Design and implementation of high-level multilevel inverters: focusing on 15-level, 25-level, and 33-level topologies with asymmetrical configuration and optimal component choices

Abstract

(English) The primary goal of this thesis is to establish multilevel inverter (MLI) topologies for industrial settings. Because of its numerous benefits, including low power dissipation on power supplies and low harmonic contents, MLI topologies are utilized in medium- and high-power applications, such as active power filters, FACTS devices, and machine currents. The chosen switching strategies are crucial in removing harmonic distortion from the output voltage provided by the MLI. Depending on the inverter's power requirements, different topologies and control strategies may be selected. However, they have several drawbacks over MLI, such as the need for separate power sources for each stage. Consequently, MATLAB/SIMULINK is used to simulate MLI. This work aims to offer a unique topology for a single-phase 15-level asymmetric MLI to minimize component requirements. The suggested design uses asymmetric DC sources to reach a maximum 15-level output voltage through an H-bridge topology. To enable a 25-level version appropriate for renewable energy applications, the original 15-level MLI structure is further improved, lowering system costs and dimensions. However, the higher component count in MLI presents reliability issues, particularly about the decrease of total harmonic distortion, which continues to be a research focus. Several factors are examined for the proposed 15-level- and the extended 25-level MLI, including total standing voltage, multilayer inverter cost function, and power loss. Next, it facilitates the integration of renewable energy sources and streamlines the use of components by contributing to a novel topology for 15-level asymmetric MLI. Even though multilevel inverters have many benefits, future developments in this field must address reliability issues related to overall harmonic distortion reduction. Then, a unique 33-level asymmetrical single-phase MLI is built, utilizing fewer components and a lower Total Standing Voltage (TSV) at the switches. Variable-rated switches are employed to lower the overall cost of the inverter, and the distribution of stress among the switches is carefully examined. The suggested design combines four asymmetrical DC sources with twelve switches to generate 33 voltage output levels. The inverter's performance is determined by many crucial factors, including TSV, efficiency, power loss, and cost function (CF). Using a range of combinational loads, the MLI was evaluated in dynamic load conditions with unforeseen load disturbances, and it was discovered to be stable throughout the operation. A thorough comparison uses graphical representations based on stress vi across switches, stress distribution, switch count, DC source count, gate driver circuits, component count factor, TSV, CF, and other existing topologies. It is demonstrated to be more efficient and better in every way. According to simulation and experiments, the Total Harmonic Distortion (THD) is within IEEE guidelines. The suggested framework was created in MATLAB/Simulink and tested using hardware in a lab environment.

(Català) L'objectiu principal d'aquesta tesi és establir topologies d'inversors multinivell (MLI) per utilitzar-los en entorns industrials. A causa dels seus nombrosos beneficis, inclosa la baixa dissipació de potència i el baix contingut d'harmònics, les topologies MLI s'utilitzen en aplicacions de potència mitjana i alta, com ara filtres de potència actius, dispositius FACTS i drivers de màquines elèctriques. Les estratègies de commutació triades són crucials per eliminar la distorsió harmònica al voltatge de sortida proporcionat pel MLI. Depenent dels requisits de potència de l’inversor, es poden triar diferents topologies i estratègies de control. Tot i això, els inversors multinivell tenen l'inconvenient de la necessitat de fonts d'energia independents per a les seves etapes. En conseqüència, es fa servir MATLAB/SIMULINK per simular el comportament complet dels MLI proposats. L´objectiu d´aquest treball és oferir una topologia única per a un MLI asimètric monofàsic de 15 nivells amb l´objectiu de minimitzar els requisits de components. El disseny suggerit utilitza fonts de CC asimètriques per assolir un voltatge de sortida màxim de 15 nivells mitjançant l’ús duna topologia de pont H. Per permetre una versió de 25 nivells apropiada per aplicacions d’energia renovable, l’estructura MLI original de 15 nivells es millora encara més, reduint així els costos i les dimensions del sistema. No obstant això, el nombre més gran de components en MLI presenta problemes de fiabilitat, particularment pel que fa a la disminució de la distorsió harmònica total, que continua sent un focus de recerca. Per al MLI proposat de 15 nivells i l'estès de 25 nivells, s'examinen una sèrie de factors, inclòs el voltatge permanent total, la funció de cost de l'inversor multinivell i les pèrdues energètiques. A continuació, facilita la integració de fonts d'energia renovables i agilitza l'ús de components en contribuir a una nova topologia per a MLI asimètrica de 15 nivells. Tot i que els inversors multinivell tenen molts beneficis, els desenvolupaments futurs en aquest camp han d'abordar qüestions de confiança relacionades amb la reducció general de la distorsió harmònica. Després, es proposa un MLI monofàsic asimètric exclusiu de 33 nivells, que utilitza menys components i un voltatge permanent total (TSV) més baix als interruptors. Per reduir el cost total de l'inversor, es fan servir interruptors de classificació variable i s'examina amb cura la distribució de tensió entre els interruptors. El disseny suggerit combina quatre fonts de CC asimètriques amb dotze interruptors per generar 33 nivells de sortida de voltatge. El rendiment de l’inversor està determinat per una sèrie de factors crucials, inclosos TSV, eficiència, pèrdues de potència i funció de cost (CF). Utilitzant una varietat de càrregues combinades, l'MLI es va avaluar en condicions de càrrega dinàmica amb pertorbacions de càrrega imprevistes i es va descobrir que era estable durant tota l'operació. Es fa una comparació exhaustiva basada en la tensió entre els interruptors, la distribució de la tensió, el recompte d'interruptors, el recompte de fonts de CC, els circuits de controlador de porta, el factor de recompte de components, TSV, CF i altres topologies existents. Està demostrat que és més eficient i millor en tots els sentits. Segons la simulació i els experiments, la distorsió harmònica total (THD) és dins de les pautes de l'IEEE. El marc suggerit es va crear a MATLAB/SIMULINK i es va posar a prova utilitzant maquinari en un entorn de laboratori.

