Incipient Fault Diagnosis of a Grid-Connected T-Type Multilevel Inverter Using Multilayer Perceptron and Walsh Transform

Publisher Copyright: © 2023 by the authors.This article deals with fault detection and the classification of incipient and intermittent open-transistor faults in grid-connected three-level T-type inverters. Normally, open-transistor detection algorithms are developed for permanent faults. Nevertheless, the difficulty to detect incipient and intermittent faults is much greater, and appropriate methods are required. This requirement is due to the fact that over time, its repetition may lead to permanent failures that may lead to irreversible degradation. Therefore, the early detection of these failures is very important to ensure the reliability of the system and avoid unscheduled stops. For diagnosing these incipient and intermittent faults, a novel method based on a Walsh transform combined with a multilayer perceptron (MLP)-based classifier is proposed in this paper. This non-classical approach of using the Walsh transform not only allows accurate detections but is also very fast. This last characteristic is very important in these applications due to their practical implementation. The proposed method includes two main steps. First, the acquired AC currents are used by the control system and processed using the Walsh transform. This results in detailed information used to potentially identify open-transistor faults. Then, such information is processed using the MLP to finally determine whether a fault is present or not. Several experiments are conducted with different types of incipient transistor faults to create a relevant dataset.publishersversionpublishe

Вибір топології інвертора для автономних систем електроживлення з використанням сонячних панелей

This article is devoted to the task of selection of photovoltaic power system inverter that would comprehend to all of the demands that could be applied to it. The challenge of creating efficient and reliable converter for the renewable energy systems that implies solar panels as primary energy sources is well-known since the first day of their existence as a possible choice for the role of the only power source in the system. The great breakthrough in the field of photovoltaic power system converters design was achieved in late 80’s-early 90’s years of the 20th century due to the several positive circumstances that included rapid evolution of the semiconductor industry at whole which sums up in the development of a new generation of power switches that was capable to operate in higher voltage and current ranges which was unreachable for the prior generation switches and new microcontrollers that was able to maintain more complex control algorithms than ones that were used before which in general resulted in significant downsizing of the resulting device and made it possible to practically develop power inverters with complex topologies that was considered over sophisticated and unreliable before. These factors leaded to the development of numerous new topologies with the main goal of transformation losses reduction and power efficiency increase. The desired result was obtained either thru the fulfilling the demands invoked by the photovoltaic sources operation features (z-source topologies) or power system topology features and reduction of output voltage THD ratio (multilevel inverters). But consideration of only one type of factors has not allowed achieving the maximum result in power losses task. Thus solution of the determined task should be started from complete identification and broad consideration of the main factors that define set of demands that converter has to face. In this article parameters of THD ratio of the inverter’s output voltage, photovoltaic source’s operation features and power system topology specifics were considered as the most valuable parameters that affects the power conversion losses values and was discovered in details based on a survey of the existing publications in the field of the study, international and local standards of consumer voltage quality parameters and practical results of the most popular and widespread topologies simulation in order to obtain an output voltage THD ratio. The achieved results demonstrate that inverter topology that would be able to satisfy all of the requirements has to have modular structure to be able to maintain the proper THD ratio and connect to the most popular types of the photovoltaic power system topologies and be based on the z-source topologies to imply the photovoltaic sources operation features. Therefore as a conclusion a cascaded multilevel inverter with a separated input DC sources topology that is based on quasi-z-source modules was recommended as a solution that could also be used as a base for the further power converter development.У матеріалах статті наведено рекомендації щодо вибору топології інвертора для систем електроживлення Microgrid з використанням сонячних панелей у якості відновних джерел енергії виходячи з параметру граничних значень коефіцієнту нелінійних спотворень напруги, зазначених у міжнародних стандартах щодо якості напруги побутової мережі, вимог викликаних специфікою будови систем та особливостей функціонування використовуваного типу джерел живлення

Порівняння топологій інверторів за коефіцієнтом нелінійних спотворень вихідної напруги

