A study on performances of carrier-based pulse-width modulation techniques for three-phase three-level t-type neutral-point-clamped inverter under switch-open-circuit fault on two neutral-point-connected legs
Creators
- 1. Ho Chi Minh City University of Technology
- 2. Vietnam National University Ho Chi Minh City
Description
Multilevel voltage source inverters (VSIs) have been used for several decades thanks to their advantages compared with traditional two level VSI. Among various types of multilevel configuration, the T-type neutral-point-clamped VSI (3L TNPC VSI or 333-type VSI) has gained the attention in recent years. Due to the unique structure, the 333-type VSI has critical issues in reliability in operation such as switch-open-circuit (SOC) and switch-short-circuit (SSC), which lead to several unrequired issues, for instance, reduction of system performance, distorted and unbalanced output voltages and currents, or triggering the protection circuits. In some applications, the amplitude reduction and harmonics distortion of output voltages in SOC faults are not acceptable. Therefore, it is necessary to develop a pulse-width modulation (PWM) algorithm for 333-type VSI working under SOC fault which guarantees the desired output fundamental component voltage. The simultaneous SOC fault on two neutral-point-connected legs in the 333-type VSI may cause a large reduction in the output voltage. Under this circumstance, the 333-type VSI becomes an asymmetrical one called 322-type VSI. Certain studies regarding to the operation of 333-type VSI under SOC faults have been carried out. However, these studies require more semiconductor devices in order to create a redundant switching circuit. This leads to higher system cost with reduced inverter effieciency due to the additional loss. In this study, two carrier-based pulse-width modulation (CBPWM) techniques, i.e. 322-sinusoidal PWM (322-SPWM) and 322-medium offset CBPWM (322-MOCBPWM) are proposed for 322-type VSI. The proposed techniques are firstly simulated in MATLAB/Simulink and then implemented on a hardware setup. Performances of the proposed techniques are evaluated in terms of total harmonic distortion (THD) and weighted-THD (WTHD) of output voltages. Simulation results show that considering the worst output voltage under SOC fault, vBC, the proposed 322-SPWM technique could improve the THD by 40% and the WTHD by 94% compared with the uncompensated case with m=0.8. The corresponding results of 322-MOCBPWM technique are 42% and 96%, respectively. Characteristics of THD and WTHD values are also presented for demonstration the effectiveness of the proposed algorithm.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تم استخدام محولات مصدر الجهد متعددة المستويات (VSIs) لعدة عقود بفضل مزاياها مقارنة مع VSI التقليدية ذات المستويين. من بين الأنواع المختلفة للتكوين متعدد المستويات، اكتسبت VSI ذات النقطة المحايدة من النوع T (3L TNPC VSI أو 333 - type VSI) الاهتمام في السنوات الأخيرة. نظرًا للهيكل الفريد، فإن VSI من النوع 333 لديه مشكلات حرجة في الموثوقية في التشغيل مثل دائرة فتح المفتاح (SOC) ودائرة قصر المفتاح (SSC)، مما يؤدي إلى العديد من المشكلات غير المطلوبة، على سبيل المثال، تقليل أداء النظام، أو فولتية وتيارات الإخراج المشوهة وغير المتوازنة، أو تشغيل دوائر الحماية. في بعض التطبيقات، يكون تقليل السعة والتشوه التوافقي لجهد الخرج في أعطال SOC غير مقبول. لذلك، من الضروري تطوير خوارزمية تعديل عرض النبضة (PWM) لـ 333 نوع VSI تعمل تحت خطأ SOC الذي يضمن جهد المكون الأساسي للإخراج المطلوب. قد يتسبب عطل SOC المتزامن على ساقين متصلتين بنقطة محايدة في VSI من النوع 333 في انخفاض كبير في جهد الخرج. في ظل هذه الظروف، يصبح VSI من النوع 333 غير متماثل يسمى VSI من النوع 322. تم إجراء