Mô Hình Hóa và Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu Đa Cấp ANPC

Luận văn về mô hình hóa và điều khiển bộ nghịch lưu đa cấp ANPC, một giải pháp hiệu quả trong kỹ thuật điện. Nghiên cứu chuyên sâu cho kỹ sư và nhà nghiên cứu.

• Tác giả: Tran Dinh Long
• Người hướng dẫn: Assoc. Nguyen Van Nho
• Trường học: Ho Chi Minh University of Technology
• Chuyên ngành: Electrical Engineering
• Đề tài: Modelling and Control of Active Neutral Point Clamped Multi-level Inverter
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Tổng Quan Bộ Nghịch Lưu Đa Cấp ANPC 5 Cấp Giới Thiệu

Bộ nghịch lưu đa cấp ANPC đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Có ba loại chính: NPC, FC và Cascade. Trong đó, NPC được ưa chuộng vì cấu trúc đơn giản và chi phí thấp. Các ứng dụng công suất và điện áp cao thường sử dụng NPC 3 bậc và 5 bậc để cải thiện THD và giảm CMV (Common Mode Voltage). Tuy nhiên, bộ nghịch lưu NPC 5 bậc gặp phải những thách thức như khó cân bằng điện áp DC link và sự khác biệt điện áp giữa các diode. Active NPC (ANPC) ra đời, kết hợp sự mạnh mẽ của NPC và tính linh hoạt của FC. Điều này tạo ra một giải pháp hiệu quả hơn cho nhiều ứng dụng khác nhau. Theo nghiên cứu của Đại học Bách Khoa TP.HCM, ANPC hứa hẹn giải quyết các vấn đề của NPC truyền thống.

1.1. Cấu trúc và Nguyên lý Hoạt động của 5L ANPC

Mạch 5L-ANPC gồm ba nhánh pha, mỗi nhánh có bốn cặp chuyển mạch (Sw1x và Sw2x), (Sw3x và Sw4x), (Sw5x và Sw6x), (Sw7x và Sw8x), một tụ bay (FC) và hai tụ điện liên kết DC. Điện áp điểm trung tính (NP) bằng một nửa điện áp liên kết DC. Tải có thể là tải ba pha RL. Số lượng chuyển mạch càng nhiều, càng tạo ra nhiều mức điện áp. Việc chọn trạng thái chuyển mạch phù hợp để cân bằng điện áp FC phụ thuộc vào đường dẫn dòng điện và trạng thái của FC. Trong quá trình hoạt động, các chuyển mạch S5x, S6x, S7x và S8x chịu điện áp gấp đôi so với bốn chuyển mạch còn lại S1x, S2x, S3x, S4x. Có hai giải pháp cho vấn đề này: chọn linh kiện tốt hơn cho bốn chuyển mạch đầu hoặc tăng gấp đôi số lượng chuyển mạch ở bốn vị trí này. Tuy nhiên, luận văn này lựa chọn giải pháp đầu tiên.

1.2. Ưu điểm của ANPC So Với Các Loại Nghịch Lưu Đa Cấp Khác

So với NPC, ANPC khắc phục được nhược điểm về cân bằng điện áp và yêu cầu diode có điện áp khác nhau. So với FC, ANPC giảm thiểu được số lượng linh kiện lớn và chi phí cao. Đồng thời, ANPC vẫn giữ được tính linh hoạt trong điều khiển. Điều này làm cho ANPC trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao và độ tin cậy. ANPC được coi là sự kết hợp hoàn hảo giữa tính ổn định và khả năng thích ứng.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu ANPC 5 Cấp

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc điều khiển bộ nghịch lưu ANPC 5 cấp vẫn tồn tại những thách thức nhất định. Một trong số đó là duy trì sự cân bằng điện áp của tụ bay (FC). Điện áp FC không ổn định có thể dẫn đến hiệu suất hoạt động kém và thậm chí gây hư hỏng cho thiết bị. Ngoài ra, việc giảm thiểu THD và CMV cũng là những vấn đề quan trọng cần được giải quyết. Các thuật toán điều khiển phức tạp hơn có thể giúp cải thiện hiệu suất, nhưng cũng đồng thời làm tăng chi phí và độ phức tạp của hệ thống. Nghiên cứu của Tran Dinh Long (2023) chỉ ra rằng việc tìm ra sự cân bằng giữa hiệu suất và chi phí là rất quan trọng.

