Space vector-based analysis of overmodulation in triangle-comparison based PWM for voltage source inverter

The equivalence of triangle-comparison-based pulse width modulation (TCPWM) and space vector based PWM (SVPWM) during linear modulation is well-known. This paper analyses triangle-comparison based PWM techniques (TCPWM) such as sine-triangle PWM (SPWM) and common-mode voltage injection PWM during overmodulation from a space vector point of view. The average voltage vector produced by TCPWM during overmodulation is studied in the stationary (a-b) reference frame. This is compared and contrasted with the average voltage vector corresponding to the well-known standard two-zone algorithm for space vector modulated inverters. It is shown that the two-zone overmodulation algorithm itself can be derived from the variation of average voltage vector with TCPWM. The average voltage vector is further studied in a synchronously revolving (d-q) reference frame. The RMS value of low-order voltage ripple can be estimated, and can be used to compare harmonic distortion due to different PWM methods during overmodulation. The measured values of the total harmonic distortion (THD) in the line currents are presented at various fundamental frequencies. The relative values of measured current THD pertaining to different PWM methods tally with those of analytically evaluated RMS voltage ripple.

A VARIABLE SWITCHING FREQUENCY PWM TECHNIQUE FOR INVERTER-FED INDUCTION MOTOR TO ACHIEVE SPREAD SPECTRUM

Voltage Source Inverter (VSI) fed induction motors are widely used in variable speed applications. For inverters using fixed switching frequency PWM, the output harmonic spectra are located at a few discrete frequencies. The ac motordrives powered by these inverters cause acoustic noise. This paper proposes a new variable switching frequency pwm technique and compares its performance with constant switching frequency pwm technique. It is shown that the proposed technique leads to spread spectra of voltages and currents. Also this technique ensures that no lower order harmonics are present and the current THD is comparable to that of fixed switching frequency PWM and is even better for higher modulation indices.

3-D Space Vector PWM implementation for Four-Leg Voltage Source Inverter

The Space Vector PWM implementation and operation for a Four-leg Voltage Source Inverter (VSI) is detailed and discussed in this paper. Although less common, four-leg VSIs are a viable solution for situations where neutral connection is necessary, including Active Power Filter applications. This topology presents advantages regarding the VSI DC link and capacitance, which make it useful for high power devices. Theory, implementation and simulations are also discussed in this paper. © 2011 IEEE.

