Open circuit fault diagnosis for a five-level neutral point clamped inverter in a grid-connected photovoltaic system with hybrid energy storage system

Abstract

Introduction. Recently, the number of high and medium voltage applications has increased dramatically. The connection between these different applications requires series-parallel combinations of power semiconductors. Multilevel converter topologies provide major advantages to these applications. In this paper, a grid-connected photovoltaic system with a hybrid energy storage system using a five-level neutral point clamped inverter is studied. Although the multilevel inverter has many advantages over the two-level inverter, it has a high probability of experiencing an open circuit fault. In this context, the five-level inverter has 24 controllable switches, one of which may experience an open circuit fault at any time. Therefore, it plays an important part in the reliability and robustness of the whole system. The novelty of this paper presents an approach to accurately detect the open circuit fault in all insulated gate bipolar transistors of a five-level neutral point clamped inverter in a photovoltaic power generation application with a hybrid energy storage system. Purpose. Before using fault-tolerant control to ensure service continuity, fault diagnosis techniques must first be used, which are the crucial phase of reliability. Methods. A detection method based on the maximum and minimum error values is proposed. These errors are calculated using the expected and measured line-to-line pole voltages. Results. The open circuit fault detection method is implemented using MATLAB/Simulink. Simulation results showed the accuracy of detecting the open circuit fault in all insulated gate bipolar transistors in a short time. Moreover, this method is adaptable to several applications and is also robust to transient regimes imposed by solar irradiation and load variations.Вступ. Останнім часом різко зросла кількість застосувань високої та середньої напруги. З’єднання між цими різними використаннями вимагає послідовно-паралельних комбінацій силових напівпровідників. Топології багаторівневих перетворювачів надають цим додаткам великі переваги. У цій статті вивчається фотоелектрична система, підключена до мережі, з гібридною системою зберігання енергії, яка використовує п’ятирівневий інвертор із фіксуванням нейтральної точки. Хоча багаторівневий інвертор має багато переваг, порівняно з дворівневим інвертором, він має високу ймовірність виникнення обриву кола. У зв’язку з цим п’ятирівневий інвертор має 24 керовані перемикачі, один з яких будь-якої миті може зіткнутися з обривом кола. Таким чином, він відіграє важливу роль у надійності та стійкості всієї системи. Новизна цієї статті являє собою підхід до точного виявлення несправності розімкнутого кола у всіх біполярних транзисторах із ізольованим затвором п’ятирівневого інвертора з фіксуванням нейтральної точки у фотоелектричних додатках для вироблення електроенергії з гібридною системою зберігання енергії. Мета. Перш ніж використовувати відмовостійкий контроль для забезпечення безперервності обслуговування, необхідно спочатку використовувати методи діагностики несправностей, які є вирішальним етапом надійності. Методи. Запропоновано метод виявлення, заснований на максимальному та мінімальному значеннях помилок. Ці помилки розраховуються з використанням очікуваних та виміряних міжфазних напруг на полюсах. Результати. Метод виявлення обриву кола реалізовано з використанням MATLAB/Simulink. Результати моделювання показали точність виявлення обриву кола у всіх біполярних транзисторах із ізольованим затвором за короткий час. Більш того, цей метод адаптується до кількох застосувань, а також стійкий до перехідних режимів, викликаних сонячним випромінюванням та змінами навантаження