Integrated Modeling and Mult objective Control of Multilevel DC/AC Inverters for Conducted Electromagnetic Interference Mitigation

Ramzi Ayad Alriheebi

doi:10.65405/qyajn930

المؤلفون

رمزي عياد السني الرحيبي قسم الهندسة الكهربائية والالكترونية , كلية الهندسة والتكنولوجيا , جامعة الجفارة , ليبيا Author

DOI:

https://doi.org/10.65405/qyajn930

الكلمات المفتاحية:

العواكس متعددة المستويات DC/AC؛ التداخل الكهرومغناطيسي الموصّل (EMI)؛ التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)؛ التحسين متعدد الأهداف؛ الجهد المشترك (Common-Mode Voltage)؛ التشوه التوافقي الكلي (THD)؛ استراتيجيات التحكم المتقدمة؛ تحسين باريتو؛ إلكترونيات القدرة؛ أنظمة الطاقة المتجددة.

الملخص

أصبحت العواكس متعددة المستويات للتيار المستمر/المتردد (DC/AC) إحدى التقنيات الأساسية في تطبيقات تحويل الطاقة الحديثة، بما في ذلك أنظمة الطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية، والشبكات الذكية، وأنظمة قيادة المحركات الصناعية. ويرجع ذلك إلى قدرتها على إنتاج جهود خرج عالية الجودة مع تقليل إجهاد عناصر التبديل، وتحسين جودة القدرة، وزيادة كفاءة تحويل الطاقة، مما يجعلها خيارًا مناسبًا للتطبيقات ذات القدرات المتوسطة والعالية.

وعلى الرغم من هذه المزايا، فإن عمليات التبديل عالية التردد وتقنيات التضمين المتقدمة المستخدمة في العواكس متعددة المستويات تؤدي إلى توليد مستويات ملحوظة من التداخل الكهرومغناطيسي الموصّل (Conducted Electromagnetic Interference - EMI)، الأمر الذي قد يؤثر سلبًا على التوافق الكهرومغناطيسي (Electromagnetic Compatibility - EMC)، وموثوقية النظام، وجودة القدرة الكهربائية، بالإضافة إلى الامتثال للمعايير واللوائح الدولية ذات الصلة.

تعتمد الأساليب التقليدية للتخفيف من التداخل الكهرومغناطيسي بشكل رئيسي على استخدام المرشحات السلبية (Passive Filters)، وتقنيات التدريع (Shielding)، وتحسين التأريض (Grounding). وعلى الرغم من فعاليتها في الحد من الانبعاثات غير المرغوب فيها، إلا أنها غالبًا ما تؤدي إلى زيادة حجم النظام ووزنه وتكلفته، بالإضافة إلى ارتفاع الفواقد الكهربائية، مع محدودية قدرتها على التكيف مع ظروف التشغيل المختلفة. لذلك، تبرز الحاجة إلى تطوير منهجيات تصميم متكاملة تستهدف معالجة مصادر التداخل الكهرومغناطيسي من منشئها مع الحفاظ في الوقت نفسه على الأداء العام للمحول.

يقترح هذا البحث إطارًا متكاملًا للنمذجة والتحكم متعدد الأهداف للتخفيف من التداخل الكهرومغناطيسي الموصّل في العواكس متعددة المستويات DC/AC. حيث يتم تطوير نموذج رياضي شامل يمثل بدقة ديناميكيات التبديل داخل العاكس، وتأثير العناصر الطفيلية (Parasitic Elements)، وتوليد الجهد المشترك (Common-Mode Voltage)، واضطرابات النمط التفاضلي (Differential-Mode Disturbances)، وآليات انتشار التداخل الكهرومغناطيسي.

استنادًا إلى هذا النموذج، يتم صياغة استراتيجية تحسين متعددة الأهداف تهدف إلى تقليل الانبعاثات الكهرومغناطيسية الموصلة، وتقليل التشوه التوافقي الكلي (THD)، وخفض فواقد التبديل، وتقليل الجهد المشترك، مع تعظيم كفاءة تحويل الطاقة وضمان استقرار تشغيل العاكس. كما يتم دمج استراتيجيات تحكم وتضمين متقدمة ضمن إطار التحسين لتحقيق التوازن الأمثل بين الأهداف المتعارضة للأداء.

