Modüler çok seviyeli dönüştürücüler için genelleştirilmiş bir kapasitör gerilim dengeleme şeması ve örnekleme frekansı analizi

Abstract

Modüler çok seviyeli dönüştürücüler (MÇD), modüler yapısı, yüksek verimliliği ve kaliteli çıkış dalga formu sayesinde orta ve yüksek güçlü endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadırlar. MÇD’ler literatürde yer alan çeşitli darbe genişlik modülasyon teknikleriyle kontrol edilebilmektedirler. Düşük harmonik değerlerde sonuç vermesi ve kolay kontrol imkânı sunması sayesinde en yakın seviye modülasyon (ESM) yöntemi MÇD uygulamalarında tercih edilmektedir. ESM yöntemi için örnekleme frekans değerinin seçimi, MÇD çıkış performans parametreleri açısından önem arz etmektedir. Bununla birlikte, MÇD alt modüllerinde yer alan kapasitör gerilimlerinin referans değerde kalması için kullanılan modülasyon tekniğine uygun olarak gerilim dengeleme algoritmasına da ihtiyaç duyulmaktadır. Bu makalede, ESM yöntemi tabanlı genelleştirilen bir kapasitör gerilim dengeleme algoritması önerilerek, MÇD’nin çıkış parametreleri üzerindeki örnekleme frekansı etkisi analiz edilmiştir. Önerilen algoritma, farklı sayıda alt modül kullanımına göre genelleştirilerek tüm olası alt modül durumlarına uyarlanabilmektedir. Önerilen algoritma sayesinde, kapasitör gerilim dengeleme akış işlemi hızlanmakta, nispeten karmaşık bir algoritmadan ve daha fazla işlemci alanı gereksiniminden tasarruf edilmektedir. Birim zamanda daha fazla sayıda işlem yapılmasıyla ve tüm alt modüllerin olabildiğince eşit oranda kullanımıyla MÇD performansına da olumlu katkı sağlanmaktadır. Ek olarak, alt modül sayısının fazla olduğu MÇD uygulamalarında da önerilen algoritma işlem hızını önemli ölçüde düşürecektir. Bu çalışmada; üç-faz, 7-seviyeli, yarım-köprü alt modül tabanlı MÇD tasarlanmıştır. Önerilen kapasitör gerilim dengeleme algoritması, MÇD’nin üst ve alt kollarına ayrı ayrı uygulanmış ve kol gerilimleri kontrol edilmiştir. Ayrıca, MÇD için çıkış gerilim ve akım dalga formlarının toplam harmonik bozulma ve temel frekans bileşen büyüklük değerinin yanı sıra alt modül kapasitör gerilimlerinin denge kalitesi üzerindeki örnekleme frekansı etkisi ele alınmıştır. Önerilen algoritma kullanılarak farklı durum çalışmaları altında tasarlanan MÇD modelinin performans değerlendirmesi sunulmuştur. ESM yöntemi için gerekli minimum örnekleme frekansının altında ve üzerinde seçilen 0.5, 5 ve 20 kHz değerlerinde MÇD’nin tüm çıkış parametrelerinin ve kapasitör gerilimlerinin değişimleri incelenmiştir. Buna bağlı olarak, tüm parametreler açısından en uygun örnekleme frekans aralığı tespit edilmiştir. Önerilen kapasitör gerilim dengeleme algoritmasının geçerliliği ve uygulanabilirliği farklı durum çalışmaları yardımıyla simülasyon ortamında test edilmiş ve doğrulanmıştır.

Modular multilevel converters (MMC) are frequently used in industrial applications thanks to their modular structure and quality output waveform. Nearest level modulation (NLM) method is preferred in MMC applications. Selection of the sampling frequency value for the NLM method is important in terms of the MMC output performance parameters. In addition, a capacitor voltage balancing scheme is necessary to control the capacitor voltages of the MMC submodules. In this article, a generalized capacitor voltage balancing scheme using NLM method is proposed and effect of the sampling frequency on the output parameters of the MMC is analyzed. The proposed method can be adapted to all possible cases by generalizing according to the use of different number of submodules. Thanks to the proposed method, the capacitor voltage balancing process is accelerated and a positive effect is made to the MMC performance by using all submodules as equally as possible. The proposed method is applied to the upper and lower arms of the MMC and arm voltages are controlled. Also, effect of the sampling frequency on balancing quality of submodule capacitor voltages as well as the total harmonic distortion and fundamental frequency component magnitude values of the output waveforms are analyzed. Changes on the output parameters and capacitor voltages of the MMC are investigated at 0.5 kHz, 5 kHz and 20 kHz sampling frequency values in the designed MMC model. The applicability of the proposed method and sampling frequency analysis are tested and demonstrated in the simulation environment with the help of different case studies.