Application of Multilevel Voltage Inverters in Distributed Series Compensation Devices
Keywords:
distributed series compensation device, multilevel inverter circuit
Abstract
The operation principles of multilevel inverter circuits and methods for controlling them are considered. The operation of a multilevel circuit as part of a distributed transformer-based series compensation device is analyzed. The specific feature pertinent to the operation of a self-excited inverter within a distributed series compensation device is that it is loaded on the transformer connected in series into the power transmission line. In this case, the load is in fact a current transformer. Analytical expressions for calculating the circuit parameters are presented. The results of spectral modeling and simulation of the multilevel circuit in different modes of its operation are given. By using the spectral modeling, the currents and voltages of all power circuit components and their harmonic composition were estimated in the steady-state operation mode, and it has been shown that inductive injection is the heaviest mode of operation, because the inverter current reaches its maximum value in this mode. In using the multilevel circuit, additional requirements are posed to the control system, which, in addition to ensuring stable control of the output voltage, must also balance the voltages across the capacitors in the inverter arm. In selecting a storage capacitor and filter capacitor, it should be borne in mind that the maximum possible voltage across these components is determined not only by the necessary boost voltage, but also by the line current in the rectifier mode and can be significantly higher than the originally evaluated value. The obtained results can be used in designing distributed series compensation devices on the basis of an NPC inverter.
References
1. Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем. М.: Издат. дом МЭИ, 2012.
2. Панфилов Д.И. и др. Малогабаритные устройства продольной компенсации для воздушных линий электропередачи // Электротехника. 2017. № 7. С. 78—82.
3. Divan D., Johal H. Distributed FACTS – a New Concept for Realizing Grid Power Flow Control // Proc. 36th IEEE Power Electronics Specialists Conf. Brazil, 2005. Pp. 8—14.
4. Divan D., Kreikebaum F., Imayavaramban M. Active Smart Wires: an Inverter-less Static Series Compensator // Proc. Energy Conversion Congress and Exposition. Atlanta, 2010. Pp. 3626—3630.
5. Divan D. e. a. A Distributed Static Series Compensator System for Realizing Active Power Flow Control on existing Power Lines // IEEE PSCE Conf. Records. 2004. Pp. 642—649.
6. Panfilov D.I., Rashitov P.A., Petrov M.I. Optimization of Weight and Dimensions of Longitudinal Compensation Devices for Electric Transmission Lines 110—220 kV // Proc. 58th Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Eng. Riga, 2017. Pp. 1—6.
7. Асташев М.Г., Панфилов Д.И., Серегин Д.А., Чернышев А.А. Анализ режимов работы автономного последовательного регулятора потоков мощности для воздушных линий электропередачи // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2017. № 1. С. 39—52.
8. Rashitov P.A., Vershanskiy E.A., Gorchakov A.V. The Techniques of Reactance Regulation by the Distributed Static Synchronous Series Compensator in Power Lines // Proc. XX Intern. Conf. Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. M.: NRU MPEI, 2019. Pp. 469—475.
9. Таранов М.А., Корчагин П.Т. Многоуровневые и каскадные инверторы // Вестник аграрной науки Дона. 2013. № 1(21). С. 63—66.
10. Макаров В.Г., Хайбрахманов Р.Н. Многоуровневые инверторы напряжения. Обзор топологий и применение // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 22. С. 134—138.
11. Воронин П.А., Воронин И.П., Панфилов Д.И., Рожков Д.В. Уменьшение перенапряжений и динамических потерь мощности в силовых ключах многоуровневых схем // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2014. № 6. С. 41—52.
12. Колпаков А.И. Алгоритмы управления многоуровневыми инверторами // Силовая электроника. 2009. № 2. С. 57—65.
13. Matuskawa K., Yoshida K., Kaku S. Multilevel Pulse Width Modulation Sinusoidal Inverter with Modulation Switching and Carrier Frequency Modulation // Proc. Electronics and Communication Conf. 1997. V. 80. No. 2. Pp. 35—43.