This paper is devoted to comparison analysis of different topologies of the inverters that are used in the systems with alternative energy sources. A brief theoretical review of the most commonly used topologies for the power systems with alternative energy sources are given, their main advantages and disadvantages are determined. In close details were considered principles of construction and operation of the topology with impedance input circuit (z-inverter), and topology with quasi-impedance input circuit (quasi-z-inverter). A special feature of these topologies is ability to operate in special mode which is called “shoot-trough state”. It means that one of the inverter’s arms is short-circuited for a small period of time which substitutes a part of the zero state. Possibility to operate in such state allows to increase the input voltage of the inverter that can be very suitable in inverters that are included in photovoltaic power systems. Implementation of shoot-trough state allows tracking maximum power point of the photovoltaic array without implementation of additional converters for this. Implementation of quasi-z-topology allows to reduce the load on the passive components of the impedance circuit and to ensure continuous power take-off from the solar batteries array, which makes it easier to track the maximum power point. As an evolution of the cascade multilevel and z- / quasi-z-inverter topologies multilevel cascaded topologies with z- and quasi-z-inverters in separate blocks were considered. The main principles of this structure allows to unite all advantages of cascaded multilevel and z-/quasi-z topologies in one device but also bring few drawbacks such as complexity of the implementation and higher cost of the resulting device. These topologies were simulated in Matlab Simulink, output voltage spectra and total harmonic distortion was obtained and analyzed. According to the obtained results of the simulation and review recommendations for proper selection of the topology of inverter depending on the type and sensitivity to the quality of the input voltage of the load and type of chosen alternative energy source are given. According to this results convenient cascaded multilevel topology could be recommended for the loads that are especially vulnerable to low quality of input supply voltage such as analog amplifiers and radio receivers as topology that have lowest THD (Total harmonic distortion) ratio. Z-/quasi-z-topologies are appropriate to consider as a converter of photovoltaic power system that will work on loads that are not demanding to the quality of supply voltage as topologies with highest level of THD of the output voltage. Cascaded topologies with z- and quasi-z-inverters in separate blocks could be considered as a compromise that could be used in photovoltaic power systems that works on vulnerable loads but such solution increases the cost of a whole power system and complication of the control system.Проведен обзор топологий инверторов напряжения, широко использующихся в системах электропитания с альтернативными источниками электроэнергии, определены достоинства и недостатки каждой из топологий. Подробнее рассмотрены принципы построения и функционирования инверторов с импедансной и квази-импедансной цепью во входном контуре. Проведено сравнение многоуровневой каскадной топологии, топологии с импедансной цепью во входном контуре (z-инвертор), топологии с квази-импедансной цепью во входном контуре (квази-z-инвертор), многоуровневых каскадных топологий с использованием z- и квази-z-инверторов в качестве топологии силовой части отдельного модуля по коэффициенту нелинейных искажений выходного напряжения. На основании результатов полученных в ходе исследований приведены рекомендации по использованию рассмотренных топологий исходя из требований нагрузки к качеству выходного напряжения и типа используемого альтернативного источника электроэнергии.Библ. 11, рис. 4.Проведено огляд топологій інверторів напруги, що знаходять широке використання у системах електроживлення з альтернативними джерелами енергії, визначено переваги та недоліки кожної з топологій. Більш детально розглянуто будову та принцип функціонування інверторів з імпедансним та квазі-імпедансним ланцюгом у вхідному колі. Проведено порівняння багаторівневої каскадної топології, топології з імпедансним ланцюгом у вхідному контурі (z-інверторів), топології з квазі-імпедансним ланцюгом у вхідному контурі (квазі-z-інверторів), а також багаторівневих каскадних топологій з використанням z- та квазі-z-інверторів у якості топології силової частини окремого модуля за коефіцієнтом нелінійних спотворень вихідної напруги. За результатами отриманими в результаті досліджень наведено рекомендації щодо застосування досліджених топологій виходячи з вимог навантаження до якості вихідної напруги та типу використовуваного джерела альтернативної енергії.Бібл. 11, рис. 4

Огляд основних топологій багаторівневих каскадних інверторів напруги

Проведено огляд основних топологій багаторівневих каскадних інверторів напруги, визначені їх основні переваги та недоліки. Запропоновано класифікацію схем за ознаками типу модуляції, структури силової частини та керування. У результаті проведеного огляду визначено два основних методи керування багаторівневими каскадними інверторами, за допомогою ШІМ та АШІМ, три основних типи схем, дві структури модулів та три варіанти додавання напруги в навантаженні, відповідно до яких створено класифікацію каскадних багаторівневих інверторів напруги. Більш докладно розглянуті принципи побудови та функціонування схем побудованих за топологіями на базі з’єднання Н-модулів з однаковими коефіцієнтами трансформації, з’єднання Н-модулів з напругами джерел, що визначаються ступенями m, з’єднання Н-модулів з коефіцієнтами трансформації (напругами джерел), що визначаються розкладанням ступінчастої функції в ортогональні ряди та багаторівневого інвертора на базі з’єднання модулів В-Н типу з фазосувним трансформатором у вхідному колі. У результаті проведеного огляду були визначені переваги та недоліки кожної зі схем, що визначають області їх застосування. Підсумовуючи проведений огляд визначено, що на сучасному етапі тривають дослідження в напрямку пошуку ефективних схемотехнічних рішень для багаторівневих інверторів каскадного (модульного) типу, та оптимізації алгоритмів та систем керування для підвищення коефіцієнту використання вентилів, зменшення коефіцієнту нелінійних спотворень, навантаження на вентилі та досягнення максимально можливої вихідної потужності. Бібл. 31, рис.