CC BY
40
УДК 621.314
С.В. Брованов, Е.В. Гришанов, М.А. Дыбко
Полупроводниковый преобразователь с подавлением синфазного тока утечки для систем генерирования электрической энергии на базе фотоэлектрических модулей
Показаны причины возникновения синфазного тока утечки в автономных системах генерирования электрической энергии с использованием солнечных фотоэлектрических модулей. Отмечено, что основной причиной формирования синфазного тока утечки является наличие гармонического синфазного напряжения на выходных зажимах системы генерирования. Для подавления синфазного тока утечки предложено решение в виде новой схемной реализации силового полупроводникового преобразователя и его алгоритма векторной ШИМ. Это позволило сделать синфазное напряжение постоянным, устремив, таким образом, синфазный ток утечки к нулю. В работе проведено имитационное моделирование, подтверждающее эффективность предложенного решения.
Ключевые слова: многоуровневый полупроводниковый преобразователь, синфазное напряжение, синфазный ток утечки, солнечный фотоэлектрический модуль, широтно-импульсная модуляция.
На сегодняшний день с увеличением объема потребления электрической энергии становится важным вопрос, связанный с недостатком генерационных мощностей. Данная проблема остро дает о себе знать в удаленных и сельских районах, где ее решение осуществляется за счет веерного отключения электрической энергии или подачи ее по временному графику. При этом следует отметить, что основными потребителями электрической энергии в этих районах, как правило, выступают частные и фермерские хозяйства, которым требуются однофазные сети небольшой мощности.
Одним из решений по стабильному обеспечению в данных районах электрической энергии может быть применение автономных систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ), в частности, на базе солнечных фотоэлектрических модулей и полупроводниковых преобразователей [1-4]. При этом тенденция развития данных СГЭЭ связана с использованием многоуровневых полупроводниковых преобразователей, которые позволяют в значительной степени повысить качество генерируемой электрической энергии и снизить массогабаритные показатели [5-8].
Структура СГЭЭ на базе солнечных фотоэлектрических модулей и многоуровневых полупроводниковых преобразователей зачастую имеет в своем составе трансформатор. В ряде случаев, когда нет принципиальных требований к присутствию в структуре СГЭЭ трансформатора, его из структуры убирают. Это позволяет снизить стоимость и массогабаритные показатели СГЭЭ. Однако это в свою очередь приводит к появлению синфазного тока утечки [9-12], который протекает через контуры, включающие в себя паразитные емкости и индуктивности (рис. 1). Наличие синфазного тока утечки приводит к снижению качества формируемого преобразователем выходного напряжения и тока, а также является причиной выхода из строя тонкоплёночных солнечных фотоэлектрических модулей и создает угрозу поражения электрическим током обслуживающего персонала.
Известны способы подавления синфазного тока, такие как введение разделительного конденсатора [13] или установка дополнительных ключей в схему преобразователя, которые позволяют отключать звено постоянного тока от нагрузки в некоторые интервалы времени, обусловленные алгоритмом работы СГЭЭ [14-15]. Но данные способы лишь снижают уровень синфазного тока и не позволяют полностью его устранить. В связи с этим в данной работе предложено одно из решений, позволяющих осуществить полное подавление синфазного тока.
Синфазный ток утечки. Проведем анализ влияния параметров элементов СГЭЭ на формирование синфазного тока утечки.
На рис. 1 представлена структура СГЭЭ, в которой не содержится трансформатор. Также на рисунке приведены элементы, наличие которых в определенной степени оказывают влияние на формирование синфазного тока утечки [12].