يتم التحقق من فعالية المنهجية المقترحة من خلال دراسات محاكاة مكثفة تحت ظروف تشغيل مختلفة. ويتم تقييم الأداء باستخدام تحليلات المجال الزمني والمجال الترددي، مع مقارنة النتائج بأساليب التحكم التقليدية ومتطلبات التوافق الكهرومغناطيسي. كما يتم استخدام تحسين باريتو (Pareto Optimization) لتحديد نقاط التشغيل المثلى بشكل منهجي وتحليل المفاضلات بين تقليل التداخل الكهرومغناطيسي وتحسين جودة القدرة وزيادة كفاءة الطاقة.

يوفر الإطار المقترح منهجية شاملة لتصميم العواكس مع مراعاة التداخل الكهرومغناطيسي، مما يدعم تطوير أنظمة إلكترونيات قدرة عالية الأداء، وكفؤة في استهلاك الطاقة، ومتوافقة مع متطلبات التوافق الكهرومغناطيسي، لتلبية احتياجات الجيل القادم من تطبيقات تحويل الطاقة.

التنزيلات

تنزيل البيانات ليس متاحًا بعد.

المراجع

1. Asa, E., Mohammad, M., Onar, O. C., Pries, J., Galigekere, V., & Su, G. J. (2020). Review of safety and exposure limits of electromagnetic fields in wireless electric vehicle charging applications. IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 1–6.

2. Dai, H., Torres, R. A., Jahns, T. M., & Sarlioglu, B. (2022). Comparative study of conducted common-mode EMI in wide-bandgap DC-fed three-phase current-source inverter. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 10(6), 7188–7204.

3. Dekka, A., Ronanki, D., & Rodriguez, J. (2024). Model predictive control with inherent common-mode voltage reduction capability for multilevel inverters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71(7), 6730–6737.

4. Diao, F., Du, X., Ma, Z., Wu, Y., Guo, F., Li, Y., & Zhao, Y. (2023). A megawatt-scale Si/SiC hybrid multilevel inverter for electric aircraft propulsion applications. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 11(4), 4095–4107.

5. Dong, X., Gao, Y., & Liu, M. (2023). The electromagnetic exposure level of a pure electric vehicle inverter based on a real human body. Applied Sciences, 14(1), 32.

6. Harbi, I., Yang, Y., Rodriguez, J., & Blaabjerg, F. (2023). Model predictive control of multilevel inverters: Challenges, recent advances and trends. IEEE Transactions on Power Electronics, 38(11), 13256–13289.

7. Hossain, K. A. (2023). Study on electromagnetic interference (EMI) and electromagnetic compatibility (EMC): Sources and design concepts for EMI/EMC mitigation. Journal of Library Arts and Humanities, 4(8), 68–96.

8. Kang, M. M., Taylor, N., & Minsson, D. (2024). Electromagnetic interference from solar photovoltaic systems: A review. Electronics, 14(1), 31.

9. Karanaaq, F. A., Emadi, A., & Bilgin, B. (2020). Modeling of conducted emissions for EMI analysis of power converters: State-of-the-art review. IEEE Access, 8, 189313–189325.

10. Kour, H., & Jha, R. K. (2020). Electromagnetic radiation reduction in 5G networks and beyond using thermal radiation mode. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 69(10), 11841–11856.

11. Kron, D., Lundgren, U., Augusto, A., & Bollen, M. (2024). Radiated electromagnetic emission from photovoltaic systems: Measurement results. Energies, 17(8), 1893.

12. Kumar, P., Singh, A., & Sharma, R. (2022). Wide-bandgap semiconductor devices and their impact on electromagnetic interference in power electronic converters. Energies, 15(24), 9172.

13. Lai, Y., Wang, S., Yang, Y., Huang, Q., & Ma, Z. (2023). Review on modeling and emissions from EMI filters in power electronics: Inductors. IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility and Signal/Power Integrity Proceedings, 1–8.

