Трёхфазный инвертор напряжения повышенной мощности для солнечной фотоэлектрической станции
THREE-PHASE VOLTAGE INVERTER OF INCREASED POWER FOR SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANT

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении трехфазных инверторов напряжения (ТИН) повышенной мощности (при современной элементной базе от 1 МВА и более), например, в сетевых солнечных фотоэлектрических станциях (СФЭС).
j
j
j
j
j
j
В известных на сегодня СФЭС используется структура ТИН по 3-х фазной мостовой схеме (на 6 транзисторах), силовая часть которого выполнена на базе трех однофазных полумостовых инверторных схем, которые реально представляют собой три фазные транзисторные стойки -ФТС (каждая в виде пары последовательно соединенных транзисторов), которые подключены между шинами общего источника питания со средней (нулевой) точкой. Известен такой трехфазный инвертор напряжения (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учебное пособие / Г.С.Зиновьев. - 4-е изд., исправл. и дополн. - Новосибирск: изд.-о НГТУ, 2009. - 672 с, стр. 420). Блок управления (БУ) этого ТИН обеспечивает управление транзисторами ФТС с алгоритмом ШИМ по синусоидальному закону. БУ выполнен по традиционной структуре: он содержит регулируемый по уровню напряжения генератор 3-х фазного задающего напряжения (ГЗН, где j - фазовый индекс) синусоидальной формы, генератор пилообразного напряжения (ГПН), три компаратора (К), каждый с тактовым и управляющим входами и три логических узла (ЛУ) распределения управляющих импульсов между транзисторами соответствующей ФТС.БУ также содержит 6 драйверов, выход каждого из которых подключен к одному из 6 транзисторов ТИН, а их входы - к выходу соответствующего ЛУ. Управляющие входы каждого из трех компараторов подключены к соответствующему выходу ГЗН, а тактовые их входы - к выходу ГПН. Входы ГПН и ГЗН, как правило, подключают к общему узлу задания их частот.
Недостаток этого решения заключается, во-первых, в том, что напряжение источника питания ТИН в практических решениях используется только на 50%. Это, в конечном счете, приводит к пониженному значению его КПД. Во-вторых, эта схема чувствительна к не симметрии 3-х фазной нагрузки: показатели качества выходного напряжения ТИН при этом ухудшены. Ослабление этого недостатка требует использования дополнительных средств, например, введения в источник питания средней точки в виде конденсаторного делителя напряжения (но это не исключает 1-ый недостаток). В-третьих, данное решение имеет ограничения по уровню преобразуемой мощности, которые определяется мощностными возможностями реально используемых транзисторов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является трехфазный инвертор напряжения - ТИН (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учебное пособие / Г.С. Зиновьев. - 4-е изд., исправл. и дополн. - Новосибирск: изд.-о НГТУ, 2009. - 672 с, стр. 436), позволяющий в значительной степени ослабить в указанном выше устройстве-аналоге 1-ый недостаток, исключить 2-ой и несколько ослабить 3-ий недостатки. Этот ТИН выполнен на базе трех мостовых однофазных инверторных ячеек (ОИЯj) с тремя однофазными выходными трансформаторами. При этом каждая ОИЯj выполнена в виде (базовых) транзисторных высокочастотной и низкочастотной стоек, которые подключены к шинам питания ТИН. Напряжение источника питания (здесь уже без средней точки) используется на 100%, схема практически не чувствительна к не симметрии 3-х фазной нагрузки, а ее мощностные возможности возрастают вдвое (при том же напряжении питания) благодаря увеличению вдвое коэффициента использования напряжения питания и, соответственно, благодаря уменьшению вдвое уровня преобразуемого тока. По этой же причине потери в транзисторах уменьшаются в 4 раза.
j
j
j
j
j
j
j
Блок управления (БУ) этим ТИН обеспечивает формирование выходных фазных напряжений по алгоритму однополярной ШИМ (ОШИМ). Он содержит: генератор трехфазного задающего напряжения заданной (например, синусоидальной) формы (ГЗН) частоты ƒ; (базовый) генератор пилообразного напряжения (ГПН) тактовой частоты F>>ƒ; три (базовых) компаратора (К - один на фазу нагрузки) с тактовым и управляющим входами, которые подключены к соответствующим выходам ГЗН и ГПН; три (базорых) логических узла (ЛУ); три датчика длительности полупериода напряжения ГЗН (ДППЗН), а также узел задания частот ƒ, F (УЗЧ), своим соответствующими выходами подключенный (через соответствующие делители частоты (ДЧ)) ко входам ГЗН и ГПН.
