Novel modular multilevel matrix converter topology for efficient high-voltage AC-AC power conversion

Abstract

This paper delves into the practical application of multilevel technology, particularly focusing on the capacitor-clamped converter as a promising solution for medium-to-high voltage power conversion, with specific emphasis on direct AC-AC switching conditions. Problem. The limitations of conventional single-cell matrix converters (MC) in efficiency and performance for medium-to-high voltage power conversion applications are well-recognized. Goal. The primary objective is to investigate the performance of the 3 phase modular multilevel matrix converter (3MC) with three flying capacitors (FCs) modeling. This investigation utilizes the Venturini method for gate pulse generation, aiming to compare the performance of the 3MC with standard converter designs. Methodology. To achieve the research goal, the Venturini method is adopted for generating gate pulses for the 3MC, representing a departure from conventional approaches. Detailed simulations employing MATLAB/Simulink are conducted to comprehensively evaluate the performance of the 3MC in comparison to conventional converter designs. Results. The simulation outcomes reveal a significant reduction of 73 % in total harmonic distortion (THD) achieved by the 3MC. This reduction in THD indicates improved robustness and suitability for medium-to-high voltage power conversion systems necessitating direct AC-AC conversion. These results highlight the efficacy of the 3MC in enhancing power conversion efficiency and overall performance. Originality. This paper contributes novel insights into the practical implementation of multilevel technology, particularly within the realm of capacitor-clamped converters. Furthermore, the utilization of the Venturini method for gate pulse generation in the 3MC represents an original approach to enhancing converter performance. Practical value. The research findings present significant advancements in multilevel transformer technology, offering valuable guidance for optimizing transformer design in various industrial and renewable energy applications. These contributions serve to enhance the development of reliable and efficient power systems, addressing critical needs in the energy sector.

У цій статті розглядається практичне застосування багаторівневої технології, зокрема, з упором на перетворювач з конденсаторною фіксацією як перспективне рішення для перетворення потужності середньої та високої напруги з особливим акцентом на умовах прямого АС-АС перемикання. Проблема. Обмеження звичайних одноелементних матричних перетворювачів (MC) в ефективності та продуктивності для додатків перетворення потужності середньої та високої напруги загальновідомі. Мета. Основною метою є дослідження продуктивності трифазного багаторівневого модульного матричного перетворювача (3MC) з моделюванням трьох навісних конденсаторів (FC). У цьому дослідженні використовується метод Вентуріні для генерації стробуючих імпульсів з метою порівняння продуктивності 3MC зі стандартними конструкціями перетворювачів. Методологія. Для досягнення мети метод Вентуріні прийнятий для генерації стробуючих імпульсів для 3MC, що є відмінністю від традиційних підходів. Проведено докладну симуляцію з використанням MATLAB/Simulink для всебічної оцінки продуктивності 3MC порівняно з традиційними конструкціями перетворювачів. Результати моделювання показують значне зниження на 73 % загального коефіцієнта гармонічних спотворень (THD), досягнуте 3MC. Це зниження вказує на покращену надійність та придатність для систем перетворення електроенергії середньої та високої напруги, що вимагають прямого АС-АС перетворення. Ці результати підкреслюють ефективність 3MC підвищення ефективності перетворення електроенергії та загальної продуктивності. Оригінальність. Ця стаття робить новий внесок у практичну реалізацію багаторівневої технології, особливо в області перетворювачів з конденсаторною фіксацією. Крім того, використання методу Вентуріні для генерації імпульсів затвора в 3MC є оригінальним підходом до підвищення продуктивності перетворювача. Практична цінність. Результати дослідження представляють значні досягнення в технології багаторівневих трансформаторів, пропонуючи цінні рекомендації щодо оптимізації конструкції трансформаторів у різних промислових та відновлюваних джерелах енергії. Ці вклади служать для поліпшення розробки надійних і ефективних енергосистем, задовольняючи критичні потреби в енергетичному секторі.