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

Abstract

Modüler çok seviyeli dönüştürücüler (MÇD), modüler yapısı ve kaliteli çıkış dalga formu sayesinde endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadırlar. 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 kontrol edilebilmesi için kapasitör gerilim dengeleme yöntemine de ihtiyaç duyulmaktadır. Bu makalede, ESM yöntemi kullanılarak genelleştirilen bir kapasitör gerilim dengeleme şeması önerilmiştir ve MÇD’nin çıkış parametreleri üzerindeki örnekleme frekansı etkisi analiz edilmiştir. Önerilen yöntem, farklı sayıda alt modül kullanımına göre genelleştirilerek tüm olası durumlara uyarlanabilmektedir. Önerilen yöntem sayesinde, kapasitör gerilim dengeleme işlemi hızlanmakta ve tüm alt modüllerin olabildiğince eşit kullanımıyla MÇD performansına da olumlu katkı sağlanmaktadır. Önerilen yöntem, MÇD’nin üst ve alt kollarına uygulanmış ve kol gerilimleri kontrol edilmiştir. Ayrıca, çıkış dalga formlarının toplam harmonik bozulma ve temel frekans bileşen büyüklük değerlerinin yanı sıra alt modül kapasitör gerilimlerinin denge kalitesi üzerindeki örnekleme frekansı etkisi de analiz edilmiştir. Tasarlanan MÇD modelinde, 0,5 kHz, 5 kHz ve 20 kHz örnekleme frekans değerlerinde MÇD’nin çıkış parametrelerinin ve kapasitör gerilimlerinin değişimleri incelenmiştir. Önerilen yöntemin uygulanabilirliği ve örnekleme frekansı analizi farklı durum çalışmaları yardımıyla simülasyon ortamında test edilmiş ve gösterilmiştir

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.