Недостатками данного технического решения являются недостаточно высокое качество выходного напряжения (что требует заметных ресурсных затрат на его фильтрацию), а также ограниченные возможности по увеличению преобразуемой мощности (за счет увеличения значения тока нагрузки) при использовании реально располагаемых транзисторов, что ограничивает области его использования, например, в сетевых СФЭС, где требуются мощности более 1 МВА.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества выходного напряжения и преобразуемой мощности при использовании реальных, ограниченных по току транзисторов.
Технический результат заключается в снижении ресурсных затрат на фильтрацию преобразованного напряжения и улучшение за счет этого динамических свойств ТИН, что способствует повышению функциональной их устойчивости в режиме параллельной работы с сетью, и дополнительно расширяет области применения данного решения для построения СФЭС (сетевого типа) повышенной мощности.
J
J
j
j
T
j
j
j
j
j
j
j
j
i
i
i
j
Это достигается тем, что в известном трехфазном инверторе напряжения (ТИН), содержащем три однофазные инверторные ячейки (ОИЯ, где j = A, В, С - фазовый индекс), выполненные по мостовой схеме в виде базовой высокочастотной и низкочастотной транзисторных стоек, причем каждая из них выполнена в виде двух последовательно включенных транзисторов, зашунтированных обратными диодами, а точка соединения транзисторов низкочастотной стойки образует 1-й внутренний выходной вывод j-й фазы ОИЯ, и три однофазных трансформатора напряжения, первичная обмотка каждого из которых подключена к выходу одной из ОИЯ, а вторичные обмотки образуют выход ТИН, а также блок управления, включающий в себя узел задания частот (УЗЧ) с соответствующими по частоте выходами, генератор трехфазной системы задающих напряжений (ГЗН) заданной, например, синусоидальной формы частоты ƒ, базовый генератор пилообразного напряжения (ГПН) тактовой частоты F>>ƒ, три компаратора (К), каждый из которых выполнен с тактовым и управляющим входами, причем к тактовому входу j-го компаратора подключен выход базового ГПН, а к управляющему его входу подключен j-ый выход ГЗН, выход каждого из j-ых базовых компараторов подключен к одному входу базового двухвходового логического элемента (ЛЭ) с парафазным выходом, выполненным с распределением управляющих импульсов по транзисторам j-ой базовой высокочастотной стойки ОИЯ, а также датчик длительности полупериода выходного задающего напряжения ГЗН, с парафазным выходом (ДППЗН), который своим выходом подключен ко второму входу соответствующего базового ЛЭ, кроме того, его парафазный выход выполнен с возможностью подключения к управляющим входам транзисторов j-ой низкочастотной стойки ОИЯ, а входы ГПН и ГЗН подключены к соответствующему по частоте выходу УЗЧ, каждая из ОИЯj снабжена М-1 числом дополнительных высокочастотных транзисторых стоек, а также тремя М обмоточными трансфильтрами, М обмоток одной полярности каждого из которых подключены к точкам соединения транзисторов каждой из М базовых и дополнительных высокочастотных стоек каждой ОИЯj, другие концы этих обмоток каждого трансфильтра объединены и образуют 2-й внутренний выходной вывод j-ой фазы ОИЯj, блок управления снабжен М-1 числом дополнительных ГПН (где i = 2, 3, 4, … М-1) с фазовым сдвигом их напряжений на угол δ=2π/М, а также 3(М-1) числом дополнительных компараторов (К) и М-1 числом дополнительных двухвходовых ЛЭ, причем для каждой j-ой фазы один вход каждого из М-1 числа i-ых дополнительных компараторов подключен к выходу одного из i-ых дополнительных ГПН, второй их вход - к выходу ГЗН j-ой фазы, а выход i-го дополнительного компаратора подключен к одному входу i-го дополнительного двухвходового ЛЭ, второй вход которого подключен к соответствующему выходу ДППЗН.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема силовой части трехфазного трехканального инвертора напряжения (М-ТИН при М=3); на фиг.2 показана принципиальная функциональная схема блока управления (БУ), поясняющая логику формирования управляющих сигналов транзисторами трехканального ТИН; на фиг.3 изображены временные диаграммы, поясняющие функционирование основных узлов БУ 3-ТИН по фиг.2.
j
Пример силовой части трехканального трехфазного инвертора напряжения (3-ТИН) повышенной мощности (при числе каналов М=3), представленный на фиг.1, содержит три однофазные инверторные ячейки - ОИЯ (где j = A (1), В (2), С (1) - фазовый индекс), выполненные на базе мостовой схемы.
