquence de commutation, du nombre de composantes utilisées, et le THD. (Distorsion harmonique totale). Ensuite, j’ai passé en revue certaines techniques d’équilibrage des condensateurs. Par après, l’onduleur PUC9 est théoriquement analysé et étudié. Après cela, j'ai appliqué la commande prédictive sur le PUC9. J’ai proposé une technique de modulation adaptée. À cette occasion, j’ai obtenu un modèle mathématique du PUC9, et effectué la simulation utilisant SimPowerSystem et Matlab Simulink. Un prototype expérimental a été développé et a servi pour la validation expérimentale.

Enfin, une nouvelle topologie a été proposée nommée onduleur UX-Cell à neuf niveaux sur laquelle j’ai appliqué un contrôle prédictif et une technique de contrôle sans capteur. Cette nouvelle topologie a été simulée avec Matlab Simulink, et a été validée de manière expérimentale pour ainsi déterminer ses avantages et inconvénients par rapport à l’onduleur PUC9. À cette fin, le travail au laboratoire a permis la conception des circuits imprimés des onduleurs PUC9 et UX-Cell avec le logiciel Altium Design et de tester les deux brevets de manière expérimentale en mode autonome et en mode connecté au réseau électrique.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 155-158).
Mots-clés libres:	PUC9, UX-Cell, oduleur compact à neuf cellules en U, technique de commande MPC, équilibrage des tensions des condensateurs, états de commutation, onduleur à plusieurs niveaux de tension
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Al-Haddad, Kamal
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:39
Dernière modification:	11 févr. 2025 20:39
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2442

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