2.1. Vấn đề Cân Bằng Điện Áp Tụ Bay FC Trong ANPC

Điện áp FC cần được duy trì ổn định để đảm bảo hoạt động chính xác của ANPC. Sự mất cân bằng điện áp FC có thể gây ra nhiều vấn đề như tăng THD, giảm hiệu suất và thậm chí gây hư hỏng cho các linh kiện. Các phương pháp điều khiển khác nhau được sử dụng để giải quyết vấn đề này, bao gồm cả việc sử dụng các trạng thái chuyển mạch dự phòng để điều chỉnh điện áp FC. Thuật toán cân bằng điện áp cần phải nhanh chóng và chính xác để đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng.

2.2. Giảm Thiểu THD Total Harmonic Distortion Cho Điện Áp Đầu Ra

THD là một chỉ số quan trọng đánh giá chất lượng điện áp đầu ra. THD cao có thể gây ra nhiễu và ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống. Việc giảm thiểu THD thường đòi hỏi các kỹ thuật điều khiển phức tạp hơn, chẳng hạn như SVPWM (Space Vector PWM). Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

2.3. Kiểm Soát Điện Áp Chế Độ Chung Common Mode Voltage CMV

CMV có thể gây ra dòng điện rò và các vấn đề liên quan đến EMC (Electromagnetic Compatibility). Việc giảm thiểu CMV là rất quan trọng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các hệ thống truyền động điện. Các kỹ thuật điều khiển như SVPWM có thể được sử dụng để giảm thiểu CMV. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc phát triển các thuật toán SVPWM mới để giảm thiểu CMV một cách hiệu quả.

III. Cách Mô Hình Hóa Bộ Nghịch Lưu Đa Cấp ANPC 5 Cấp Hiệu Quả

Việc mô hình hóa chính xác bộ nghịch lưu ANPC 5 cấp là rất quan trọng để thiết kế và điều khiển hệ thống một cách hiệu quả. Mô hình có thể được xây dựng bằng các công cụ mô phỏng như MATLAB/Simulink hoặc PLECS. Mô hình cần phải bao gồm tất cả các thành phần quan trọng của hệ thống, bao gồm các chuyển mạch, tụ điện và tải. Quá trình mô hình hóa cũng cần phải xem xét các yếu tố phi tuyến tính và các hiện tượng chuyển mạch. Tran Dinh Long (2023) đã sử dụng MATLAB/Simulink để mô hình hóa ANPC và đánh giá hiệu suất của các thuật toán điều khiển khác nhau.

3.1. Sử Dụng MATLAB Simulink Để Mô Phỏng ANPC 5 Cấp

MATLAB/Simulink là một công cụ mô phỏng mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử công suất. Nó cung cấp các thư viện và công cụ cần thiết để xây dựng và mô phỏng các hệ thống điện phức tạp, bao gồm cả bộ nghịch lưu ANPC 5 cấp. Mô hình Simulink có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất của các thuật toán điều khiển khác nhau và tối ưu hóa thiết kế hệ thống.

3.2. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Cho Bộ Nghịch Lưu ANPC

Việc xây dựng mô hình toán học cho bộ nghịch lưu ANPC cho phép phân tích hệ thống một cách chi tiết và dự đoán hành vi của nó trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Mô hình toán học có thể được sử dụng để thiết kế các thuật toán điều khiển tối ưu và đánh giá độ ổn định của hệ thống. Mô hình cần phải xem xét các yếu tố phi tuyến tính và các hiện tượng chuyển mạch để đảm bảo tính chính xác.

IV. Giải Pháp Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu ANPC 5 Cấp CBPWM SVPWM

Có nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa cấp, bao gồm CBPWM (Carrier-Based PWM) và SVPWM (Space Vector PWM). CBPWM đơn giản và dễ thực hiện, nhưng SVPWM mang lại hiệu suất tốt hơn, đặc biệt là trong việc giảm THD và CMV. SVPWM sử dụng các vector không gian để điều khiển chuyển mạch của bộ nghịch lưu, cho phép điều khiển chính xác hơn điện áp đầu ra. Tran Dinh Long (2023) đã so sánh hiệu suất của CBPWM và SVPWM và kết luận rằng SVPWM vượt trội hơn trong nhiều ứng dụng.

