Способ управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления однофазным преобразователем при создании электромеханических систем, например при создании систем генерирования переменного тока. Предлагаемый способ управления однофазным многоуровневым преобразователем при реализации векторной широтно-импульсной модуляции приводит к подавлению паразитного синфазного тока. Это достигается тем, что в известном способе управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии, состоящем в том, что для управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии синтезируют векторную широтно-импульсную модуляцию, а для этого устанавливают круговую частоту задающего вектора, равную частоте питающей сети ω, а величину модуля задающего вектора V* формируют путем суммирования двух смежных образующих векторов, модули которых пропорциональны весовым коэффициентам, значения которых рассчитывают в зависимости от глубины модуляции М и угла поворота задающего вектора θ, формируют импульсы управления согласно комбинациям состояний ключей, используемых смежных образующих векторов, и их подают на входы транзисторов однофазного многоуровневого преобразователя в системе генерирования электрической энергии, при этом, что формируют величину модуля задающего вектора таким образом, что из всех существующих образующих векторов используют только те, которые создают на фазных выходах преобразователя постоянное синфазное напряжение со значением, равным половине величины напряжения звена постоянного тока. 4 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления однофазным многоуровневым преобразователем при создании электромеханических систем, например, при создании систем генерирования переменного тока.

Известен способ управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии (описанный в статье Wenjie Zhu, Keliang Zhou, Ming Cheng, Li Zhu, Xiue Su "PWM Modulated Three-level Single-Phase Grid-Connected PV Inverter" - Proceedings of the Electrical Machines and Systems International Conference (ICEMS), August 20-23, 2011, PP. 1-3), при котором, для управления однофазным многоуровневым преобразователем синтезируют скалярную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), а для этого, формируют опорные сигналы пилообразной формы с частотой f₁ и амплитудами А₁ и А₂ соответственно, а так же модулирующие сигналы синусоидальной формы с частотой f₂ и амплитудой А₃, такие, что f₁ > f₂, а А₁ + А₂ = А₃, используют логико-арифметическое устройство, в котором сравнивают амплитуду соответствующего модулирующего сигнала с амплитудой опорных сигналов, в момент превышения амплитуды модулирующего сигнала над амплитудой опорного сигнала формируют импульс управления, который оканчивают в момент превышения амплитуды опорного сигнала над амплитудой модулирующего сигнала, импульсы управления распределяют согласно режиму работы логико-арифметического устройства, сформированные импульсы управления подают на входы транзисторов однофазного многоуровневого автономного инвертора.

В указанном способе существенным недостатком является то, что на фазных выходах многоуровневого преобразователя во время работы системы управления формируется переменное синфазное напряжение и, а как следствие, в системе генерирования электрической энергии формируется синфазный ток утечки.

Кроме того, известен способ управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии (описанный в статье A. Rufer "A Five-Level NPC Photovoltaic Inverter with an Actively Balanced Capacitive Voltage Divider" - Proceedings of International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management PCIM Europe, May 19-20, 2015, PP. 1-8.), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что для управления однофазным многоуровневым преобразователем синтезируют векторную ШИМ, а для этого устанавливают круговую частоту задающего вектора равную частоте питающей сети ω, а величину модуля задающего вектора формируют путем суммирования смежных образующих векторов взятых пропорционально весовым коэффициентам, формируют импульсы управления согласно комбинациям состояний ключей (КСК), используемых смежных образующих векторов, сформированные импульсы управления подают на входы транзисторов однофазного многоуровневого преобразователя.

В указанном способе существенным недостатком является то, что на фазных выходах многоуровневого преобразователя во время работы системы управления формируется переменное синфазное напряжение и, а как следствие, в системе генерирования электрической энергии формируется синфазный ток утечки.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание способа управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии реализованного на базе векторной широтно-импульсной модуляции, во время синтеза которой используют только те КСК, которые создают на фазных выходах преобразователя постоянное синфазное напряжение со значением равным половине величины напряжения звена постоянного тока, а как следствие, в системе генерирования электрической энергии не формируется синфазный ток утечки.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии, состоящем в том, что, для управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии синтезируют векторную широтно-импульсную модуляцию, а для этого, устанавливают круговую частоту задающего вектора

равную частоте питающей сети ω, а величину модуля задающего вектора V* формируют путем суммирования двух смежных образующих векторов, модули которых пропорциональны весовым коэффициентам, значения которых рассчитывают в зависимости от глубины модуляции М и угла поворота задающего вектора θ, формируют импульсы управления согласно комбинациям состояний ключей, используемых смежных образующих векторов, и их подают на входы транзисторов однофазного многоуровневого преобразователя в системе генерирования электрической энергии, при этом, что формируют величину модуля задающего вектора таким образом, что из всех существующих образующих векторов используют только те, которые создают на фазных выходах преобразователя постоянное синфазное напряжение со значением равным половине величины напряжения звена постоянного тока.

На Фиг. 1 приведена структурная схема, реализующая предложенный способ. На Фиг. 2 и Фиг. 3 - векторные диаграммы, поясняющие способ формирования постоянного синфазного напряжения. На Фиг. 4 - эпюры фазных и синфазного напряжений.