Realizzazione e collaudo di un inverter di media tensione per prove su formette

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionamenti elettrici negli ultimi decenni ha sostanzialmente rivoluzionato la tipologia di alimentazione dei motori elettrici. Da un lato ciò ha migliorato la qualità del controllo della velocità, ma dall’altro ha aggravato le sollecitazioni che gli isolanti delle macchine devono sopportare. Si è infatti passati da tecniche di controllo tradizionali, che consistevano nell’alimentare i motori in alternata direttamente con la rete sinusoidale a 50 Hz (o a 60 Hz), ad alimentazioni indirette, cioè realizzate interponendo tra la rete e la macchina un convertitore elettronico (inverter). Tali dispositivi operano una conversione di tipo ac/dc e dc/ac che permette, come nella modulazione Pulse Width Modulation (PWM), di poter variare la frequenza di alimentazione della macchina, generando una sequenza di impulsi di larghezza variabile. Si è quindi passati dalle tradizionali alimentazioni con forme d’onda alternate sinusoidali a forme di tensione impulsive e ad elevata frequenza, cioè caratterizzate da rapidi fronti di salita e di discesa (dell’ordine di qualche kV/µs). La natura impulsiva di queste forme d’onda ha aggravato la sollecitazione elettrica a cui sono sottoposti i materiali impiegati per l’isolamento dei conduttori degli avvolgimenti delle macchine. E’ importante notare che l’utilizzo dei dispositivi elettronici, che ormai si trovano sparsi nelle reti di bassa tensione, assorbono correnti ad elevato contenuto armonico sul lato di prelievo, hanno quindi un effetto distorcente che altera l’andamento sinusoidale della rete stessa. Quindi, senza opportuni filtri, anche tutte le altre utenze connesse nelle vicinanze, dimensionate per alimentazioni sinusoidali di tipo tradizionale, possono risentire di queste distorsioni armoniche. Per tutti questi motivi è sorta la necessità di verificare l’adeguatezza dei tradizionali isolamenti ad essere in grado di sopportare le sollecitazioni che derivano dall’utilizzo di convertitori elettronici. In particolare, per i motori elettrici tale interrogativo è stato posto in seguito al verificarsi di un elevato numero di guasti inaspettati (precoci), probabilmente imputabile alla diversa sollecitazione elettrica applicata ai materiali. In questa tesi ci si è occupati della progettazione di un inverter di media tensione, che verrà impiegato per eseguire prove sugli avvolgimenti di statore di motori (formette), al fine di condurre successivamente uno studio sull’invecchiamento dei materiali che compongono gli isolamenti. Tale inverter è in grado di generare sequenze di impulsi con modulazione PWM. I parametri caratteristici delle sequenze possono essere modificati in modo da studiare i meccanismi di degradazione in funzione della tipologia delle sollecitazioni applicate. Avendo a che fare con provini di natura capacitiva, il cui isolamento può cedere durante la prova, il sistema deve essere intrinsecamente protetto nei confronti di tutte le condizioni anomale e di pericolo. In particolare deve essere in grado di offrire rapide ed efficaci protezioni per proteggere l’impianto stesso e per salvaguardare la sicurezza degli operatori, dato l’elevato livello delle tensioni in gioco. Per questo motivo è stata pensata un’architettura di sistema ad hoc, in grado di fronteggiare le situazioni anomale in modo ridondante. E’ infatti stato previsto l’inserimento di un sistema di controllo basato sul CompactRIO, sul quale è stato implementato un software in grado di monitorare le grandezze caratteristiche del sistema e le protezioni che affiancheranno quelle hardware, realizzate con dispositivi elettronici. I dispositivi elettronici di protezione e di interfacciamento sono stati studiati, implementati e simulati con PSpice, per poi essere successivamente dimensionati e realizzati su schede elettroniche, avvalendosi del software OrCAD. La tesi è strutturata come segue: - Il primo capitolo tratta, in maniera generale, i motori asincroni trifase, gli inverter e l’invecchiamento dei sistemi isolanti, con particolare interesse alle sollecitazioni meccaniche, termiche ed elettriche nel caso di sollecitazioni impulsive; - Il secondo capitolo riguarda il sistema realizzato nel suo complesso. Inizialmente verrà descritto lo schema elettrico generale, per poi analizzare più nello specifico le varie parti di cui il sistema è composto, come l’inverter di media tensione, il generatore di media tensione, la scheda di disaccoppiamento ottico, la scheda di controllo del generatore di media tensione, la scheda OCP; - Il terzo capitolo descrive le lavorazioni meccaniche eseguite sulle scatole contenti i rami di inverter, la realizzazione delle fibre ottiche e riporta le fasi di collaudo dell’intero sistema. Infine, verranno tratte le conclusioni.

Analisi ed ottimizzazione di un convertitore multilivello per sistemi fotovoltaici multistringa connessi alla rete

Durante il lavoro di tesi si è analizzato e sviluppato un convertitore trifase multilivello di nuova generazione per l'allacciamento di un campo fotovoltaico multistringa alla rete elettrica. Si sono quindi studiati gli algoritmi di controllo di questa tipologia di inverter e sono state proposte soluzioni ad alcune delle più importanti problematiche incontrate in fase di sviluppo.

Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Analisi e realizzazione di un convertitore multilivello ad alta efficienza per applicazioni fotovoltaiche

Nei primi vent’anni, la ricerca in ambito fotovoltaico si è focalizzata sull’evoluzione di quelle tecnologie associate alla semplice cella ed al sistema intero, per offrire miglioramenti con particolare riguardo al fronte dell’efficienza. Negli ultimi decenni, lo studio sull’energia rinnovabile ha ampliato i propri confini, sino a quella branca denominata elettronica di potenza, che ne permette la conversione e lo sfruttamento da parte dell’utente. L’elaborato si propone quindi di apportare un contributo verso tale direzione, teorico piuttosto che pratico, esaminando dapprima il mondo che effettivamente circonda l’impianto fotovoltaico grid-connected e successivamente ponderando e pianificando le scelte che conseguono dall’analisi letteraria. Particolare attenzione sarà rivolta al concetto di multilivello relativo agli inverter e agli aspetti che ne comportano il largo utilizzo nell’elettronica di potenza. Si stima che i primi brevetti risalgano a circa trent’anni orsono e uno di questi, tracciabile, riguarderebbe la configurazione a cascata di full-bridge, alimentati separatamente in DC, per ottenere a valle una scala di tensioni AC. Per mezzo di manipolazioni, nascerà in seguito il diode-clamped, attuale predecessore del Neutral Point Clamped T-Type Inverter. Si introdurranno pertanto le principali caratteristiche che contraddistinguono il convertitore, peculiare riguardo per la configurazione single leg nonché trifase. Ardua sarà la scelta sulla tecnica di controllo dell’inverter, sia per quanto concerne la fase simulativa che quella realizzativa, in quanto il dispositivo è indubbiamente considerato innovativo nel proprio campo di appartenenza. Convalidando la letteratura per mezzo di opportune simulazioni, si potrà procedere alla progettazione e quindi all’assemblaggio della scheda che effettivamente include l’inverter. Il lavoro implicherà numerose prove, effettuate in svariate condizioni di funzionamento, al fine di sostenere le conclusioni teoriche.