4.1. Điều Khiển ANPC Bằng Phương Pháp CBPWM Carrier Based PWM

CBPWM là một phương pháp điều khiển đơn giản và dễ thực hiện cho bộ nghịch lưu ANPC. Nó sử dụng một hoặc nhiều sóng mang để so sánh với tín hiệu điều chế và tạo ra các xung điều khiển cho các chuyển mạch. Mặc dù đơn giản, CBPWM có thể đạt được hiệu suất chấp nhận được trong nhiều ứng dụng. Có nhiều biến thể của CBPWM, bao gồm PD-PWM (Phase Disposition PWM), POD-PWM (Phase Opposite Disposition PWM) và APOD-PWM (Alternate Phase Opposite Disposition PWM).

4.2. Kỹ Thuật Điều Chế Vector Không Gian SVPWM Cho ANPC

SVPWM là một phương pháp điều khiển tiên tiến hơn cho bộ nghịch lưu ANPC. Nó sử dụng các vector không gian để biểu diễn điện áp đầu ra và điều khiển chuyển mạch của bộ nghịch lưu để tạo ra điện áp mong muốn. SVPWM cho phép điều khiển chính xác hơn điện áp đầu ra và giảm thiểu THD và CMV. Tuy nhiên, SVPWM phức tạp hơn CBPWM và đòi hỏi nhiều tính toán hơn.

4.3. Đề Xuất SVPWM Để Giảm Điện Áp Chế Độ Chung CMV

Luận văn của Tran Dinh Long (2023) đề xuất một phương pháp SVPWM mới để giảm CMV trong bộ nghịch lưu ANPC. Phương pháp này sử dụng các vector không gian đặc biệt để giảm CMV mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng phương pháp SVPWM được đề xuất có thể giảm CMV đáng kể so với các phương pháp SVPWM truyền thống.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ Nghịch Lưu Đa Cấp ANPC 5 Cấp

Bộ nghịch lưu ANPC 5 cấp có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm năng lượng tái tạo, lưới điện thông minh và truyền tải điện cao áp. Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, ANPC được sử dụng để kết nối các nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió vào lưới điện. Trong lưới điện thông minh, ANPC được sử dụng để điều khiển dòng điện và điện áp trong hệ thống. Trong truyền tải điện cao áp, ANPC được sử dụng để chuyển đổi điện áp và truyền tải điện năng một cách hiệu quả.

5.1. ANPC 5 Cấp Trong Hệ Thống Năng Lượng Tái Tạo

Bộ nghịch lưu ANPC 5 cấp đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện. Nó chuyển đổi điện áp DC từ các tấm năng lượng mặt trời hoặc tuabin gió thành điện áp AC phù hợp để kết nối vào lưới điện. ANPC giúp cải thiện chất lượng điện năng và tăng hiệu quả của hệ thống năng lượng tái tạo.

5.2. Ứng Dụng Trong Lưới Điện Thông Minh Smart Grid

Trong lưới điện thông minh, bộ nghịch lưu ANPC 5 cấp được sử dụng để điều khiển dòng điện và điện áp, cung cấp khả năng điều chỉnh điện áp, bù công suất phản kháng và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của lưới điện.

5.3. ANPC 5 Cấp Trong Truyền Tải Điện Cao Áp Một Chiều HVDC

Bộ nghịch lưu ANPC 5 cấp có thể được sử dụng trong các hệ thống HVDC (High Voltage Direct Current) để chuyển đổi điện áp và truyền tải điện năng một cách hiệu quả trên khoảng cách xa. ANPC giúp giảm tổn thất điện năng và cải thiện hiệu suất của hệ thống HVDC.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Bộ Nghịch Lưu ANPC 5 Cấp

Bộ nghịch lưu ANPC 5 cấp là một giải pháp hiệu quả cho nhiều ứng dụng điện năng. Các nghiên cứu và giải pháp điều khiển mới liên tục được phát triển để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí và mở rộng ứng dụng của ANPC 5 cấp. Theo Tran Dinh Long (2023), việc kết hợp ANPC với các công nghệ điều khiển thông minh như trí tuệ nhân tạo (AI) có thể mở ra những tiềm năng mới.

6.1. Tổng Kết Các Nghiên Cứu Về Mô Hình Hóa và Điều Khiển ANPC

Các nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển ANPC đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, chẳng hạn như việc phát triển các thuật toán điều khiển mạnh mẽ hơn và giảm chi phí của hệ thống. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc khám phá các công nghệ mới và tối ưu hóa thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của ANPC.