14. Rashitov P., Vershanskiy E., Gorchakov A. Development of Control Algorithms to Ensure Optimal Thermal Modes of Semiconductor Switches in Distributed Static Synchronous Series Compensators // Proc. IEEE Intern. Conf. Environment and Electrical Eng. and Industrial and Commercial Power Systems Europe. 2019. Pp. 1—4.
15. Брованов С.В., Гришанов Е.В. Анализ способов баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока в однофазном трехуровневом преобразователе // Научный вестник НГТУ. 2015. № 1(58). С. 213—230.
16. Чаплыгин Е.Е. Инверторы напряжения и их спектральные модели. М.: Изд-во МЭИ, 2003.
17. Рожков Д.В. Универсальная спектральная модель многоуровневого инвертора напряжения // Вопросы электромеханики. 2013. № 3(134). С. 31—36.
18. Харитонов С.А., Брованов С.В. Однофазный трехуровневый выпрямитель с улучшенным гармоническим спектром входного тока // Электротехника. 2006. № 10. С. 27—33.
19. Баховцев И.А. Анализ выходных характеристик трехуровневого инвертора напряжения с ШИМ // Радиопромышленность. 2012. Вып. 1. С. 124—133.
20. Берестов В.М. Алгоритм управления многоуровневым инвертором напряжения // Электротехника. 2007. № 11. С. 7—15.
---
Для цитирования: Рашитов П.А., Серегин Д.А., Аникин М.Д., Вершанский Е.А. Применение многоуровневых инверторов напряжения в распределенных устройствах продольной компенсации // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 58—66. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-58-66.
#
1. Burman A.P., Rozanov Yu.K., Shakaryan Yu.G. Upravlenie Potokami Elektroenergii i Povyshenie Effektivnosti Elektroenergeticheskikh Sistem. M.: Izdat. Dom MEI, 2012. (in Russian).
2. Panfilov D.I. i dr. Malogabaritnye Ustroystva Prodol'noy Kompensatsii dlya Vozdushnykh Liniy Elektroperedachi. Elektrotekhnika. 2017;7:78—82. (in Russian).
3. Divan D., Johal H. Distributed FACTS – a New Concept for Realizing Grid Power Flow Control. Proc. 36th IEEE Power Electronics Specialists Conf. Brazil, 2005:8—14.
4. Divan D., Kreikebaum F., Imayavaramban M. Active Smart Wires: an Inverter-less Static Series Compensator. Proc. Energy Conversion Congress and Exposition. Atlanta, 2010:3626—3630.
5. Divan D. e. a. A Distributed Static Series Compensator System for Realizing Active Power Flow Control on existing Power Lines. IEEE PSCE Conf. Records. 2004:642—649.
6. Panfilov D.I., Rashitov P.A., Petrov M.I. Optimization of Weight and Dimensions of Longitudinal Compensation Devices for Electric Transmission Lines 110—220 kV. Proc. 58th Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Eng. Riga, 2017:1—6.
7. Astashev M.G., Panfilov D.I., Seregin D.A., Chernyshev A.A. Analiz Rezhimov Raboty Avtonomnogo Posledovatel'nogo Regulyatora Potokov Moshchnosti dlya Vozdushnykh Liniy Elektroperedachi. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2017;1:39—52. (in Russian).
8. Rashitov P.A., Vershanskiy E.A., Gorchakov A.V. The Techniques of Reactance Regulation by the Distributed Static Synchronous Series Compensator in Power Lines. Proc. XX Intern. Conf. Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. M.: NRU MPEI, 2019:469—475.
9. Taranov M.A., Korchagin P.T. Mnogourovnevye i Kaskadnye Invertory. Vestnik Agrarnoy Nauki Dona. 2013;1(21):63—66. (in Russian).
10. Makarov V.G., Khaybrakhmanov R.N. Mnogourovnevye Invertory Napryazheniya. Obzor Topologiy i primenenie. Vestnik Tekhnologicheskogo Universiteta. 2016;19;22:134—138. (in Russian).