Analysis and improvement of performance in LCL filter-based PWM rectifier/inverter application using hybrid damping approach

A hybrid passive-active damping solution with improved system stability margin and enhanced dynamic performance is proposed for high power grid interactive converters. In grid connected active rectifier/inverter application, line side LCL filter improves the high frequency attenuation and makes the converter compatible with the stringent grid power quality regulations. Passive damping though offers a simple and reliable solution but it reduces overall converter efficiency. Active damping solutions do not increase the system losses but can guarantee the stable operation up to a certain speed of dynamic response which is limited by the maximum bandwidth of the current controller. This paper examines this limit and introduces a concept of hybrid passive-active damping solution with improved stability margin and high dynamic performance for line side LCL filter based active rectifier/inverter applications. A detailed design, analysis of the hybrid approach and trade-off between system losses and dynamic performance in grid connected applications are reported. Simulation and experimental results from a 10 kVA prototype demonstrate the effectiveness of the proposed solution. An analytical study on system stability and dynamic response with the variations of various controller and passive filter parameters is presented.

Evaluation of resonant damping techniques for Z-source current-type inverter

For the renewable energy sources whose outputs vary continuously, a Z-source current-type inverter has been proposed as a possible buck-boost alternative for grid-interfacing. With a unique X-shaped LC network connected between its dc power source and inverter topology, Z-source current-type inverter is however expected to suffer from compounded resonant complications in addition to those associated with its second-order output filter. To improve its damping performance, this paper proposes the careful integration of Posicast or three-step compensators before the inverter pulse-width modulator for damping triggered resonant oscillations. In total, two compensators are needed for wave-shaping the inverter boost factor and modulation ratio, and they can conveniently be implemented using first-in first-out stacks and embedded timers of modern digital signal processors widely used in motion control applications. Both techniques are found to damp resonance of ac filter well, but for cases of transiting from current-buck to boost state, three-step technique is less effective due to the sudden intermediate discharging interval introduced by its non-monotonic stepping (unlike the monotonic stepping of Posicast damping). These findings have been confirmed both in simulations and experiments using an implemented laboratory prototype.

Dual Z-source inverter with three-level reduced common mode switching

This paper presents the design of a dual Z-source inverter that can be used with either a single dc source or two isolated dc sources. Unlike traditional inverters, the integration of a properly designed Z-source network and semiconductor switches to the proposed dual inverter allows buck-boost power conversion to be performed over a wide modulation range with three-level output waveforms generated. The connection of an additional transformer to the inverter ac output also allows all generic wye- or delta-connected loads with three-wire or four-wire configuration to be supplied by the inverter. Modulation-wise, the dual inverter can be controlled using a carefully designed carrier-based pulse-width modulation (PWM) scheme that always will ensure balanced voltage boosting of the Z-source network, while simultaneously achieving reduced common-mode switching. Because of the omission of dead-time delays in the dual inverter PWM scheme, its switched common-mode voltage can be completely eliminated, unlike in traditional inverters where narrow common-mode spikes are still generated. Under semiconductor failure conditions, the presented PWM schemes can easily be modified to allow the inverter to operate without interruption and for cases where two isolated sources are used, zero common-mode voltage can still be ensured. These theoretical findings together with the inverter practicality have been confirmed both in simulations using PSIM with Matlab/Simulink coupler and experimentally using a laboratory implemented inverter prototype.