Устройство (Фиг. 1) содержит фотоэлектрический модуль 1, выводы которого подключены к звену постоянного тока, состоящего из конденсаторов 2, 3, 4, 5. Фотоэлектрический модуль содержит паразитную емкость 6. Блок 7 - блок задания сигналов глубины модуляции М и угла поворота θ подключен к блоку управления 8. Блок 8 подключен к управляющим входам транзисторов однофазного многоуровневого преобразователя (ОМП) 9. Выводы однофазного многоуровневого преобразователя 10 и 11 подключены к входам дросселей 12 и 13. Между дросселями подключена однофазная сеть синусоидального напряжения 14. Нейтраль сети синусоидального напряжения 14 образует за счет подключения через линию заземления к фотоэлектрическому модулю 1, контур протекания синфазного тока утечки, который содержит комплексное сопротивление 15 и паразитную емкость 6.

Способ осуществляется следующим образом. Солнечный фотоэлектрический модуль 1 (Фиг. 1) генерирует постоянное напряжение U_DC, которое подают на последовательно включенные конденсаторы 2, 3, 4,

5 звена постоянного тока. В блоке задания 7 на каждом такте векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) формируют задающий вектор V* с соответствующим ему модулем М и углом поворота θ (Фиг. 2), которые подают в блок управления - 8-блок в котором происходит расчет задающего вектора, выбор комбинации состояний ключей, а так же формирование импульсов управления ШИМ. На периоде формирования дифференциального выходного напряжения однофазного многоуровневого преобразователя 9 можно использовать все двадцать пять комбинаций состояний ключей (КСК) и девять задающих векторов (Фиг 2). В КСК первое число - это относительное значение потенциала одного из узлов N0, N1, N2, N3, N4 конденсаторов звена постоянного тока (Фиг. 1) каждый из которых при коммутации транзисторов однофазного многоуровневого преобразователя 9 подключают к фазному выводу 10, формируют при этом одно напряжение U₁₀, Табл. 1. Второе число это значение относительного потенциала одного из узлов N0, N1, N2, N3, N4 конденсаторов звена постоянного тока, каждый из которых при коммутации транзисторов однофазного многоуровневого преобразователя подключают к фазному выводу 11 однофазного многоуровневого преобразователя 9, формируют при этом напряжение U₁₁, Табл. 1.

Для подавления синфазного тока утечки в процессе формирования напряжений U₁₀ и U₁₁ используют только пять КСК у которых значение U_син = U_DC (N4; N0), (N3; N1), (N2; N2), (N1; N3), (N0; N4) и пять задающих векторов (Фиг. 3). Для этого в блоке 8 рассчитывают весовые коэффициенты в зависимости от модуля М и угла поворота θ задающего вектора V* согласно выражениям (Табл. 2).

Где τ₁₄ весовой коэффициент вектора в секторе I и VIII. τ₁₂ весовой коэффициент вектора в секторе I и VIII. τ₂₂ весовой коэффициент вектора в секторе II и VII. τ₂₀ весовой коэффициент вектора в секторе II и VII. τ₃₆ весовой коэффициент вектора в секторе III и VI. τ₃₀ весовой коэффициент вектора в секторе III и VI. τ₄₆ весовой коэффициент вектора в секторе IV и V. τ₄₈ весовой коэффициент вектора в секторе IV и V.

Для каждого напряжения U₁₀ и U₁₁ на фазных выводах получают дифференциальное U_диф = U₁₀-U₁₁ и синфазное выходные напряжения.

Формирование синфазного тока утечки происходит под действием синфазного напряжения U_син и может протекать через реакторы 13, 14, электрическую сеть 15, комплексное сопротивление 12 и паразитную емкость 6.

Тогда синфазный ток утечки определяют как

где f_син - частота синфазного напряжения U_син;

C₆ - паразитная емкость 6 (Фиг. 1);

Z₁₂ - комплексное сопротивление 12 контура протекания синфазного тока утечки.

Так как частота синфазного напряжения f_син, входящее в выражение равно нулю, то и синфазный ток утечки тоже равен нулю.

Техническим результатом является создание способа управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии реализованного на базе векторной широтно-импульсной модуляции, во время синтеза которой используют только те КСК, которые создают на фазных выходах преобразователя постоянное синфазное напряжение со значением равным половине величины напряжения звена постоянного тока, а как следствие, в системе генерирования электрической энергии не формируется синфазный ток утечки.

Способ управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии, состоящей в том, что для управления однофазным многоуровневым преобразователем в системе генерирования электрической энергии синтезируют векторную широтно-импульсную модуляцию, а для этого устанавливают круговую частоту задающего вектора, равную частоте питающей сети ω, а величину модуля задающего вектора V^* формируют путем суммирования двух смежных образующих векторов, модули которых пропорциональны весовым коэффициентам, значения которых рассчитывают в зависимости от глубины модуляции М и угла поворота задающего вектора θ, формируют импульсы управления согласно комбинациям состояний ключей, используемых смежных образующих векторов, и их подают на входы транзисторов однофазного многоуровневого преобразователя в системе генерирования электрической энергии, отличающийся тем, что формируют величину модуля задающего вектора таким образом, что из всех существующих образующих векторов используют только те, которые создают на фазных выходах преобразователя постоянное синфазное напряжение со значением, равным половине величины напряжения звена постоянного тока.