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
VI и с
Рис. 1. Структура СГЭЭ без трансформатора
К ним относятся: Сп - эквивалентная паразитная емкость солнечных фотоэлектрических модулей. Величина данной емкости зависит от многих факторов, среди которых влажность, давление, запыленность окружающей среды, но в среднем ее величина оценивается из расчета 100 нФ на 1 кВт мощности фотоэлектрического модуля; Ь1 и ¿2- индуктивности фильтрующих дросселей;
- взаимная индуктивность, обусловленная наличием явления взаимоиндукции между элементами ¿1 и ¿2 ; 2л1 и 2л 2 - комплексные сопротивления подводящих линий к сети; Zп - комплекс -ное сопротивление контура утечки; Сл - паразитная емкость между подводящей линией и землей; Сд - паразитная емкость между подводящими линиями; Сл1 и Сл 2 - паразитные емкости
между выводами полупроводникового преобразователя и землей, обусловленные наличием связи между полупроводниковым ключом и его заземленным радиатором; Сп - паразитная емкость
между землей и фотоэлектрическим модулем.
Для получения схемы замещения СГЭЭ введем понятие эквивалентных источников напряжений и10, и20, формирующихся на зажимах «1» и «2» относительно шины «0», которые характеризуют преобразование напряжений фотоэлектрических модулей посредством полупроводникового преобразователя.
Наличие источников ию и и20 приводит к формированию на зажимах «1» и «2» синфазного исин и дифференциального идиф напряжений вида
исин = и10 + и20, идиф = ию - и20 .
Выражая из (1) напряжения ию и и20, получаем
идиф
и10 = исин +-
^ и20 = исин -
идиф
(1)
(2)
2 2
Отметим тот факт, что (2Сл + Сл1 + Сл2) ^ Сп и (2 л1 + 2 л 2) ^ 2п, следовательно, элементы Сл, Сл1, Сл2 , 2л1, 2л2 не будут оказывать какого-нибудь существенного влияния на формирование
идиф (¿2 - ¿1)
синфазного тока утечки, учитывая, что идиф =--г-г— - дифференциальное напряжение,
2 (¿2 + ¿1)
зависящее от разницы значений индуктивностей ¿1 и ¿2. ¿12 =
^¿2 ¿1 + ¿2
- эквивалентная индуктив-
ность дросселей в контуре.
и'
диф
¿12 =
ЬЬ
1Ь2
Ь1 + Ь2
/УУУ\
Ьв
2П
И с
С
Сп
Рис. 2. Схема замещения СГЭЭ
Как видно из рис. 2, причиной возникновения синфазного тока утечки является наличие в контуре источников синфазного и дифференциального напряжений - Исин , Идиф . При этом если обеспечить равные значения величин индуктивностей Ь и ¿2, то И^ф может быть обнулено и не будет оказывать влияние на формирование синфазного тока утечки. Однако присутствие в контуре источника синфазного напряжения Исин приводит к возникновению синфазного тока утечки, который определяется как
-син ="
Ис
1
2пСп
где / - частота синфазного напряжения.
+ 2п/ (¿12 + Ьв) +
2П
(3)
2%/Сд 2П +1
1
- = да, а следовательно, 1син = 0.
Из соотношения (3) видно, что при / = 0 имеем
2п/Сд
Таким образом, важным моментом для обеспечения 1син = 0 является устранение переменной составляющей в синфазном напряжении. В дальнейшем в данной работе предложено решение, которое позволяет это осуществить.
Подавление синфазного тока утечки. Однофазные СГЭЭ, как правило, имеют небольшую установленную мощность. Поэтому их силовая часть может быть реализована на базе однофазной трехуровневой схемы с фиксирующими диодами. В ряде случаев для управления преобразователем применяют векторный способ ШИМ, который позволяет просто реализовывать баланс напряжений на конденсаторах звена постоянного тока. Известно, что управление преобразователем с векторным
способом ШИМ основано на принципе использования комбинаций состояний ключей (КСК). При
—*
этом выбор последовательности КСК должен отвечать требованию синтеза задающего вектора V и баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока.
Для однофазного трехуровневого преобразователя набор КСК следующим образом: (X; У), где X отражает узел соответствующего конденсатора звена постоянного тока, подключенного к выводу 1, а У - к выводу 2 преобразователя.