6.2. Tiềm Năng Phát Triển Của ANPC Trong Tương Lai

ANPC có tiềm năng phát triển rất lớn trong tương lai. Với sự phát triển của các công nghệ mới như vật liệu bán dẫn silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), ANPC có thể đạt được hiệu suất và độ tin cậy cao hơn. Ngoài ra, việc kết hợp ANPC với các công nghệ điều khiển thông minh như trí tuệ nhân tạo (AI) có thể mở ra những tiềm năng mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY -------------------- TRAN DINH LONG MODELLING AND CONTROL OF ACTIVE NEUTRAL POINT CLAMPED MULTI-LEVEL INVERTER Major: Electrical Engineering Major ID: 8520201 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, February 2023 THIS RESEARCH IS COMPLETED AT: HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU HCM Instructor: Assoc. Nguyen Van Nho. Truong Phuoc Hoa. Tran Thanh Ngoc.

Master’s Thesis is defended at HCMC University of Technology, VNU- HCM on February 04, 2023 The Board of The Master’s Thesis Defense Council includes: 1. Nguyen Dinh Tuyen 2. Nguyen Chan Viet 3. Truong Phuoc Hoa 4.

Tran Thanh Ngoc 5. Council Member: Dr. Huynh Van Van Verification of the chairman of the Master’s Thesis Defense Council and the Dean of the Faculty of Electrical and Electronics Engineering after the defense is correct (if any). CHAIRMAN OF THE COUNCIL DEAN OF FACULTY OF (Full name and signature) ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING (Full name and signature) VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HCMC SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM VNUHCM UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independent – Liberty - Happiness MASTER’S THESIS ASSIGNMENTS Full name: TRAN DINH LONG.

Date of birth: October 24th,1997 .Place of birth: HCMC. Major: Electrical Engineering. TITTLE: Modelling and Control of Active Neutral Point Clamped Multi-level Inverter Mô hình hoá và điều khiển bộ nghịch lưu tích cực. ASSIGNMENTS AND CONTENTS:.

Modelling the 5L ANPC with CBPWM method Modelling the 5L ANPC with SVPWM method Proposed SVPWM method to reduce Common-mode voltage. ASSIGNMENT DELIVERING DATE : September 5th,2022. ASSIGNMENT COMPLETING DATE: December 18th,2022. Nguyen Van Nho.

Ho Chi Minh City, December 16th, 2022 INSTRUCTOR HEAD OF DEPARTMENT (Full name and signature) (Full name and signature) DEAN OF FACULTY OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING (Full name and signature) i ACKNOWLEDGEMENTS Give the best sincerely to Associate Professor Nguyen Van Nho who has guided me through the thesis process. His expertise in this field of study is exceptional, and it was a pleasure and honour for me to have him as an advisor. I would like to thank Mr. Pham Dang Khoa and the members of PERLAB for assisting and encouraging me.

Finally, I sincerely thank my family for all the support they have given to me over the years Ho Chi Minh City, December 19th 2022 Student Tran Dinh Long ii ABSTRACT Multi-level inverters (MLIs) have been increasingly used practically. There are three main types: Neutral-Point-Clamped (NPC), Flying Capacitor (FC), and Cascade where NPCs are mostly used due to the simple structure and low cost. Three-level (3L) and five-level (5L) NPC have become the solution for higher power applications, which create better THD and CMV performance. The 5L NPC inverter has several problems such as different voltage ratings of diodes, and difficulty in balancing DC link voltage.

Active NPC (ANPC) has been introduced combining the robustness of the NPC and the d flexibility of the FC. There are many PWM methods to control the ANPC as CBPWM and SVPWM: CBPWM is simple and SVPWM is effective to reduce or eliminate the CMV. The proposed content of this thesis: SVPWM, CMV reduction and FC balancing. TÓM TẮT LUẬN VĂN Bộ nghịch lưu ngày càng được sử dụng phổ biến trong thực tế.

Có 3 dạng chính của nghịch lưu là NPC, FC và cascade, trong đó NPC được sử dụng nhiều do cấu trúc đơn giản và giá thành tiết kiệm. Với các thiếu bị đòi hỏi công suất và điện áp cao, NPC 3 bậc và 5 bậc được phát triển nhằm tăng THD và giảm CMV. Bộ nghịch lưu NPC 5 bậc xảy ra những khuyết điểm như khó cân bằng điện áp DC link, và điện áp giữa các diode khác nhau. Vì thế, nghịch lưu tích cực đã ra đời, là sự kết hợp giữa NPC và FC.