(Español) El objetivo principal de esta tesis es establecer topologías de inversores multinivel (MLI) para su uso en entornos industriales. Debido a sus numerosos beneficios, incluida la baja disipación de potencia y el bajo contenido de armónicos, las topologías MLI se utilizan en aplicaciones de potencia media y alta, como filtros de potencia activos, dispositivos FACTS y drivers de máquinas eléctricas. Las estrategias de conmutación elegidas son cruciales para eliminar la distorsión armónica en el voltaje de salida proporcionado por el MLI. Dependiendo de los requisitos de potencia del inversor, se pueden elegir diferentes topologías y estrategias de control. Sin embargo, los inversores multinivel tienen el inconveniente de la necesidad de fuentes de energía independientes para sus etapas. En consecuencia, se utiliza MATLAB/SIMULINK para simular el comportamiento completo de los MLI propuestos. El objetivo de este trabajo es ofrecer una topología única para un MLI asimétrico monofásico de 15 niveles con el objetivo de minimizar los requisitos de componentes. El diseño sugerido utiliza fuentes de CC asimétricas para alcanzar un voltaje de salida máximo de 15 niveles mediante el uso de una topología de puente H. Para permitir una versión de 25 niveles apropiada para aplicaciones de energía renovable, la estructura MLI original de 15 niveles se mejora aún más, reduciendo así los costos y las dimensiones del sistema. Sin embargo, el mayor número de componentes en MLI presenta problemas de fiabilidad, particularmente con respecto a la disminución de la distorsión armónica total, que continúa siendo un foco de investigación. Para el MLI propuesto de 15 niveles y el extendido de 25 niveles, se examinan una serie de factores, incluido el voltaje permanente total, la función de costo del inversor multinivel y las pérdidas energéticas. A continuación, facilita la integración de fuentes de energía renovables y agiliza el uso de componentes al contribuir a una topología novedosa para MLI asimétrica de 15 niveles. Aunque los inversores multinivel tienen muchos beneficios, los desarrollos futuros en este campo deben abordar cuestiones de confiabilidad relacionadas con la reducción general de la distorsión armónica. Luego, se propone un MLI monofásico asimétrico exclusivo de 33 niveles, que utiliza menos componentes y un voltaje permanente total (TSV) más bajo en los interruptores. Para reducir el costo total del inversor, se emplean interruptores de clasificación variable y se examina cuidadosamente la distribución de tensión entre los interruptores. El diseño sugerido combina cuatro fuentes de CC asimétricas con doce interruptores para generar 33 niveles de salida de voltaje. El rendimiento del inversor está determinado por una serie de factores cruciales, incluidos TSV, eficiencia, pérdidas de potencia y función de costo (CF). Utilizando una variedad de cargas combinadas, el MLI se evaluó en condiciones de carga dinámica con perturbaciones de carga imprevistas y se descubrió que era estable durante toda la operación. Se realiza una comparación exhaustiva basada en la tensión entre los interruptores, la distribución de la tensión, el recuento de interruptores, el recuento de fuentes de CC, los circuitos de controlador de puerta, el factor de recuento de componentes, TSV, CF y otras topologías existentes. Está demostrado que es más eficiente y mejor en todos los sentidos. Según la simulación y los experimentos, la distorsión armónica total (THD) se encuentra dentro de las pautas del IEEE. El marco sugerido se creó en MATLAB/SIMULINK y se puso a prueba utilizando hardware en un entorno de laboratorio.