A
А
ОИЯ фазы «А» (ОИЯ) включает в себя три высокочастотные стойки на транзисторах 1÷6 (причем из них транзисторы 1, 2 - образуют базовую стойку, а транзисторы 3,4 и 5, 6 - дополнительные стойки) и одну низкочастотную стойку транзисторов 7, 8. Три высокочастотные стойки транзисторов 1÷6 совместно с 4-й низкочастотной стойкой транзисторов 7, 8 образуют три канала, причем точки соединения транзисторов высокочастотных стоек 1÷6 образуют три внутренних выходных вывода (трех) каналов, (которые далее через обмотки трансфильтра 9 объединены в один внешний фазный вывод «А»). К этим трем внутренним выводам подключены с одинаковой полярностью обмотки трансфильтра (ТФ) 9. ТФ 9 выполнен с возможностью суммирования токов каналов высокочастотных стоек, для равномерного распределения токов между каналами и для заграждающего действия для высших гармоник, образующих М фазные системы напряжений (на частоте, кратной тактовой частоте F), которые не должны проходить в нагрузку. На выходе ОИЯ включен Г образный LC фильтр, выполненный в виде дросселя переменного тока 10 и конденсатора 11.
В
С
В
В
Элементы ОИЯ фазы «В» (ОИЯ) в такой же последовательности обозначены цифрами 12÷22, а элементы ОИЯ фазы «С» (ОИЯ) - цифрами 23÷33. Конкретно: ОИЯ фазы «В» (ОИЯ) включает в себя три высокочастотные стойки транзисторов 12÷17 (причем 12, 13 - базовая, а 14, 15 и 16, 17 - дополнительные стойки) и одну низкочастотную стойку транзисторов 18, 19. Три высокочастотные стойки на транзисторах 12÷17 совместно с 4-й низкочастотной стойкой транзисторов 18, 19 образуют три канала, причем точки соединения транзисторов высокочастотных стоек 12÷17 образуют три внутренних выходных вывода (трех) каналов, (которые через обмотки трансфильтра 20 объединены в один внешний фазный вывод «В»). К этим трем внутренним выводам подключены с одинаковой полярностью обмотки трансфильтра 20. На выходе ОИЯ включен Г образный LC фильтр, выполненный в виде дросселя переменного тока 21 и конденсатора 22.
С
С
ОИЯ фазы «С» (ОИЯ) включает в себя три высокочастотные стойки транзисторов 23÷28 (причем 23, 24 - базовая, а 25, 26 и 27, 28-дополнительные стойки) и одну низкочастотную стойку транзисторов 29, 30. Три высокочастотные стойки на транзисторах 23÷28 совместно с 4-й низкочастотной стойкой транзисторов 29, 30 образуют три канала, причем точки соединения транзисторов высокочастотных стоек 23÷28 образуют три внутренних выходных вывода (трех) каналов, (которые через обмотки трансфильтра 31 объединены в один внешний фазный вывод «С»). К этим трем внутренним выводам подключены с одинаковой полярностью обмотки трансфильтра 31. На выходе ОИЯ включен Г образный LC фильтр, выполненный в виде дросселя переменного тока 32 и конденсатора 33.
j
j
Выход ТИН выполнен шестипроводным (а не трехпроводным), поскольку трехпроводный выход здесь возможен лишь только в случае электропитания каждой ОИЯ от своего (индивидуального и гальванически развязанного) источника питания, что сопровождается отсутствием возможности для внутреннего междуфазного обмена реактивной мощностью нагрузки и применительно к использованию ТИН в СФЭС требует установки на силовом входе каждой ОИЯ буферного конденсатора на реактивную мощность нагрузки. При питании же всех ОИЯj от одного общего источника и наличии шестипроводного выхода ТИН буферные конденсаторы не требуются. При этом фазы нагрузки между собой гальванически развязаны.
j
2
2
2
2
2
Такими нагрузками могут быть, например, якорные обмотки электродвигателей или обмотки согласующих трансформаторов (как в данном случае). Поскольку ТИН ориентирован на применение в сетевых СФЭС (причем для работы на не симметричные нагрузки), то на выходе ТИН установлен не общий 3-х фазный трансформатор, а на выходе каждой ее ОИЯ - однофазный развязывающе-согласующий двухобмоточный трансформатор - соответственно 34, 35, 36 (на фиг.1). Вторичные их обмотки соединены по схеме «звезда» с выводом нулевой точки 0 для подключения к выходным выводам А, В, С, 0 ТИН не только трехфазных, но и однофазных нагрузок.
