Optimized multilevel inverters and modulation techniques for power electronics applications

Sharifzadeh, Mohammad (2021). Optimized multilevel inverters and modulation techniques for power electronics applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The main goal of this thesis is to optimize the modulation techniques and multilevel inverter topologies to reach a higher efficiency in power electronics applications. Among conventional multilevel inverters, compact topologies like Packed U-Cell is interesting particularly for single phase applications because of single dc source structure. Five-level Packed U-Cell appeared as a promising topology that could find its way to industry; but, it confronts some drawbacks when it is extended to generate more levels. The main drawback is the capacitor voltage balancing issue which demands a deep optimization to reach a novel and reliable compact multilevel inverter topology. Along with optimization of the inverter topology, modulation techniques need to be optimized to enhance the inverters efficiency in the targeted applications. Although popular techniques like SVM and SPWM could show their reliable performance, they have high switching frequency which increases power losses. On the other hand, SHE-PWM and SHM-PWM were introduced as a promising low switching frequency techniques where, they can be the appropriate candidates for optimization and utilization in high power applications of multilevel inverters. As the primary effort for optimization of the SHE and SHM, a new switching angles has been obtained for a low switching frequency voltage waveform through the precise mathematic analysis on the triplen harmonics to self-eliminate all triplen harmonics without doing any extra calculations. Then, the determined non-triplen harmonics are eliminated or mitigated by the normal operation of the SHE or SHM. Therefore, maximum harmonics amplitudes are controlled while the switching frequency is at minimum.

In the next work, SHE is optimally designed for 3phase 4wire inverters as to supply both symmetrical and asymmetrical loads under low switching frequency operation. SHE has been adaptably designed for both 4wire configurations of 3phase NPC inverter; 4leg 4wire and 3leg 4wire. It has been shown that SHE is more compatible with 3leg 4wire configuration over 4leg 4wire one in terms of harmonic distortion of output phase voltage, switching angles calculations and design complexity as well as power losses. Next work presents a hybrid strategy of SHM modulation technique for controlling CMV in 3phase inverters. In all previous works where software solution based on the modulation techniques was used to control CMV, the applied technique was deigned based on the proper selection of the switching vector. However, it the proposed work in this thesis, the CMV is controlled based on the harmonic analysis in order to formulize CMV in the hybrid SHM technique. It was shown that CMV is notably reduced by elimination of triplen harmonics while the switching frequency ratio is kept under 1KHz. Finally, last work introduces a novel compact multilevel inverter so-called as Packed E-Cell topology. Packed E-Cell is a deep optimization of previous generation of compact multilevel inverter; Packed U-Cell to reach further output voltage levels, reduced components counts and simplicity in capacitor voltage balancing. Packed E- Cell has been established based on the idea of extending the capacitors in horizontal way unlike vertical way which results in more optimized structure compared to Packed U-Cell. It was shown that the Packed E-Cell can be a suitable and reliable alternative topology to replace Packed U-Cell.

All works are fully supported by theoretical, simulation and experimental analyses and discussion.

Titre traduit

Onduleurs multiniveaux optimisés et techniques de modulation pour les applications d'électronique de puissance