بعض الدراسات فيما يتعلق بتشغيل 333 نوع من VSI تحت أخطاء SOC. ومع ذلك، تتطلب هذه الدراسات المزيد من أجهزة أشباه الموصلات من أجل إنشاء دائرة تحويل زائدة. وهذا يؤدي إلى ارتفاع تكلفة النظام مع انخفاض كفاءة المحول بسبب الخسارة الإضافية. في هذه الدراسة، تم اقتراح تقنيتين لتعديل عرض النبض القائم على الناقل (CBPWM)، أي 322 - sinusoidal PWM (322 - SPWM) و 322 - medium offset CBPWM (322 - MOCBPWM) لـ 322 - type VSI. تتم محاكاة التقنيات المقترحة أولاً في MATLAB/Simulink ثم يتم تنفيذها على إعداد الأجهزة. يتم تقييم أداء التقنيات المقترحة من حيث التشوه التوافقي الكلي (THD) والتشوه التوافقي المرجح (WTHD) لجهد الخرج. تظهر نتائج المحاكاة أنه بالنظر إلى أسوأ جهد خرج تحت خطأ SOC، vBC، فإن تقنية 322 - SPWM المقترحة يمكن أن تحسن THD بنسبة 40 ٪ و WTHD بنسبة 94 ٪ مقارنة بالحالة غير المعوضة مع m=0.8. النتائج المقابلة لتقنية 322 - MOCBPWM هي 42 ٪ و 96 ٪ على التوالي. كما يتم تقديم خصائص قيم THD و WTHD لإثبات فعالية الخوارزمية المقترحة.Translated Description (French)
Les onduleurs de source de tension multiniveaux (VSI) sont utilisés depuis plusieurs décennies grâce à leurs avantages par rapport aux VSI traditionnels à deux niveaux. Parmi les différents types de configuration multiniveau, le VSI à point neutre de type T (VSI TNPC 3L ou VSI de type 333) a attiré l'attention ces dernières années. En raison de sa structure unique, le VSI de type 333 présente des problèmes critiques de fiabilité en fonctionnement, tels que le commutateur en circuit ouvert (SOC) et le commutateur en court-circuit (SSC), qui entraînent plusieurs problèmes non requis, par exemple, une réduction des performances du système, des tensions et des courants de sortie déformés et déséquilibrés, ou le déclenchement des circuits de protection. Dans certaines applications, la réduction de l'amplitude et la distorsion harmonique des tensions de sortie dans les défauts SOC ne sont pas acceptables. Par conséquent, il est nécessaire de développer un algorithme de modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour le VSI de type 333 fonctionnant sous défaut SOC qui garantit la tension de composante fondamentale de sortie souhaitée. Le défaut SOC simultané sur deux branches connectées au point neutre dans le VSI de type 333 peut entraîner une forte réduction de la tension de sortie. Dans cette circonstance, le VSI de type 333 devient un VSI asymétrique appelé VSI de type 322. Certaines études concernant le fonctionnement des VSI de type 333 sous défaut SOC ont été réalisées. Cependant, ces études nécessitent plus de dispositifs semi-conducteurs afin de créer un circuit de commutation redondant. Cela conduit à un coût du système plus élevé avec une efficacité réduite de l'onduleur en raison de la perte supplémentaire. Dans cette étude, deux techniques de modulation de largeur d'impulsion basée sur la porteuse (CBPWM), à savoir 322 PWM sinusoïdale (322-SPWM) et 322-medium offset CBPWM (322-MOCBPWM) sont proposées pour les VSI de type 322. Les techniques proposées sont d'abord simulées dans MATLAB/Simulink puis implémentées sur une configuration matérielle. Les performances des techniques proposées sont évaluées en termes de distorsion harmonique totale (THD) et de THD pondérée (WTHD) des tensions de sortie. Les résultats de la simulation montrent que compte tenu de la pire tension de sortie sous défaut SOC, vBC, la technique 322-SPWM proposée pourrait améliorer le THD de 40% et le WTHD de 94% par rapport au cas non compensé avec m=0,8. Les résultats correspondants de la technique 322-MOCBPWM sont respectivement de 42% et 96%. Les caractéristiques des valeurs THD et WTHD sont également présentées pour démontrer l'efficacité de l'algorithme proposé.Translated Description (Spanish)