В процессе синтеза V синфазное напряжение принимает пять различных уровней
Исин е<ИПС
,.иБС ,3ивС Рбс ,
0 >, что приводит к возникновению синфазного тока утечки 1с
2 4 4
Для решения ранее поставленной задачи по подавлению синфазного тока утечки необходимыми являются два условия:
1) Для любого значения дифференциального напряжения Идиф е |ивС ;И^С ;0;-С ;-ИвС|,
формирующегося при заданной последовательности КСК, необходимо обеспечить такое синфазное
напряжение, которое имело бы постоянный уровень, т.е. / = 0, и не зависело от КСК на всем пе-—*
риоде синтеза V .
2) Напряжения, формирующиеся на зажимах «1» и «2», должны изменяться в пределах
0 < И10 < Иве , 0 < И20 < Иве .
I
Нетрудно показать, что этим условиям удовлетворяют только решения для систем уравнений, записанных для пяти значений дифференциального напряжения и только при одном уровне синфаз-
ного сигнала исин =
2
В качестве решений в таблице представлены уровни напряжений и 10 и
и20, а также соответствующие им КСК.
Таким образом, из таблицы видно, что в СГЭЭ для подавления синфазного тока утечки однофазный трехуровневый преобразователь должен быть модернизирован в новое преобразовательное устройство, удовлетворяющее следующим условиям:
- Число уровней напряжений в звене постоянного тока преобразователя должно быть равно четырем. В преобразователе должна быть возможность осуществлять коммутацию данных уровней.
- Алгоритм управления в преобразователе должен содержать в себе КСК, представленный в таблице.
Комбинации состояний ключей
Система уравнений и10 +и 20 иВС и10 + и 20 иве и10 + и 20 иве и10 + и 20 иве и10 +и 20 иве
• 2 2 и10-и 20 = иВС • 2 2 и и = иве и10 и 20 = 2 • 2 2 и 10 - и20 = 0 • 2 2 и и =~иве и10 и 20 = 2 • 2 2 и10-и 20 =-иве
и син иве 2 иве 2 иве 2 иве 2 иве 2
идиф иве иве 2 0 иве 2 -иве
ию иве зиве 4 иве 2 иве 4 0
и 20 0 иве 4 иве 2 зиве 4 иве
КСК (4;0) (3;1) (2;2) (1;з) (0;4)
На рис. 3 представлена векторная диаграмма, отражающая образующие векторы новых КСК, а на рис. 4 представлен преобразователь, который удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям. Коммутаторы SAl - SA6 представляют собой двунаправленные ключи, реализованные, как представлено на рис. 4. Остальные варианты построения двунаправленных ключей предложены в работе [16]. На рис. 5 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы предложенного однофазного преобразователя.
Можно заметить, что при синтезе задающе-—*
го вектора V с применением предложенной последовательности КСК позволяет сформировать требуемое синфазное напряжение.
Таким образом, предложенный однофазный преобразователь с применением предложенной последовательности комбинаций состояния ключей соответствует требованиям по подавлению синфазного тока (0;4) утечки. То есть формирует постоянное синфазное напряжение исин (с частотой / = 0), но при этом дифференциальное напряжение идиф остается знакопеременным
ступенчатым и промодулированным по синусоидальному закону.
Рис. 3. Векторная диаграмма
Рис. 4. Схема преобразователя с подавлением синфазного тока утечки
г
0
Ща д
0
и 20*
е
УГ6,УВ6, 4 УТ6,УВ6, £41 ут5,ув5, ут6,ув6 ут6,ув6, £41 ут6,ув6, £44 УТ7,УВп, £46 УТ7,УВ7, ут8,ув8 УТ7,УВ7, £46 УТ6,УВ6, 4 УТ6,УВ6, £41
„ г
УТ2УВ2, £43 УТ3,УВ3, £45 ут3,ув3, ут4,ув4 УТ3УВ3, £45 ут2,ув2, £43 УТ2,УВ2, £42 УТ1,УВ1, УТ2УВ2 УТ2,УВ2, £42 УТ2,УВ2, £43 УТ3УВ3, £45
0
и
син 0
3,1 2,2
1,3
0,4
1,3 2,2
ЗД
и
ВС
зиг
и
ВС
иг
иг
и
ВС
зиг
и
ВС
и
ВС
2
(
Рис. 5. Временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы преобразователя: а - сектора; б - КСК; в - коммутируемые ключи и транзисторы 1-й стойки; г - коммутируемые ключи и транзисторы 2-й стойки; д - Ц\0 ; е - и20; ж - исин
а
0
г
б
0
г
в
0
г
2
4
4
г
2
4
4
г
На рис. 6 представлены эпюры тока сети, синфазного тока утечки и синфазного напряжения в СГЭЭ на базе однофазного трехуровневого преобразователя, работающего на сеть без подавления синфазного тока утечки, полученные путем имитационного моделирования в ПО Power Sim. Видно, что синфазное напряжение имеет переменный характер. Синфазный ток значительно ухудшает генерируемый преобразователем ток.