Dual Z-source inverter with three-level reduced common-mode switching

This paper presents the design of a dual Z-source inverter that can be used with either a single dc source or two isolated dc sources. Unlike traditional inverters, the integration of a properly designed Z-source network and semiconductor switches to the proposed dual inverter allows buck-boost power conversion to be performed over a wide modulation range, with three-level output waveforms generated. The connection of an additional transformer to the inverter ac output also allows all generic wye-or delta-connected loads with three-wire or four-wire configuration to be supplied by the inverter. Modulationwise, the dual inverter can be controlled using a carefully designed carrier-based pulsewidth-modulation (PWM) scheme that will always ensure balanced voltage boosting of the Z-source network while simultaneously achieving reduced common-mode switching. Because of the omission of dead-time delays in the dual-inverter PWM scheme, its switched common-mode voltage can be completely eliminated, unlike in traditional inverters, where narrow common-mode spikes are still generated. Under semiconductor failure conditions, the presented PWM schemes can easily be modified to allow the inverter to operate without interruption, and for cases where two isolated sources are used, zero common-mode voltage can still be ensured. These theoretical findings, together with the inverter practicality, have been confirmed in simulations both using PSIM with Matlab/Simulink coupler and experimentally using a laboratory-implemented inverter prototype.

Battery clamped three-level inverter for renewable energy systems

This paper presents a novel battery direct integration scheme for renewable energy systems. The idea is to replace ordinary capacitors of a three-level flying-capacitor inverter by three battery banks to alleviate power fluctuations in renewable generation. This approach eliminates the need for interfacing dc-dc converters and thus considerably improves the overall efficiency. However, the major problem with this approach is the uneven distribution of space vectors which is due to unavoidable unbalance in clamping voltages. A detailed analysis on the effects of this issue and a novel carrier based pulse width modulation method, which can generate undistorted currents even in the presence of unevenly distributed space vectors, are presented in this paper. A charge/discharge controller is also proposed for power sharing and state of charge balancing of battery banks. Simulation results are presented to verify the efficacy of the proposed system, modulation method and power sharing controller.

A direct integration scheme for battery-supercapacitor hybrid energy storage systems with the use of grid side inverter

Battery-supercapacitor hybrid energy storage systems are becoming popular in the renewable energy sector due to their improved power and energy performances. These hybrid systems require separate dc-dc converters, or at least one dc-dc converter for the supercapacitor bank, to connect them to the dc-link of the grid interfacing inverter. These additional dc-dc converters increase power losses, complexity and cost. Therefore, possibility of their direct connection is investigated in this paper. The inverter system used in this study is formed by cascading two 3-level inverters, named as the “main inverter” and the “auxiliary inverter”, through a coupling transformer. In the test system the main inverter is connected with the rectified output of a wind generator while the auxiliary inverter is directly attached to a battery and a supercapacitor bank. The major issues with this approach are the dynamic changes in dc-link voltages and inevitable imbalances in the auxiliary inverter voltages, which results in unevenly distributed space vectors. A modified SVM technique is proposed to solve this issue. A PWM based time sharing method is proposed for power sharing between the battery and the supercapacitor. Simulation results are presented to verify the efficacy of the proposed modulation and control techniques.

A hybrid cascaded multilevel inverter with supercapacitor direct integration for wind power systems

This paper presents a grid-side inverter based supercapacitor direct integration scheme for wind power systems. The inverter used in this study consists of a conventional two-level inverter and three H-bridge modules. Three supercapacitor banks are directly connected to the dc-links of H-bridge modules. This approach eliminates the need for interfacing dc-dc converters and thus considerably improves the overall efficiency. However, for the maximum utilization of super capacitors their voltages should be allowed to vary. As a result of this variable voltage space vectors of the hybrid inverter get distributed unevenly. To handle this issue, a modified PWM method and a space vector modulation method are proposed and they can generate undistorted current even in the presence of unevenly distributed space vectors. A supercapacitor voltage balancing method is also presented in this paper. Simulation results are presented to validate the efficacy of the proposed scheme, modulation methods and control techniques.

HFL PV micro-inverter with front-end current-fed converter and half-wave cycloconverter

A high-frequency-link micro inverter is proposed with a front-end dual inductor push-pull converter and a grid-connected half-wave cycloconverter. Pulse width modulation is used to control the front-end converter and phase shift modulation is used at the back-end converter to obtain grid synchronized output current. A series resonant circuit and high-frequency transformer are used to interface the front-end and the back-end converters. The operation of the proposed micro-inverter in grid-connected mode is validated using MATLAB/Simpower simulation. Experimental results are provided to further validate the operation.