11. Voronin P.A., Voronin I.P., Panfilov D.I., Rozhkov D.V. Umen'shenie Perenapryazheniy i Dinamicheskikh Poter' Moshchnosti v Silovykh Klyuchakh Mnogourovnevykh Skhem. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2014;6:41—52. (in Russian).
12. Kolpakov A.I. Algoritmy Upravleniya Mnogourovnevymi Invertorami. Silovaya Elektronika. 2009;2:57—65. (in Russian).
13. Matuskawa K., Yoshida K., Kaku S. Multilevel Pulse Width Modulation Sinusoidal Inverter with Modulation Switching and Carrier Frequency Modulation. Proc. Electronics and Communication Conf. 1997;80;2:35—43.
14. Rashitov P., Vershanskiy E., Gorchakov A. Development of Control Algorithms to Ensure Optimal Thermal Modes of Semiconductor Switches in Distributed Static Synchronous Series Compensators. Proc. IEEE Intern. Conf. Environment and Electrical Eng. and Industrial and Commercial Power Systems Europe. 2019:1—4.
15. Brovanov S.V., Grishanov E.V. Analiz Sposobov Balansa Napryazheniy na Kondensatorakh Zvena Postoyannogo Toka v Odnofaznom Trekhurovnevom Preobrazovatele. Nauchnyy Vestnik NGTU. 2015;1(58):213—230. (in Russian).
16. Chaplygin E.E. Invertory Napryazheniya i Ikh Spektral'nye Modeli. M.: Izd-vo MEI, 2003. (in Russian).
17. Rozhkov D.V. Universal'naya Spektral'naya Model' Mnogourovnevogo Invertora Napryazheniya. Voprosy Elektromekhaniki. 2013;3(134):31—36. (in Russian).
18. Kharitonov S.A., Brovanov S.V. Odnofaznyy Trekhurovnevyy Vypryamitel' s Uluchshennym Garmonicheskim Spektrom Vkhodnogo Toka. Elektrotekhnika. 2006;10:27—33. (in Russian).
19. Bakhovtsev I.A. Analiz Vykhodnykh Kharakteristik Trekhurovnevogo Invertora Napryazheniya s SHIM. Radiopromyshlennost'. 2012;1:124—133. (in Russian).
20. Berestov V.M. Algoritm Upravleniya Mnogourovnevym Invertorom Napryazheniya. Elektrotekhnika. 2007;11:7—15. (in Russian).
---
For citation: Rashitov P.A., Seregin D.A., Anikin M.D., Vershanskiy E.A. Application of Multilevel Voltage Inverters in Distributed Series Compensation Devices. Bulletin of MPEI. 2021;3:58—66. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-58-66.
2. Панфилов Д.И. и др. Малогабаритные устройства продольной компенсации для воздушных линий электропередачи // Электротехника. 2017. № 7. С. 78—82.
3. Divan D., Johal H. Distributed FACTS – a New Concept for Realizing Grid Power Flow Control // Proc. 36th IEEE Power Electronics Specialists Conf. Brazil, 2005. Pp. 8—14.
4. Divan D., Kreikebaum F., Imayavaramban M. Active Smart Wires: an Inverter-less Static Series Compensator // Proc. Energy Conversion Congress and Exposition. Atlanta, 2010. Pp. 3626—3630.
5. Divan D. e. a. A Distributed Static Series Compensator System for Realizing Active Power Flow Control on existing Power Lines // IEEE PSCE Conf. Records. 2004. Pp. 642—649.
6. Panfilov D.I., Rashitov P.A., Petrov M.I. Optimization of Weight and Dimensions of Longitudinal Compensation Devices for Electric Transmission Lines 110—220 kV // Proc. 58th Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Eng. Riga, 2017. Pp. 1—6.
7. Асташев М.Г., Панфилов Д.И., Серегин Д.А., Чернышев А.А. Анализ режимов работы автономного последовательного регулятора потоков мощности для воздушных линий электропередачи // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2017. № 1. С. 39—52.