14. Le, H., Dekka, A., & Ronanki, D. (2024). Modeling and control of a new five-level converter for medium-voltage drive systems. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 10(2), 3782–3791.

15. Li, C., Ma, Q., Tong, Y., Wang, J., & Xu, P. (2023). A survey of conductive and radiated EMI reduction techniques in power electronics converters across wide-bandgap devices. IET Power Electronics, 16(13), 2121–2137.

16. Liu, T., Chen, A., Qin, C., Chen, J., & Li, X. (2020). Double-vector model predictive control to reduce common-mode voltage without weighting factors for three-level inverters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67(10), 8980–8990.

17. Lu, M., Jia, K., Goswami, R., & Hu, Y. (2026). Intelligent self-tuning active EMI filtering for electrified automotive power systems using reinforcement learning. IEEE Transactions on Transportation Electrification (Early Access).

18. M’Barki, Z., Mejdoub, Y., Rzahi, K. S., & Sablah, K. (2023). Implementing pseudo-random control in boost converter: An effective approach for mitigating conducted electromagnetic emissions. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Informatics, 11(3), 805–814.

19. M’Barki, Z., Rzahi, K. S., & Mejdoub, Y. (2023). A novel fuzzy logic control for a zero-current-switching-based buck converter to mitigate conducted electromagnetic interference. International Journal of Electrical and Computer Engineering, 13(2), 1423–1435.

20. Majmunovic, B., Dragicevic, T., & Blaabjerg, F. (2020). Multi-objective modulated model predictive control of stand-alone voltage source converters. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 8(3), 2559–2571.

21. Mariscotti, A. (2021). Critical review of EMC standards for the measurement of radiated electromagnetic emissions from transit lines and rolling stock. Energies, 14(3), 759.

22. Mariscotti, A. (2021). Assessment of human exposure to low-frequency electromagnetic fields in modern microgrids, power systems and electric transports. Energies, 14(20), 6789.

23. Pinto, J., Grab, B., & Baptista, J. (2024). Analysis of suppressed harmonic emissions in power grids: A case study of photovoltaic inverters. Electronics, 13(24), 4880.

24. Ramya, K., Gopalakrishnan, J., Chokkalingam, B., Verma, R., & Mihet-Popa, L. (2025). A comprehensive evaluation and assessment practices of electromagnetic interference in electric vehicles. IEEE Access, 13, 40520–40560.

25. Ruan, X., Xie, L., Ji, Q., & Yuan, X. (2024). Conducted electromagnetic interference in power converters: Modeling, prediction and reduction. In CPSS Power Electronics Series (pp. 1–24). Springer.

26. Singh, D., Shah, D. D., Sokolov, A., & Zakis, J. (2022). An improved spread-spectrum technique for reduction of electromagnetic emissions of wireless power transfer systems. Electronics, 11(17), 2733.

27. Silveira, R., Fernandes, D., Oliveira, T., & Mendes, A. (2025). Model predictive control of common-ground photovoltaic multilevel inverters considering common-mode voltage reduction. Processes, 13(9), 2961.

28. Tulumbaci, F., Demir, M., & Korkmaz, A. (2026). Deep surrogate modeling for conducted EMI prediction and optimization in three-level NPC inverters. Electronics, 15(9), 1938.

29. Yao, Y., Jin, S., Zou, H., Li, L., Ma, X., Lv, G., & Shu, Q. (2021). Polymer-based lightweight materials for electromagnetic interference shielding: A review. Journal of Materials Science, 56(11), 6549–6580.

30. Azouz, A., Fawzi, M., Mohammed, I., Hamed, O., Maher, A., & Baddi, M. (2026). Influence of Electrolyte Chemistry and Electrode Material on Hydrogen Production Performance in Alkaline Water Electrolysis. Al-Farooq Journal of Sciences, 2(2), 49-66.

31. Zhao, X., Hu, J., Rovi, L., Dong, D., Burgos, R., Chandrasekaran, S., & Eddins, R. (2022). Planar common-mode EMI filter design and optimization for high-altitude 100-kW SiC inverter/rectifier systems. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 10(5), 5290–5303.