60 40 20 0 -20 -40
/с
Кгт=18,11;%
/син
0,022
0,024
0,026
0,028
0,032
0,036 0,038 0,04 Время, с
Рис. 6. Диаграммы токов и напряжения без подавления синфазного тока утечки: а - ток сети; б - синфазный ток утечки; в - синфазное напряжение
На рис. 7 представлены эпюры тока сети, синфазного тока утечки и синфазного напряжения в СГЭЭ на базе новой топологии преобразователя, работающего на сеть с подавлением синфазного тока утечки, полученные путем имитационного моделирования в ПО Power Sim. Из сравнения диаграмм видно, что предложенное решение позволило получить постоянное синфазное напряжение, а следовательно, подавить синфазный ток утечки.
60 40 20 0 -20 -40
20 10 0 -10 -20
350 300 250 200 150 100 50 0
/сии
Цснн
0,022
0,024
0,026
0,028
0,03
0,032 0,034 0,036 0,038 0,04
Время, с
Рис. 7. Диаграммы токов и напряжения с подавлением синфазного тока утечки: а - ток сети; б - синфазный ток утечки; в - синфазное напряжение
Заключение. В процессе проведенной работы была синтезирована новая топология пятиуровневого полупроводникового преобразователя и предложен алгоритм векторной широтно-
а
б
в
а
б
в
импульсной модуляции для управления данным преобразователем. Результаты моделирования в среде Power Sim подтвердили возможность полного исключения синфазного тока утечки и улучшения качества генерируемого тока в сеть. Это в свою очередь дает основание пролагать, что реализация автономных систем генерирования электрической энергии с использованием предложенного типа полупроводникового преобразователя позволит улучшить функциональные и эксплуатационные характеристики СГЭЭ.
Литература
1. Zhang L. A family of neutral point clamped full-bridge topologies for transformerless photovoltaic grid-tied inverters / L. Zhang, K. Sun, L. Feng, H. Wu, Y. Xing // Power Electronics, IEEE Transactions on. - 2013. - Vol. 28, № 2. - P. 730-739.
2. Single-phase hybrid clamped three-level inverter based photovoltaic generation system / A. Chen, W. Wang, C. Du, C. Zhang // Power Electronics for Distributed Generation Systems 2-nd IEEE International Symposium on. - 2010. - P. 635-638.
3. Equalization of dc bus voltage in three-level NPC half-brige inverters for PV applications by even harmonics injection or fundamental phase modulation / R. Petrella, N. Buonocunto, A. Revelant, P. Stocco// Energy Conversion Congress and Exposition. - 2011. - P. 3427-3434.
4. Anandababu C. Improved full-bridge neutral point clamped transformerless inverter for photovoltaic grid-connected system / C. Anandababu, B.G. Fernandes // Industrial Electronics Society, IECON 39th Annual Conference of the IEEE. - 2013. - P. 7996-8001.
5. A New Approach for Current Calculation in a Single-phase Three-level NPC Converter with Space Vector PWM / S. Brovanov, S. Kharitonov, M. Dybko, E. Grishanov // Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering (SIBIRCON), IEEE Region 8 International Conference. - 2010. -P. 639-644.
6. Брованов С.В. Анализ способов баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока в однофазном трехуровневом преобразователе / С.В. Брованов, Е.В. Гришанов // Научный Вестник НГТУ. - 2015. - № 1(58). - С. 213-230.