На силовом входе каждой ОИЯ, (между ее шинами питания) установлены конденсаторы небольшой емкости для снижения перенапряжений на транзисторах от паразитных индуктивностей шин питания (не обозначены на чертеже, т.к. с позиции решаемых в изобретении задач к существенным признакам не относятся).
i
j
i
j
j
j
i
i
i
j
j
Функциональная схема блока управления (БУ), поясняющая логику формирования управляющих сигналов транзисторами ТИН (фиг.2) содержит узел задания требуемых значений частот (УЗЧ) 37, генератор М фазной системы (на фиг.2 М=3) напряжений пилообразной формы 38 (ГПНi, где i = 2, 3, 4, … М-1 - индекс канала) тактовой частоты F (включающий в себя базовый - 38.3 и дополнительные ГПН - 38.4, 38.5) с фазовым сдвигом М их напряжений между собой на угол δ=2π/М; генератор 3-х фазной системы задающего напряжения ГЗН 39 частоты ƒ; узлы компараторов: базовая их тройка - 40 (40.1, 40.2, 40.3) и две дополнительные тройки узлов - 41, 42 (по числу М=3 на каждую фазу нагрузки - фиг.2); логические узлы (ЛУ) 43 (базовый ЛУ), 44, 45 (дополнительные ЛУ), выполненные с возможностью распределения парафазных сигналов с ШИМ на управляющие входы транзисторов соответствующих высокочастотных стоек; датчики 46, 47, 48 длительности полупериодов напряжения ФЗН (ДППЗН) 39, выполненные с возможностью формирования парафазных сигналов для управления транзисторами 7, 8; 18, 19; 29, 30 трех низкочастотных стоек ОИН. ГПН 38 может иметь разное исполнение. Например, при цифровом исполнении он может быть выполнен в виде последовательно соединенных узла делителей частоты (ДЧ) 38.1, распределителя импульсов на М число каналов 38.2 и непосредственно ГПН 38.3 (выполненного, например, на базе аналогово-цифрового преобразователя в виде реверсивного счетчика и постоянного запоминающего устройства). Выход каждого i-го узла ГПН 38 (38.3, 38.4, 38.5) подключен к одному входу каждого из 3М компараторов 40, 41, 42. Узлы 37, 38 так же, как и узлы 40 и 43, включены между собой последовательно. ГЗН 39 структурно выполнен аналогично ГПН 38, но с возможностью реализации 3-х фазного синусоидального напряжения (непосредственно посредством узлов 39.1÷39.6 ГЗН, где j = 1 (А), 2 (В), 3 (С) - фазовый индекс нагрузки). Вход ГЗН подключен к выходу УЗЧ 37, а его выходы подключены ко вторым входам соответствующих компараторов 40, 41, 42.
j
j
j
j
j
i
j
Структура узла ГЗН 39, показанная на фиг.2, не является принципиальной, она отражает лишь возможный вариант конкретного исполнения. В данном случае этот узел содержит: два делителя частоты (УДЧ1, УДЧ2) 39.1, 39.2 (которые, кстати, могут быть выполнены также и в рамках узла УЗЧ 37): распределитель импульсов на три фазы (РИ) 39.3 с выходными импульсами, сдвинутыми между собой по фазе на угол 2π/3 (на выходной частоте ƒ) и обозначенными как p(t): и собственно ГЗН, формирующий 3-х фазную систему напряжений по форме, близких к синусоидальной, который включает в себя три реверсивных счетчика и запоминающее устройство. ГПН, могут выполняться по такой же структуре, как и ГЗН. Компараторы К могут выполняться как в цифровом, так и в цифро-аналоговом виде. Во втором случае узлы ГЗН и ГПН, дополнены цифро-аналоговыми преобразователями.
Трехфазный инвертор напряжения повышенной мощности для солнечной фотоэлектрической станции работает следующим образом.
