Single-stage single-phase inverter with multimode modulation and ZVS for PV applications

Serrano López, Diego (2020). Single-stage single-phase inverter with multimode modulation and ZVS for PV applications. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM).


Title: Single-stage single-phase inverter with multimode modulation and ZVS for PV applications
  • Serrano López, Diego
  • Cobos Márquez, José Antonio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Photovoltaic energy has grown rapidly over the last few decades driven by the decrease in cost and volume of the photovoltaic systems. These systems are composed of solar panels, batteries, and power converters. This tendency has driven the research for more compact and efficient solar inverters for residential applications. To push the research in this field, Google and the IEEE cosponsored the Little Box Challenge in 2014–2015, a contest with a million-dollar prize for the designers of the smallest 2 kVA single-phase inverter in the world. The goal was to obtain a ten times reduction in size compared to commercially available inverters. To obtain this dramatic size reduction, most teams participating in the competition used wide-bandgap devices in their designs and proposed different architectures. The CEI@UPM team proposed an innovative but complex solution. Unfortunately, the concept was not ready for the date of the competition. Nevertheless, the research group has continued to develop the architecture to prove that high efficiency and power density are achievable. A key component in the design of single-phase inverters is the storage element needed to decouple the input and output power. This storage element is typically a bulky capacitor that comprises a large part of the total volume of the inverter. Recently, converters to interface the input port and the capacitor are emerging, allowing a higher voltage swing in the capacitor to lower its volume. The novelty of the studied topology is that it integrates the inverter and the converter for the storage capacitor in a single power stage. Therefore, instead of interfacing just the input and output ports, as conventional inverters do, this inverter has an additional port for the storage capacitor. As a result, the topology can be considered a three-port inverter. The power stage is simple since it requires only one inductor and six switches. Besides the reduced component count, the topology and modulation are designed aiming to reduce the size and losses of the inductor through the minimization of the indirect power. The indirect power is a measure of the energy stored or delivered by reactive components in a switching cycle. The modulation of the inverter is divided into several operation modes used in different sectors of the line cycle to allow the inverter to interface the three ports with minimum indirect power. More than one operation mode can be used in each point of the line cycle, and, for the modulation, those with minimum indirect power in the inductor are selected. Regarding the control, three-port inverters require two control variables. As a result, the current in the inductor in the different operation modes is divided into three or four different states, as opposed to common architectures where the waveform is divided into just two states. The inverter can work under resistive, inductive, and capacitive loads, with different sets of operation modes in each case. As a result, this inverter has a multi-mode modulation. All operation modes work ideally in boundary conduction mode and with variable switching frequency. The modulation is designed to achieve Zero Voltage Switching (ZVS) in all transitions to improve the efficiency of the inverter. ZVS not only helps to reduce the losses in switching devices, but it reduces the electromagnetic noise introduced in the grid. For ZVS purposes, the current in the inductor is used to discharge the drain-source capacitance of MOSFETs before the turn-on event. ZVS transitions in this inverter are challenging to analyze due to the different voltages withstood by switching devices, and because more than a device can be turned off at once. In this dissertation, the modulation is modified to achieve ZVS in the transitions where the inductor current is zero. This modification includes additional states when the inductor current is between a positive and negative threshold value. As a result, this modified modulation is based on triangular conduction mode. The proposed modulation also solves some issues associated with the wide variations in switching frequency along the line cycle and for different loads. As the topology integrates both the DC-AC conversion and the power decoupling functions and the modulation is divided into several operation modes, the control of the inverter is sophisticated. A decoupling network is used to enable the use of conventional control loops and make the control independent of the operation mode. This decoupling network solves a set of equations that relate the time each state lasts in the different modes with the desired currents in the three ports. To improve the previous solution, a numerical method is proposed to solve these equations. This control is implemented in an FPGA. One of the challenges of nonisolated photovoltaic inverters is the leakage current generated in the parasitic capacitance of the solar panels to ground due to the common-mode voltage between the input and output ports. This leakage current is limited by legislation. In this topology, a filter is required to limit the leakage current. This dissertation details technical advancements since the end of the competition in the research of this inverter. The multi-mode modulation is explored in detail to obtain all the operation modes required to operate the inverter under any load condition. Also, the ZVS transitions are analyzed, aiming to obtain the current in the inductor needed for ZVS purposes in all possible scenarios. With this information, a complex modulation based on triangular conduction mode is proposed. The modulation is seamless, obtains ZVS in all transitions, and helps limiting the switching frequency variations during the operation. This work also describes how the modulation is implemented. Finally, the design of the leakage current filter is also covered. The concepts discussed in the dissertation are validated through simulations and a 1 kVA proof-of-concept prototype. ----------RESUMEN----------- En las últimas décadas la energía fotovoltaica ha crecido rápidamente, fundamentalmente debido a la bajada del coste y el volumen asociados a los sistemas fotovoltaicos, compuestos de paneles solares, baterías y convertidores de potencia. Esta tendencia está promoviendo el desarrollo de nuevas tecnologías para obtener inversores más eficientes y compactos para aplicaciones residenciales. En este