ANPC thường được điều khiển bằng phương pháp CBPWM là phương pháp đơn giản, trong đó SVPWM lại mang hiệu quả cao hơn trong việc giảm hoặc triệt tiêu CMV. Mục tiêu đề ra của luận văn nhằm đề xuất phương pháp SVPWM giảm dòng CMV và cân bằng điện áp FC. iii DECLARATION I certify that the work has not been submitted previously. The content of the thesis is the result of work which has been carried out since the official commencement date of the thesis Tran Dinh Long iv TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS.

ii TÓM TẮT LUẬN VĂN. iii LIST OF FIGURES .vi LIST OF TABLES. Overview of the 5L-ANPC .1 The 5L-ANPC Topology .2 Analysis of the 5L-ANPC .3 Principle of Capacitor Voltage Balancing. Carrier-based PWM for the 5L-ANPC inverter .1 Literature review for the CB-PWM.2 Flow chart of the CB-PWM algorithm.

Space Vector PWM for the 5L-ANPC.1 Proposed SVPWM for 5L-ANPC .2 Voltage balancing of the FC. Proposed SVPWM to reduce Common mode voltage .1 Common mode voltage (CMV) .2 Proposed SVPWM method to reduce CMV .1 Carrier-based PWM .1 Overview of losses calculation method. Conclusion and Future Works. 50 List of Publications.

65 vi LIST OF FIGURES Figure 1-1:NPC inverter topology and FC inverter topology. 2 Figure 2-1: Structure of 5L-ANPC inverter. 4 Figure 2-2: Switching state S1. 7 Figure 2-3: Switching state S2.

8 Figure 2-4: Switching state S3. 9 Figure 2-5 Switching state S4. 11 Figure 2-6: Switching state S5. 12 Figure 2-7: Switching state S6.

13 Figure 2-8 Switching state S7. 15 Figure 2-9 Switching state S8. 16 Figure 2-10 Algorithm for balancing Flying capacitor. 17 Figure 3-1: Carrier wave for CB-PWM case.

18 Figure 3-2 Flowchart of the 5L ANPC using CB PWM. 20 Figure 4-1 Space vectors of 5L-ANPC inverter. 23 Figure 4-2 Diving hexagon into 6 sectors. 27 Figure 4-3 Space vector in sector1.

28 Figure 4-4 Determine m1, m2 of Vref. 29 Figure 4-5 Switching sequence arranged in a symmetrical pattern. 33 Figure 4-6 Effect of redundant switching states on the FC voltages. 33 Figure 5-1 Space vector diagram for the 5L ANPC reducing CMV.

35 Figure 5-2 Switching voltage vector in Sector I to reduce CMV. 36 Figure 5-3 Switching sequence in region 5. 37 Figure 6-1 Model of 5L ANPC in MATLAB Simulink. 38 Figure 6-2 Vpp, Vpn, and I phase for CBPWM with m = 0.

39 Figure 6-3 Vpp, Vpn, and I phase for CBPWM with m = 0. 39 Figure 6-4 Vpp, Vpn, and I phase for CBPWM with m = 0. 40 vii Figure 6-5 Vpp, Vpn, and I phase for CBPWM with m = 0. 40 Figure 6-6 Common-mode voltage when m =0.8by using SinPWM.

41 Figure 6-7 THD I of SinPWM. 41 Figure 6-8 THD Vpn and Vpp of Sin PWM. 42 Figure 6-9 Vpp, Vpn, and I phase for SVPWM with m = 0. 42 Figure 6-10 Vpp, Vpn, and I phase for SVPWM with m = 0.

43 Figure 6-11 Vpp, Vpn, and I phase for SVPWM with m = 0. 43 Figure 6-12 Common-mode voltage when m = 0. 44 Figure 6-13 THD I of SVPWM. 44 Figure 6-14 THD Vpn and Vpp of Sin PWM.

45 Figure 7-1 Summary the losses in IGBT module. 46 Figure 7-2 Specification of RGW60TS65CHR. 48 Figure 7-3 The total losses of the ANPC when m = 0. 48 Figure 7-4 CMV voltage at m = 0.2 in CBPWM and SVPWM.