8. Rashitov P.A., Vershanskiy E.A., Gorchakov A.V. The Techniques of Reactance Regulation by the Distributed Static Synchronous Series Compensator in Power Lines // Proc. XX Intern. Conf. Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. M.: NRU MPEI, 2019. Pp. 469—475.
9. Таранов М.А., Корчагин П.Т. Многоуровневые и каскадные инверторы // Вестник аграрной науки Дона. 2013. № 1(21). С. 63—66.
10. Макаров В.Г., Хайбрахманов Р.Н. Многоуровневые инверторы напряжения. Обзор топологий и применение // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 22. С. 134—138.
11. Воронин П.А., Воронин И.П., Панфилов Д.И., Рожков Д.В. Уменьшение перенапряжений и динамических потерь мощности в силовых ключах многоуровневых схем // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2014. № 6. С. 41—52.
12. Колпаков А.И. Алгоритмы управления многоуровневыми инверторами // Силовая электроника. 2009. № 2. С. 57—65.
13. Matuskawa K., Yoshida K., Kaku S. Multilevel Pulse Width Modulation Sinusoidal Inverter with Modulation Switching and Carrier Frequency Modulation // Proc. Electronics and Communication Conf. 1997. V. 80. No. 2. Pp. 35—43.
14. Rashitov P., Vershanskiy E., Gorchakov A. Development of Control Algorithms to Ensure Optimal Thermal Modes of Semiconductor Switches in Distributed Static Synchronous Series Compensators // Proc. IEEE Intern. Conf. Environment and Electrical Eng. and Industrial and Commercial Power Systems Europe. 2019. Pp. 1—4.
15. Брованов С.В., Гришанов Е.В. Анализ способов баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока в однофазном трехуровневом преобразователе // Научный вестник НГТУ. 2015. № 1(58). С. 213—230.
16. Чаплыгин Е.Е. Инверторы напряжения и их спектральные модели. М.: Изд-во МЭИ, 2003.
17. Рожков Д.В. Универсальная спектральная модель многоуровневого инвертора напряжения // Вопросы электромеханики. 2013. № 3(134). С. 31—36.
18. Харитонов С.А., Брованов С.В. Однофазный трехуровневый выпрямитель с улучшенным гармоническим спектром входного тока // Электротехника. 2006. № 10. С. 27—33.
19. Баховцев И.А. Анализ выходных характеристик трехуровневого инвертора напряжения с ШИМ // Радиопромышленность. 2012. Вып. 1. С. 124—133.
20. Берестов В.М. Алгоритм управления многоуровневым инвертором напряжения // Электротехника. 2007. № 11. С. 7—15.
---
Для цитирования: Рашитов П.А., Серегин Д.А., Аникин М.Д., Вершанский Е.А. Применение многоуровневых инверторов напряжения в распределенных устройствах продольной компенсации // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 58—66. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-58-66.
#
1. Burman A.P., Rozanov Yu.K., Shakaryan Yu.G. Upravlenie Potokami Elektroenergii i Povyshenie Effektivnosti Elektroenergeticheskikh Sistem. M.: Izdat. Dom MEI, 2012. (in Russian).
2. Panfilov D.I. i dr. Malogabaritnye Ustroystva Prodol'noy Kompensatsii dlya Vozdushnykh Liniy Elektroperedachi. Elektrotekhnika. 2017;7:78—82. (in Russian).
3. Divan D., Johal H. Distributed FACTS – a New Concept for Realizing Grid Power Flow Control. Proc. 36th IEEE Power Electronics Specialists Conf. Brazil, 2005:8—14.
4. Divan D., Kreikebaum F., Imayavaramban M. Active Smart Wires: an Inverter-less Static Series Compensator. Proc. Energy Conversion Congress and Exposition. Atlanta, 2010:3626—3630.
5. Divan D. e. a. A Distributed Static Series Compensator System for Realizing Active Power Flow Control on existing Power Lines. IEEE PSCE Conf. Records. 2004:642—649.
