Комбинированный метод стабилизации выходного напряжения в многоуровневых инверторах

Митяшин Н.П.; Томашевский Ю.Б.; Миргородская Е.Е.; Билюков Р.А.; Глазков В.П.

УДК 621.314

Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, Е.Е. Миргородская, Р.А. Билюков, В.П. Глазков

КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В МНОГОУРОВНЕВЫХ ИНВЕРТОРАХ

Рассмотрены методы стабилизации выходного напряжения многоуровневых инверторов напряжения, обеспечивающих сохранение высокого качества выходной кривой. Предлагается метод стабилизации, основанный на независимом функционировании двух систем: стабилизации напряжений источников уровней и

широтно-импульсной стабилизации выходного напряжения преобразователя, обеспечивающий максимальное быстродействие регулирования.

Многоуровневый инвертор, стабилизация, широтно-импульсная модуляция, качество кривой выходного напряжения, быстродействие

N.P. Mityashin, Y.B. Tomashevskiy, E.E. Mirgorodskaya, R.A. Bilyukov, Glazkov V.P.

COMBINED METHOD OF STABILIZATION OF OUTPUT VOLTAGE IN MULTILEVEL INVERTERS

The methods of stabilizing the multilevel inverter output voltage to ensure continued high quality of the output curve are described. Method of stabilization, based on the independent functioning of the two systems: the stabilization of stress sources and levels of pulse-width stabilization of the output voltage of the converter, which provides maximum performance regulation, is proposed.

Multi-level inverter, stabilization, pulse width modulation, the quality of the curve of the output voltage, the speed of stabilization

Постановка задачи. В литературе по силовой электронике рассматриваются различные способы стабилизации выходного напряжения автономных инверторов с многоуровневым формированием напряжения (ИМФН) [1, 2]. Особенностью (ИМФН) является наличие в звене постоянного тока (ЗПТ) нескольких источников постоянного напряжения, обеспечивающих заданные значения напряжения каждого уровня. Это предъявляет особые по сравнению с одноуровневым регулированием требования к системе стабилизации. Рассмотрим два основных метода решения проблемы регулирования и стабилизации выходного напряжения инверторов напряжения.

Первый метод основан на управлении величиной напряжения на выходе инвертора за счет регулирования напряжения на его входе, т.е. по существу за счет регулирования звена постоянного тока. Его основным недостатком является большая инерционность, поскольку регулированию подвергается напряжение на конденсаторе фильтра ЗПТ, величина емкости которого имеет значительную величину.

Второй метод основан на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) кривой выходного напряжения. Поскольку этот же метод в ИМФН используется для формирования требуемой формы кривой выходного напряжения, то диапазон его применения ограничен. Достоинством метода является его быстродействие, так как процесс регулирования не связан с цепями силовых инерционных элементов.

Метод решения. Для преодоления основных недостатков рассмотренных методов предлагается комбинированный метод, состоящий в использовании двух независимых систем стабилизации (рис. 1).

Силовая часть преобразователя 1 состоит из n-уровнего инвертора напряжения 2 и n-звенного ЗПТ 3.1, 3.2,..., 3.n, каждое звено которого обеспечивает индивидуальное питание соответствующего уровня инвертора.

Система управления 4 стабилизирует напряжения уровней, т.е. напряжения на выходных конденсаторах звеньев ЗПТ, которые выполняются как импульсные преобразователи постоянного тока (ИППТ) с выходными LC-фильтрами.

Рис. 1. Комбинированная система стабилизации выходного напряжения многоуровневого преобразователя

Микропроцессорная система (МПС) 5, управляющая моментами коммутаций силовых ключей (СК) инвертора, выполняет две функции. В статическом режиме, когда значения напряжения уровней имеют номинальные значения, она обеспечивает коммутации СК инвертора в моменты времени, соответствующие оптимальной форме выходной кривой инвертора. Вторая функция МПС 5 в предлагаемом методе состоит в том, что при достаточно большом отклонении напряжений уровней от номинальных значений во время работы системы 4, она осуществляет широтно-импульсную стабилизацию выходного напряжения инвертора, т.е. восстанавливает его номинальное значение за счет соответствующего изменения моментов коммутации СК. Время стабилизации напряжения этим методом с учетом вычислений новых требуемых моментов коммутаций не превосходит половины периода для стандартных значений повышенной частоты инвертирования. Включение этой функции МПС 5 осуществляется по каналу 6 при возникновении недопустимого отклонения выходного напряжения от номинала. Этим исчерпывается связь между системами 4 и 5, так что в остальном они работают независимо друг от друга.

В результате изменения моментов коммутации СК кривая выходного напряжения искажается, однако в процессе восстановления номинальных значений напряжений уровней благодаря работе системы 4 оптимальная форма кривой напряжения восстанавливается. Таким образом, снижение качества выходной кривой происходит только на время переходного процесса в системе стабилизации входного напряжения инвертора, что в среднем не оказывает значительного влияния на энергетические показатели преобразователя.

Покажем возможность реализации стабилизации выходного напряжения функции системой 5.

Для этого рассмотрим зависимость квадрата действующего значения напряжения и2 от значений напряжений уровней и соответствующих углов, при которых производятся коммутации для четырехуровневого инвертора.

В силу симметрии кривой напряжения интегрирование целесообразно производить на интервале [0,ж/2], в результате которого получим

и2 = -

ж

2 т т-2 / Л Л ч т т2 / Л Л ч -ж-ч-2 ( Ж

и{(в2 -в,) + и 1(въ -в2) + и2 ^ 2 -0, ]]. (!)