ámbito, Google y el IEEE patrocinaron el concurso Little Box Challenge en 2014-2015, donde se premió con un millón de dólares al equipo que diseño el inversor monofásico más pequeño del mundo con una potencia de 2 kVA. El concurso buscaba reducir el tamaño de los inversores en un factor de diez con respecto a los inversores comerciales en ese momento. Para obtener esta reducción drástica en el tamaño de los inversores, los diferentes equipos que participaron emplearon semiconductores de banda prohibida ancha y presentaron diferentes topologías. El equipo CEI@UPM propuso una solución innovadora y diferente, pero bastante compleja. Desafortunadamente, el concepto no estaba listo para la fecha de la competición. No obstante, este grupo de investigación ha continuado con el desarrollo de la topología, con el objetivo de probar que esta nueva arquitectura es capaz de lograr alta eficiencia con un volumen reducido. Un componente esencial en el diseño de inversores monofásicos para aplicaciones fotovoltaicas es el elemento de almacenamiento para desacoplar la potencia de entrada de la de salida. Normalmente, este elemento es un condensador que ocupa gran parte del volumen total del inversor. En la actualidad, se utilizan convertidores que conectan este condensador con el puerto de entrada del inversor con el fin de aumentar el rizado en el condensador, lo que permite reducir considerablemente el tamaño de este. La novedad de esta topología es que integra el convertidor para el condensador de almacenamiento con el inversor en usa sola etapa de potencia. Por tanto, esta arquitectura no solo interconecta la entrada y la salida del inversor, sino que incluye el condensador de almacenamiento, por lo que puede considerarse un inversor de tres puertos. La etapa de potencia es relativamente sencilla ya que solo requiere seis transistores y una única bobina, además, la topología está diseñada para minimizar la potencia indirecta en la bobina con el fin de reducir sus pérdidas y su volumen. La potencia indirecta es una medida de la energía almacenada y cedida por componentes reactivos en un ciclo de conmutación. Para interconectar los tres puertos y minimizar la potencia indirecta de la bobina, la modulación del inversor se divide en varios modos de operación empleados en los diferentes sectores del ciclo de red. Dado que se puede utilizar más de un modo de operación en cada instante del ciclo de red, se seleccionan aquellos modos que minimizan la potencia indirecta. En lo que al control se refiere, se necesitan dos variables para controlar convertidores de tres puertos. Debido a esto, la corriente en la bobina en cada uno de los modos de operación se divide en tres o en cuatro estados diferentes, mientras que en convertidores convencionales se dividen únicamente en dos estados. El inversor puede operar con cargas resistivas, capacitivas o inductivas, con modos de operación diferentes para cada caso. Por tanto, la modulación de este inversor es multi-modo, todos estos modos de operación trabajan idealmente en modo de conducción crítico y con frecuencia de conmutación variable. Para maximizar la eficiencia del inversor, la modulación está diseñada para obtener transiciones suaves en todas las transiciones, concretamente se utiliza la técnica conocida como Zero-Voltage Switching (ZVS). Además de disminuir las perdidas, esta técnica permite reducir el ruido electromagnético inducido en la red. Para obtener transiciones con ZVS, se utiliza la corriente en la bobina para descargar la capacidad parásita entre drenador y fuente de los transistores antes del encendido. Las transiciones con ZVS en este inversor son difíciles de estudiar ya que la tensión que bloquean los distintos dispositivos es distinta, y, además, hay transiciones donde más de un dispositivo se apaga simultáneamente. Para obtener ZVS en aquellas transiciones donde la corriente en la bobina es cero, la modulación se ha modificado para incluir estados adicionales cuando la corriente de la bobina está comprendida entre un límite superior y un límite inferior. Se puede considerar por tanto que la modulación opera en modo de conducción triangular. Esta modulación, además de obtener ZVS, soluciona los problemas asociados con la gran variación en la frecuencia de conmutación de este inversor a lo largo del ciclo de red y cuando se utilizan distintas cargas. Ya que esta topología integra en usa sola etapa la función del inversor y de desacoplo de la potencia de entrada y de salida, y además la modulación está dividida en varios modos de operación, el control resulta complejo. Para utilizar lazos de control convencionales y hacer que el control sea independiente del modo de operación empleado, una red de desacoplo es necesaria. La red de desacoplo utilizada en este trabajo resuelve una serie de ecuaciones que relacionan el tiempo que dura cada estado en los distintos modos con las corrientes en los tres puertos. Estas ecuaciones se resuelven por medio de métodos numéricos. En este trabajo se explica cómo se ha adaptado este método para tener en cuenta la modulación propuesta. Además, el control se ha implementado en una FPGA. Uno de los retos en el diseño de inversores para paneles solares es la corriente de fuga generada por la tensión de modo común entre la entrada y la salida aplicada a la capacidad parásita que presentan los paneles solares a tierra. Esta corriente de fuga está limitada por legislación, por lo que, en esta topología, un filtro de modo común es necesario para mantener la corriente de fuga por debajo de la máxima especificada. En esta tesis se tratarán los avances técnicos en el desarrollo de la topología desde el fin de la competición. Se examinará en detalle la modulación multi-modo con el objetivo de encontrar todos los modos de operación necesarios para que el inversor pueda trabajar con cualquier tipo de carga. Además, se analizarán las transiciones con ZVS para obtener la corriente necesaria en la bobina en todos los posibles escenarios con el fin de asegurar que las transiciones sean suaves. Con esta información, se propone una nueva modulación basada en el modo de conducción triangular, que es continua, tiene ZVS en todas las transiciones, y además ayuda a reducir las variaciones en la frecuencia de conmutación. En este trabajo se describirá también como implementar la modulación propuesta. Finalmente, se incluirá el diseño del filtro para minimizar las corrientes de fuga. Los conceptos estudiados a lo largo de este trabajo han sido validados mediante simulaciones y las pruebas realizadas con un prototipo de 1 kVA de potencia.

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Item ID: 66244
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.66244
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 07 Mar 2021 16:04
Last Modified: 08 Mar 2021 08:11
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