6. Panfilov D.I., Rashitov P.A., Petrov M.I. Optimization of Weight and Dimensions of Longitudinal Compensation Devices for Electric Transmission Lines 110—220 kV. Proc. 58th Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Eng. Riga, 2017:1—6.
7. Astashev M.G., Panfilov D.I., Seregin D.A., Chernyshev A.A. Analiz Rezhimov Raboty Avtonomnogo Posledovatel'nogo Regulyatora Potokov Moshchnosti dlya Vozdushnykh Liniy Elektroperedachi. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2017;1:39—52. (in Russian).
8. Rashitov P.A., Vershanskiy E.A., Gorchakov A.V. The Techniques of Reactance Regulation by the Distributed Static Synchronous Series Compensator in Power Lines. Proc. XX Intern. Conf. Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. M.: NRU MPEI, 2019:469—475.
9. Taranov M.A., Korchagin P.T. Mnogourovnevye i Kaskadnye Invertory. Vestnik Agrarnoy Nauki Dona. 2013;1(21):63—66. (in Russian).
10. Makarov V.G., Khaybrakhmanov R.N. Mnogourovnevye Invertory Napryazheniya. Obzor Topologiy i primenenie. Vestnik Tekhnologicheskogo Universiteta. 2016;19;22:134—138. (in Russian).
11. Voronin P.A., Voronin I.P., Panfilov D.I., Rozhkov D.V. Umen'shenie Perenapryazheniy i Dinamicheskikh Poter' Moshchnosti v Silovykh Klyuchakh Mnogourovnevykh Skhem. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2014;6:41—52. (in Russian).
12. Kolpakov A.I. Algoritmy Upravleniya Mnogourovnevymi Invertorami. Silovaya Elektronika. 2009;2:57—65. (in Russian).
13. Matuskawa K., Yoshida K., Kaku S. Multilevel Pulse Width Modulation Sinusoidal Inverter with Modulation Switching and Carrier Frequency Modulation. Proc. Electronics and Communication Conf. 1997;80;2:35—43.
14. Rashitov P., Vershanskiy E., Gorchakov A. Development of Control Algorithms to Ensure Optimal Thermal Modes of Semiconductor Switches in Distributed Static Synchronous Series Compensators. Proc. IEEE Intern. Conf. Environment and Electrical Eng. and Industrial and Commercial Power Systems Europe. 2019:1—4.
15. Brovanov S.V., Grishanov E.V. Analiz Sposobov Balansa Napryazheniy na Kondensatorakh Zvena Postoyannogo Toka v Odnofaznom Trekhurovnevom Preobrazovatele. Nauchnyy Vestnik NGTU. 2015;1(58):213—230. (in Russian).
16. Chaplygin E.E. Invertory Napryazheniya i Ikh Spektral'nye Modeli. M.: Izd-vo MEI, 2003. (in Russian).
17. Rozhkov D.V. Universal'naya Spektral'naya Model' Mnogourovnevogo Invertora Napryazheniya. Voprosy Elektromekhaniki. 2013;3(134):31—36. (in Russian).
18. Kharitonov S.A., Brovanov S.V. Odnofaznyy Trekhurovnevyy Vypryamitel' s Uluchshennym Garmonicheskim Spektrom Vkhodnogo Toka. Elektrotekhnika. 2006;10:27—33. (in Russian).
19. Bakhovtsev I.A. Analiz Vykhodnykh Kharakteristik Trekhurovnevogo Invertora Napryazheniya s SHIM. Radiopromyshlennost'. 2012;1:124—133. (in Russian).
20. Berestov V.M. Algoritm Upravleniya Mnogourovnevym Invertorom Napryazheniya. Elektrotekhnika. 2007;11:7—15. (in Russian).
---
For citation: Rashitov P.A., Seregin D.A., Anikin M.D., Vershanskiy E.A. Application of Multilevel Voltage Inverters in Distributed Series Compensation Devices. Bulletin of MPEI. 2021;3:58—66. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-58-66.
Published
2020-11-17
Section
Power Electronics (05.09.12)