49 viii LIST OF TABLES Table 2-1: Single phase Switching states of 5L-ANPC Inverter. 5 Table 2-2 Switching state at S1. 7 Table 2-3 Switching state at S2. 8 Table 2-4: Switching state S3.

9 Table 2-5 Switching state S4. 11 Table 2-6: Switching state S5. 12 Table 2-7 Switching state S6. 13 Table 2-8 Switching state S7.

15 Table 2-9 Switching state S8. 16 Table 3-1 VXN and Switching states corresponding with Vref and Vcar. 18 Table 4-1 States and amplitude of space vector. 24 Table 4-2 Dividing sector.

28 Table 4-3 Subsector based on m1, m2. 30 Table 4-4 Duty cycles of each subsector. 32 Table 6-1 Simulation parameters for ANPC inverter.1 Background Multilevel topologies provide a clever way of connecting switches in series, thus enabling the processing of voltages that are higher than the device rating. The industry’s need for medium voltage drives has triggered considerable research in this field, in which most applications include drives for pumps, blowers, compressors, conveyors, ….

In general, multilevel converters are effective means of reducing harmonic distortion and dv/dt of the output voltages, which makes this technology applicable to utility interfaces and drives. There are a limited number of topologies that provide multilevel voltages and are suitable for medium-voltage applications. The most known topologies are the neutral-point-clamped (NPC), the flying capacitor (FC), cascade, … The NPC multilevel inverter shown in Figure l(a) is a natural extension of the three- level converter presented by Nabae (3L-NPC). After being introduced in 1981, NPC has widely used in industry, especially in medium-voltage applications.

The advantage of the NPC is its simple structure and low cost. However, the disadvantages are the unbalance of the DC voltage, and the differences of the diode voltage ratio. The benefit while using FC is the ability to balance the capacitor voltage. But it is quite hard to carry and priceful due to its bulky size and expensive components.

Figure 1(c) describes a cascade inverter. This structure, on the one hand, will reduce the voltage stress on H-bridge switches and boost voltage. On the other hand, there are numerous of components, which will increase the size and complicate topology. 2 Figure 1-1:NPC inverter topology and FC inverter topology Based upon the previous description, the Active NPC (ANPC) multi-level converter combines the flexibility of the multi-level FC inverter with the robustness of industrial NPC converters to generate multilevel voltages.

The proposed concept called ANPC (5L-ANPC) converter was first proposed in 2005 by ABB to eliminate the disadvantages of the NPC and the FC topology. The next part is about the target of the thesis.2 Problem Definition In this dissertation, the author’s aims were to model and control the 5L-ANPC. The achieve this goal, there are several objectives shown below: - Study the NPC. - Study the 5L-ANPC.

- Study the carrier-based pulse width modulation (CBPWM). - Study the space vector pulse width modulation (SVPWM) to reduce/eliminate Common-Mode Voltage (CMV). - Modelling the ANPC with MATLAB Simulink - Simulation results through MATLAB and PLECS.3 Thesis agenda There are 8 main parts - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Overview of the 5L-ANPC - Chapter 3: CBPWM for 5L-ANPC - Chapter 4: SVPWM for 5L-ANPC - Chapter 5: Proposed SVPWM to reduce CMV - Chapter 6: Simulation results - Chapter 7: Loss calculation - Chapter 8: Conclusion and Future works 4 Chapter 2. Overview of the 5L-ANPC 2.1 The 5L-ANPC Topology The topology of the 5L-ANPC inverter is shown in Fig.

It includes 3 phase legs, each phase leg comprises four complementary switch pairs (Sw1x and Sw2x), (Sw3x and Sw4x), (Sw5x and Sw6x), (Sw7x and Sw8x), 1 flying capacitor (FC) and two DC-link capacitors. The neutral point (NP) voltage is rated at half of the DC-link voltage. The load could be a three- phase RL load. P Sw5A Sw5B Sw5C + Sw3A Sw3B Sw3C C1 - Sw6A Sw6B Sw6C Sw1A Sw1B Sw1C O + + + Ca - Cb - Cc - Sw2A Sw2B Sw2C Sw7A Sw7B Sw7C + Sw4A Sw4B Sw4C C2 - Sw8A Sw8B Sw8C N Figure 2-1: Structure of 5L-ANPC inverter It can be seen the higher number of switches; the more voltage ratings are created.

Depending on the current flow path and the status of the FCs, we can choose suitable switching states to balance the FC voltages.