Los inversores de fuente de voltaje multinivel (VSI) se han utilizado durante varias décadas gracias a sus ventajas en comparación con el VSI tradicional de dos niveles. Entre varios tipos de configuración multinivel, el VSI con sujeción de punto neutro de tipo T (3L TNPC VSI o 333-type VSI) ha ganado la atención en los últimos años. Debido a la estructura única, el VSI tipo 333 tiene problemas críticos en la confiabilidad en el funcionamiento, como el circuito abierto del interruptor (SOC) y el cortocircuito del interruptor (SSC), que conducen a varios problemas no requeridos, por ejemplo, reducción del rendimiento del sistema, tensiones y corrientes de salida distorsionadas y desequilibradas, o activación de los circuitos de protección. En algunas aplicaciones, la reducción de amplitud y la distorsión de armónicos de los voltajes de salida en fallas de SOC no son aceptables. Por lo tanto, es necesario desarrollar un algoritmo de modulación de ancho de pulso (PWM) para VSI tipo 333 que funcione bajo falla SOC que garantice el voltaje de componente fundamental de salida deseado. La falla simultánea de SOC en dos patas conectadas al punto neutro en el VSI tipo 333 puede causar una gran reducción en el voltaje de salida. Bajo esta circunstancia, el VSI de tipo 333 se convierte en uno asimétrico llamado VSI de tipo 322. Se han realizado algunos estudios relacionados con el funcionamiento del VSI tipo 333 bajo fallas SOC. Sin embargo, estos estudios requieren más dispositivos semiconductores para crear un circuito de conmutación redundante. Esto conduce a un mayor coste del sistema con una menor eficiencia del inversor debido a la pérdida adicional. En este estudio, se proponen dos técnicas de modulación por ancho de pulso basado en portadora (CBPWM), es decir, PWM 322-sinusoidal (322-SPWM) y CBPWM de desplazamiento de 322 medios (322-MOCBPWM) para VSI de tipo 322. Las técnicas propuestas se simulan primero en MATLAB/Simulink y luego se implementan en una configuración de hardware. Las prestaciones de las técnicas propuestas se evalúan en términos de distorsión armónica total (ThD) y THD ponderado (WTHD) de los voltajes de salida. Los resultados de la simulación muestran que considerando el peor voltaje de salida bajo falla SOC, vBC, la técnica 322-SPWM propuesta podría mejorar la ThD en un 40% y la WTHD en un 94% en comparación con el caso no compensado con m=0.8. Los resultados correspondientes de la técnica 322-MOCBPWM son 42% y 96%, respectivamente. También se presentan las características de los valores de ThD y WTHD para demostrar la efectividad del algoritmo propuesto.Files
1006.pdf
Files
(3.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:02bbd4dbb0cbe5422389e947a73aeeda
|
3.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- دراسة حول أداء تقنيات تعديل عرض النبضة القائمة على الناقل لعاكس ثلاثي المراحل ثلاثي المستويات من نوع T - point - clamped تحت خطأ الدائرة المفتوحة للمفتاح على ساقين متصلتين بنقطة محايدة
- Translated title (French)
- Une étude sur les performances des techniques de modulation de largeur d'impulsion basées sur la porteuse pour un onduleur triphasé à point neutre de type t en cas de défaut de commutation en circuit ouvert sur deux branches connectées au point neutre
- Translated title (Spanish)
- Un estudio sobre el rendimiento de las técnicas de modulación de ancho de pulso basadas en portadoras para un inversor trifásico de punto neutro de tipo t de tres niveles bajo falla de circuito abierto de interruptor en dos patas conectadas al punto neutro
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3117031585
- DOI
- 10.32508/stdjet.v3i3.659
References
- https://openalex.org/W2090364380