7. Брованов С.В. Комбинации состояний ключей и анализ электромагнитных процессов в многоуровневых преобразователях // Электротехника. - 2009. - № 6. - С. 20-27.
8. Брованов С.В. Анализ скалярной и векторной широтно-импульсных модуляций для однофазных многоуровневых полупроводниковых преобразователей с фиксирующими диодами / С.В. Брованов, Е.В. Гришанов // Доклады АН ВШ РФ. - 2014. - № 4(25). - С. 47-55.
9. Xiao H. Leakage current analytical model and application in single-phase transformerless photovoltaic grid-connected inverter / H. Xiao, S. Xie // Electromagnetic Compatibility. IEEE Transactions on. -2010. - Vol. 52, № 4. - P. 902-913.
10. Leakage current elimination mechanism for photovoltaic grid-tied inverters / X. Shi, T. Tang, J. Xu, R. Huang // Industrial Electronics Society. 39-th Annual Conference of the IEEE. - 2013. - P. 955-960.
11. A high efficiency and reliability single-phase photovoltaic micro-inverter with high magnetics utilization for nonisolated AC-module applications / B. Chen, B. Gu, J.S. Lai, W. Yu // Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). - 2013. - P. 2406-2411.
12. Ground currents in single-phase transformerless photovoltaic systems / E. Gubia, P. Sanchis, A. Ursua, J. Lopez // Progress in photovoltaics: research and applications. - 2007. - Vol. 15, №7. - P. 629-650.
13. Ground leakage current elimination in a transformerless unipolar modulation based single phase grid-connected photovoltaic system / A. Datta, G. Bhattacharya, D. Mukherjee, H. Saha // Power and Energy Engineering Conference. IEEE PES Asia. - Pacific. - 2013. - P. 1-5.
14. Comparison and Analysis of Single-Phase Transformerless Grid-Connected PV Inverters / T.K.S. Freddy, N.A. Rahim, W. Hew, H.S. Che // Power Electronics, IEEE Transactions on. - 2014. -Vol. 29, № 10. - P. 5358-5369.
15. Eliminating ground current in a transformerless photovoltaic application / O. Lopez, R. Teo-dorescu, F. Freijedo, J. Doval-Gandoy // Energy Conversion. IEEE Transactions on. - 2010. - Vol. 25, № 1. - P. 140-147.
16. Брованов С.В. Классификация многоуровневых полупроводниковых преобразователей электрической энергии с емкостным делителем напряжения // Научный вестник НГТУ. - 2011. -№4(45). - С. 132-136.
Брованов Сергей Викторович
Д-р техн. наук, зав. каф. вычислительной техники (ВТ) Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) Тел.: 8 (383-3) 46-11-33 Эл. почта: brovanov@corp.nstu.ru
Гришанов Евгений Валерьевич
Аспирант каф. ВТ
Тел.: 8 (383-3) 46-11-33
Эл. почта: grev88@yandex.ru
Дыбко Максим Александрович
Канд. техн. наук, доцент каф. электроники и электротехники (ЭЭ) НГТУ
Тел.: 8 (383-3) 46-11-33
Эл. почта: dybko@corp.nstu.ru
Brovanov S.V., Grishanov E.V., Dybko M.A.
A New Multilevel Converter for PV Power Generation Systems with Leakage Current Suppression
This paper studies major reasons causing the common-mode leakage current flow in a photovoltaic (PV) power generation system. It is noted that the main reason for the formation of a common-mode leakage current is the presence of harmonic common-mode voltage at the output terminals generation system. To suppress the common mode leakage current usage of a new topology of a single-phase multilevel power converter and specified space vector PWM strategy are suggested. This solution has made it possible to keep the common-mode voltage constant and reduce the leakage current to zero. A simulation model is given to prove the effectiveness of the presented multilevel topology and its PWM strategy.
Keywords: multilevel voltage source converters, common-mode voltage, common-mode leakage current, photovoltaic power generation system, space vector pulse width modulation.