А
з(а)
A
pi
i
i
i
A
j
j
j
Принцип работы ТИН поясняется на примере одной фазы «А». Алгоритмы переключения транзисторов 1÷6 трех высокочастотных стоек ОИЯ формируют на основе сравнения напряжения задания u(t), формируемого на выходе ГЗН (фиг. 3а, г, ж) с каждым из трех напряжений пилообразной формы - u(t), формируемых на выходах ГПН 38 (фиг.3 а, г, ж). Эти напряжения для краткости далее обозначаются как развертывающие напряжения. Операция сравнения указанных напряжений осуществляется в узле компараторов 40. Полученные на выходе узла компараторов 40 результаты сравнения напряжений s(t) подаются на входы логического узла 43, выполняющего логическую операцию перемножения двух сигналов - сигнала s(t) и сигнала, определяющего длительность полупериода напряжения задания (ДППЗН,) фазы «А» - p(t) (фиг.3 к, л), который снимается с распределителя импульсов на три фазы (РИ) 39.3 узла ГЗН 39. В результате, на выходе узла 43 формируются алгоритмы переключения
(фиг. 3 б, в, д, е, з, и), транзисторов 1÷8 в следующем виде:
Логика формирования выходных напряжений двух других фаз («В» и «С») аналогична. Разница будет лишь в фазовом их сдвиге на углы 2π/3 для фазы «В» и на 4π/3 для фазы «С» относительно напряжения фазы «А». При этом алгоритмы переключения транзисторов этих фаз имеют следующий вид: - для фазы «В»:
- для фазы «С»:
В М высокочастотных стойках могут быть использованы транзисторы с меньшим в М раз значением тока, чем в 4-й низкочастотной стойке или транзисторы одного типономинала, но тогда низкочастотные стойки выполняются в виде М числа параллельно включенных стоек (с управлением группой параллельно включенных транзисторов от одного драйвера).
i
Разбиение высокочастотной стойки на М число каналов позволяет снизить в М раз значение коммутируемого ими тока (по сравнению с низкочастотной стойкой ОИЯ), что, соответственно, позволяет применить менее сильноточные (и более дешевые) транзисторы.
Что касается низкочастотной стойки, то на нее распространяется только стуктурная многоканальность (а не структурно-алгоритмическая): она может быть выполнена на транзисторах с большим в М раз током или в виде параллельного соединения соответствующих по току транзисторов (причем с одним общим драйвером).
Таким образом, расчленение на каналы только одной высокочастотной стойки в каждой ОИЯi (в j-й фазе ТИН) позволяет улучшить качество выходного напряжения ТИН и, соответственно, снизить ресурсные затраты на фильтрацию.
Предложенное изобретение значительно расширяет области практического его использования в направлении повышения значений преобразуемой мощности при использовании для этого ограниченной по мощности элементной базы - транзисторов. При этом характерным его достоинством является последовательное улучшение показателей электромагнитной совместимости при увеличении числа каналов (и преобразуемой мощности соответственно), что актуализирует его применение с ростом преобразуемой мощности.
Поставленная задача решена на основе структурно-алгоритмического синтеза силовой части и системы управления ТИН, который выполнен на базе трех однофазных инверторных ячеек (ОИЯ) мостового типа. Предложенный ТИН (для СФЭС сетевого типа) способен сохранять заданные показатели качества выходного напряжения при работе, как на симметричную, так и на не симметричную нагрузки с заданным cosϕ, причем, как в режиме автономной, так и в режиме параллельной работы с сетью.
Более конкретно, предложенное изобретение позволяет:
- уменьшить искажения преобразованного напряжения;
- уменьшить установленную мощность (и соответственно) массу выходных фильтров;
- улучшить динамические свойства ТИН (за счет снижения установленной мощности выходных фильтров) и повысить устойчивость при параллельной их работе, как между собой, так и с промышленной сетью;
- расширить область применения данного решения по мощностному диапазону (за счет увеличения уровня преобразуемого тока) для построения СФЭС повышенной мощности при использовании реальных, ограниченных по току транзисторов;
- улучшить электромагнитную совместимость не только по выходу (за счет улучшения качества выходного напряжения и потребляемого тока), но и по входу.
Использование изобретения позволяет уменьшить искажения преобразованного напряжения, и, как следствие этого, снизить ресурсные затраты на его фильтрацию, а также улучшить за счет этого динамические свойства ТИН, что способствует повышению функциональной их устойчивости в режиме параллельной работы с сетью, и дополнительно расширяет области применения данного решения для построения СФЭС (сетевого типа) повышенной мощности при использовании реальных, ограниченных по току транзисторов.