Здесь ив и вв (в = 1, 2, 3) - текущие значения напряжений уровней и соответствующие углы коммутаций на интервале интегрирования.

В результате нестабильности напряжения сети напряжения ив отличаются от номинальных

значений ив0 во время переходных процессов в системах их стабилизации. Если при этом углы коммутации вв имеют номинальные значения вг°, то действующее значение выходного напряжения отличается от номинального значения и (, которое равно

иор( =.

2 ( (ж

Т-Т? /Л0 лПч Т-7-? /Л0 лПч Т-7-? I /<■

ж

иГо(в2° -в0) + и 2о(вз0 -в20) + и 3о | 2 -вв

Для определения значений вариаций | углов вi, введение которых могло бы компенсировать это отклонение, подставим в формулу (1):

в = в° + |.

В результате получим:

2 ж

Здесь

2 Г 'ж ЛЛ

и2 = и*2 - 2(ги 1 + г2(и2 - и2) - |(из2 - и2)).

и2 = -

ж

и 1 (в2 - в;)+и2(вв - во+и2| 2 - в0

и2 - и2 = - (и2 +(2(и22 - и2)+Гз(и2 - и2)).

Для нахождения значений |2, Г3, при которых значение и2 равно оптимальному значению, получаем уравнение:

2 (и2

к

Поскольку в уравнении три свободных параметра Г г, 13, то оно имеет множество решений. Рассмотрим три простейших варианта решений, считая

и1 < и2 < и 3.

1) Положим (1 = Г г = Гз = Г, где величина | подлежит определению. В этом случае получим

( = — ■ 2

ж и 2 - и2р,

иг

2) При | = |2 = 0; |3 =1 находим

1 =

ж и 2 - ир

2 ■ и з2 - и 2

3) При | = |2 = |; |3 = 0 имеем

1 =

ж и*2 - и2

ор(

2

и22

Первый вариант является предпочтительным, поскольку он обеспечивает стабилизацию при минимальном значении | и наименьшем искажении кривой.

Результаты моделирования. Для проверки эффективности предлагаемого комбинированного метода стабилизации была построена модель комбинированной системы стабилизации преобразователя на основе трехфазной пятиуровневой схемы ИМФН (рис. 2), получившей в последнее время широкое распространение, в частности в солнечной электроэнергетике [3].

На рис. 3 и 4 показаны результаты моделирования процесса стабилизации выходного напряжения при резком снижении напряжения питающей сети за счет регулирования звена постоянного тока и с помощью комбинированной системы.

Рис. 2. Схема пятиуровневого ИМФН

Рис. 3. Процесс стабилизации выходного напряжения только за счет регулирования ЗПТ

Рис. 4. Процесс стабилизации выходного напряжения при реализации комбинированного метода

Из графика изменения отклонения напряжения от номинального значения (рис. 3) Ли следует, что стабилизация только за счет регулирования звена постоянного тока обеспечивает восстановление номинальной величины напряжения за 7 периодов выходной частоты инвертирования. При этом сохраняется оптимальная форма кривой выходного напряжения ) .

Предлагаемый комбинированный метод стабилизации, как следует из результатов моделирования, обеспечивает восстановление номинального значения выходного напряжения за половину периода инвертирования, как это видно из графика Ли (рис. 4). При этом, как следует из графика и() , существенное искажение кривой имеет место лишь в течение 2-3 периодов инвертирования.

На рис. 5 приведены результаты исследования изменения электромагнитного момента Мэ на валу асинхронного двигателя (АД), питающегося от ИМФН. На рис. 5,а приведен кривая Мэ при 30% уменьшении напряжения питания преобразователя на 30-м периоде работы АД после пуска, если стабилизации напряжения производится только по цепи ЗПТ. На рис. 5,б дан график изменения Мэ в аналогичных условиях, но при работе комбинированной системы.

а

Мэ, Нм

jVv

V

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120

б

Рис. 5. Результаты сравнительного исследования изменения электромагнитного момента Мэ на валу АД для приводов, питающегося от ИМФН: а - стабилизации напряжения производится только по цепи ЗПТ; б - стабилизации напряжения производится комбинированной системой

Выводы. Результаты сравнительного исследования изменения электромагнитного момента Мэ на валу АД для приводов, питающегося от ИМФН показывают, что комбинированная система стабилизации практически мгновенно компенсирует его снижение, тогда как при стабилизации по цепям ЗПТ происходит в среднем 20% уменьшение момента. При этом восстановление номинального значения Мэ происходит за 30-40 периодов.

Стабилизация напряжения комбинированной системой приводит к незначительным колебаниям момента, связанным с ухудшением качества кривой напряжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники / Г.С. Зиновьев. Новосибирск: НГТУ, 2003. 664 с.

2. Rodriguez J. Multilevel inverters: a survey of topologies, control and applications / J. Rodriguez, J.-S. Lai, and F. Zheng Peng // IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002. Vol. 49. N° 4. P. 724-738.

3. Ravi A. Modeling and simulation of three phase multilevel inverter for grid connected photovoltaic systems / A. Ravi,P.S. Manoharan, J. Vijay Anand // Solar Energy, 2011. Vol. 85. Issue 11. P. 2811-2818.

Митяшин Никита Петрович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Томашевский Юрий Болеславович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Миргородская Екатерина Евгеньевна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Глазков Виктор Петрович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация, управление, мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Билюков Роман Анатольевич -

аспирант кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Nikita P. Mityashin -

Dr. Sc., Professor

Department of System Engineering