Résumé traduit

L'objectif principal de cette thèse est d'optimiser les techniques de modulation et les topologies d'onduleurs multiniveaux pour atteindre une efficacité plus élevée dans les applications d'électronique de puissance. Parmi les onduleurs conventionnels multiniveaux, les technologies compactes comme la cellule-U compacte est particulièrement intéressante pour les applications monophasées en raison de la structure continue de source CC. La cellule-U compacte apparaissait comme une topologie prometteuse qui pouvait trouver son chemin vers l'industrie, mais, elle se heurte à quelques inconvénients lorsqu'elle est étendue pour générer plus de niveaux. Le principal inconvénient est le problème de l'équilibrage de la tension des condensateurs qui nécessite une optimisation profonde pour atteindre une topologie d'onduleurs multiniveaux compacts innovantes et fiables. De même que l’optimisation de la topologie des onduleurs, les techniques de modulation doivent être optimisées pour améliorer l'efficacité des onduleurs dans les applications ciblées. Bien que les techniques populaires comme : « la Méthode du Vecteur Spatial et MLI Sinusoïdale » peuvent montrer leurs performances fiables, elles ont une fréquence de commutation élevée ce qui augmente les pertes de puissance. D'autre part, l’Élimination Sélective d’Harmoniques-MLI et l’Atténuation Sélective d’Harmoniques-MLI ont été introduites comme techniques prometteuses à basse fréquence de commutation où, elles peuvent être les candidats appropriés pour l'optimisation et l'utilisation dans les applications de haute puissance des onduleurs à multiniveaux. Comme principal effort d'optimisation de l’Élimination Sélective d’Harmoniques et de l’Atténuation Sélective d’Harmoniques, un nouvel angle de commutation a été obtenu pour une forme d'onde de tension à basse fréquence de commutation grâce à l’analyse mathématique précise sur les harmoniques triples pour auto-éliminer toutes les harmoniques triples sans faire de calculs supplémentaires. Ensuite, les harmoniques non triples déterminées sont éliminées ou atténuées par le fonctionnement normal de l’Élimination Sélective d’Harmoniques ou de l’Atténuation Sélective d’Harmoniques. Par conséquent, les amplitudes d’harmoniques maximales sont contrôlées tandis que la fréquence de commutation est au minimum.

Dans le prochain travail, l’Élimination Sélective d’Harmoniques est conçue de manière optimale pour les onduleurs triphasés 4 fils afin de fournir à la fois des charges symétriques et asymétriques en fonctionnement à basse fréquence de commutation. L’Élimination Sélective d’Harmoniques a été conçue de manière adaptable à la fois pour les deux configurations à 4 fils de l'onduleur à Point Neutre Fixe 3 phases, 4 branches 4 fils et 3 branches 4 fils. Il a été démontré que l’Élimination Sélective d’Harmoniques est plus compatible avec la configuration 3 branches 4 fils sur 4 branches 4 fils en termes de distorsion harmonique de la tension de phase de sortie, des calculs des angles de commutation et de la complexité de conception ainsi que des pertes de puissance. Le travail suivant présente une stratégie hybride de la technique de modulation l’Atténuation Sélective d’Harmoniques pour contrôler la Tension en Mode Commun dans les onduleurs triphasés. Dans tous les travaux précédents où une solution logicielle basée sur les techniques de modulation était utilisée pour contrôler la Tension en Mode Commun, la technique appliquée a été conçue sur la base d'une sélection appropriée du vecteur de commutation. Toutefois, le travail proposé dans cette thèse, la Tension en Mode Commun est contrôlée sur la base de l'analyse harmonique afin de formuler la Tension en Mode Commun dans la technique hybride de l’Atténuation Sélective d’Harmoniques. Il a été montré que la Tension en Mode Commun a notablement été réduite par l'élimination des harmoniques triples tandis que le rapport de fréquence de commutation est maintenu sous 1 kHz. Enfin, les derniers travaux présentent un nouvel onduleur multiniveaux compact, appelé topologie Cellule-E compacte. La Cellule-E compacte est une optimisation en profondeur de la génération précédente d'onduleurs multiniveaux compacts; la Cellule-U compacte va atteindre d'autres niveaux de tension de sortie, réduire le nombre de composants et simplifier l'équilibrage de la tension des condensateurs. La Cellule-E compacte a été créé sur la base de l'idée d'étendre les condensateurs de manière horizontale contrairement à la manière verticale, ce qui se traduit par une structure plus optimisée par rapport à la Cellule-U compacte. Il a été démontré que la Cellule-E compacte peut être une topologie alternative appropriée et fiable pour remplacer la Cellule-U compacte.

Tous les travaux sont entièrement étayés par des analyses et des discussions théoriques, des simulations et des expérimentations.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 204-221).
Mots-clés libres:	onduleurs multiniveaux, techniques de modulation à faible fréquence de commutation, élimination sélective d’harmoniques, atténuation Sélective d’harmoniques, cellule-U compacte, cellule-E compacte
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Al-Haddad, Kamal
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 août 2021 20:19
Dernière modification:	12 août 2021 20:19
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2738

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