Investigation of efficient multilevel inverter for photovoltaic energy system and electric vehicle applications

Abstract

This research presents a simple single-phase pulse-width modulated 7-level inverter topology for renewable system which allows home-grid applications with electric vehicle charging. Although multilevel inverters have appealing qualities, their vast range of application is limited by the use of more switches in the traditional arrangement. As a result, a novel symmetrical 7-level inverter is proposed, which has the fewest number of unidirectional switches with gate circuits, providing the lowest switching losses, conduction losses, total harmonic distortion and higher efficiency than conventional topology. The novelty of the proposed work consists of a novel modular inverter structure for photovoltaic energy system and electric vehicle applications with fewer numbers of switches and compact in size. Purpose. The proposed system aims to reduce switch count, overall harmonic distortions, and power loss. There are no passive filters required, and the constituted optimizes power quality by producing distortion-free sinusoidal output voltage as the level count increases while reducing power losses. Methods. The proposed topology is implemented with MATLAB/Simulink, using gating pulses and various pulse-width modulation methodologies. Moreover, the proposed model also has been validated and compared to the hardware system. Results. Total harmonic distortion, number of power switches, output voltage, current, power losses and number of DC sources are investigated with conventional topology. Practical value. The proposed topology has proven to be extremely beneficial for implementing photovoltaic-based stand-alone multilevel inverter and electric vehicle charging applications.

У цьому дослідженні представлена топологія простого семирівневого однофазного інвертора з широтно-імпульсною модуляцією для системи з відновлюваними джерелами енергії, яка дозволяє використовувати домашню мережу з зарядкою електромобілів. Хоча багаторівневі інвертори мають привабливі характеристики, широкий спектр їх застосування обмежений використанням більшої кількості перемикачів у традиційній схемі. В результаті запропонований новий симетричний 7-рівневий інвертор, який має найменшу кількість односпрямованих ключів із затворними ланцюгами, забезпечує найменші комутаційні втрати, втрати на провідність, сумарні гармонічні спотворення та вищий ККД, ніж традиційна топологія. Новизна запропонованої роботи полягає у новій модульній структурі інвертора для фотоелектричних енергетичних систем та використання для електромобілів з меншою кількістю перемикачів та компактними розмірами. Мета. Пропонована система спрямована на зменшення кількості перемикань, загальних гармонічних спотворень та втрат потужності. Пасивні фільтри не потрібні, а складова частина оптимізує якість електроенергії, створюючи синусоїдальну вихідну напругу без спотворень зі збільшенням кількості рівнів при одночасному зниженні втрат потужності. Методи. Запропонована топологія реалізована за допомогою MATLAB/Simulink з використанням стробуючих імпульсів та різних методологій широтно-імпульсної модуляції. Крім того, запропонована модель також була перевірена та порівняна з апаратною системою. Результати. Загальні гармонічні спотворення, кількість силових ключів, вихідна напруга, струм, втрати потужності та кількість джерел постійного струму досліджуються за допомогою традиційної топології. Практична цінність. Запропонована топологія виявилася надзвичайно корисною для реалізації автономних багаторівневих інверторів на основі фотоелектричних систем та застосування для заряджання електромобілів.