Многоуровневые инверторы напряжения. Обзор топологий и применение

УДК 621.341.572

В. Г. Макаров, Р. Н. Хайбрахманов

МНОГОУРОВНЕВЫЕ ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ. ОБЗОР ТОПОЛОГИЙ И ПРИМЕНЕНИЕ

Ключевые слова: каскадные инверторы, многоуровневые инверторы, схема с фиксированной нейтральной точкой, плавающие

конденсаторы.

В данной статье проведен обзор существующих топологий многоуровневых инверторов напряжения. Дано описание их принципов работы, выявлены достоинства и недостатки различных схемотехнических решений многоуровневых инверторов напряжения, а также приведены примеры применения. Раскрывается актуальность применения многоуровневых инверторов напряжения и сравнение с классическими двухуровневыми инверторами.

Key words: Cascaded inverters, multilevel Inverters, neutral point clamped circuit, flying capacitors.

In this article, a review of existing topologies of multilevel inverters voltage. A description of the principles of work, identified the advantages and disadvantages of various solutions of circuit multilevel voltage inverters and application examples are given. It reveals the relevance of the application of multi-level inverter voltage and the comparison with the classical two-level inverters.

Введение

Многоуровневые инверторы напряжения представляют собой высокоэффективное решение на рынке высоковольтной энергетики. В настоящее время активно используются силовые полупроводниковые устройства для электроприводов переменного тока, для передачи электроэнергии постоянного и переменного тока статические компенсаторы реактивной энергии (СТАТКОМ).

Особенность и главное достоинство многоуровневых инверторов по сравнению с классическими двухуровневыми заключается в том, что за счет увеличения полупроводниковых элементов в схеме можно достичь следующих результатов:

1) возможность получения высокого напряжения на выходе используя стандартные низковольтные полупроводниковые элементы, такие как IGBT-модули (Insulated-gate bipolar transistor), не прибегая к необходимости высоковольтных дорогостоящих полупроводников;

2) высокое качество питающей сети, стремящееся к идеальной синусоиде за счет многоступенчатости выходного напряжения, иначе говоря, уровней выходного напряжения.

Из этих основополагающих достоинств вытекает множество других возможностей. Постараемся более подробно разобрать данные возможности.

Возможность вырабатывать высокое напряжение, позволяет эффективно регулировать потоки мощности между энергосистемами, стабилизировать напряжение на линиях электропередач. Использование компенсаторов СТАТКОМ на базе трехуровневого инвертора с фиксированной нейтральной точкой, позволяет регулировать коэффициент мощности в линии электропередач лучше устаревших конденсаторных батарей или синхронных компенсаторов. При использовании в электроприводах получаем высоковольтные частотно-регулируемые электроприводы мощностью до 1 МВт. Они обеспечивают высокое качество регулирования скорости двигателя переменного тока, а также оптимизацию технологического процесса и режимов работы. Данные преобразователи широко применяются в хими-

ческих, нефтяных производственных процессах, на заводах по сжижению природного газа, в водоподго-товительных установках и судовых двигателях. Также многоступенчатость кривой выходного напряжения позволяет увеличить коэффициент синусоидальности питающего напряжения, соответственно увеличит качество питающей сети, а высокая электромагнитная совместимость (ЭМС) позволяет отказаться от дорогих габаритных сетевых фильтров.

Помимо всего этого многоуровневые инверторы напряжения получают широкое распространение в источниках возобновляемой энергии, таких как ветроэнергетика или солнечные электростанции. Перейдем к обзору наиболее популярных существующих ныне топологий [1 - 6].

Многоуровневые инверторы с фиксированной нейтральной точкой

Как известно, наибольшее распространение в преобразователях частоты на сегодняшний день имеют двухуровневые инверторы. На входе данных инверторов имеется два потенциала + и^ и - и^ , где и^ - напряжение звена постоянного тока. Соответственно на выходе такого инвертора формируется положительная ступень напряжения + и^ и

отрицательная ступень - и^. Так работают двухуровневые инверторы. Попытки улучшить качество напряжения на выходе преобразователя, привели к созданию трехуровневого инвертора с фиксированной нейтральной точкой. Особенность данного преобразователя заключается в том, что в отличие от классического двухуровневого инвертора на входе данного инвертора три потенциала: + и^ , - и^ и

нейтральный нулевой потенциал (средняя точка между последовательно соединенными конденсаторами в звене постоянного тока). Разность потенциалов

между нулевым потенциалом, и положительным или

^ Э

отрицательным потенциалом равна . Это на-

2

пряжение через разделительные диоды подается на

средние точки плеч инвертора, образованные последовательно включенными транзисторами. За счет соответствующего управления транзисторами инвертора на его выходе формируется напряжение трех

ис1

уровней, и с, -— и 0, в то время как классическая

схема автономного инвертора напряжения (АИН) формирует напряжение только двух уровней ( ис и 0). Иными словами, выход модуля поочередно соединяется с каждым из трех входных напряжений.

Рис. 1 - Схема мостового трехуровневого инвертора с фиксированной нейтральной точкой

Из выше сказанного можно сделать вывод, что трехуровневый инвертор позволяет использовать полупроводники более эффективно. Таким образом, возможно применение полупроводников, рассчитанных на меньший класс номинального напряжения. Это важное преимущество перед двухуровневым инвертором, которое позволяет снизить стоимость полупроводниковых элементов в инверторе. Трехуровневые инверторы имеют больший КПД, а в выходном сигнале содержится меньше неосновных гармоник, что позволяет сократить размеры фильтров. Так трехуровневый трехфазный инвертор, состоящий из трех IGBT-модулей с фиксированной нейтральной точкой (рис. 1) имеет в своем составе 30 полупроводниковых элементов: двенадцать IGBT транзисторов — VТ12), по четыре в каждом

модуле или плече инвертора; двенадцать параллельно соединенных обратных диодов (VD1 — VD12); шесть блокирующих диодов, ток через которые может течь из линии 0 в нагрузку или из нагрузки в линию 0.

Управление трехуровневым инвертором на IGBT-модулях сложнее, чем двухуровневым. Так в однофазном двухуровневом инверторе два ключа, то есть четыре возможных состояния: оба ключа открыты, оба закрыты, открыт только верхний, открыт только нижний. Допустимыми являются только три из них: когда ключи окажутся открытыми одновременно, произойдет короткое замыкание. Если не считать режима, когда оба ключа закрыты, то есть модуль просто выключен, управление двухуровневым инвертором сводится к тому, что в каждый момент времени должен быть открыт либо верхний,

либо нижний ключ. Если рассматривать работу одного модуля в трехуровневом инверторе, в котором четыре ключа, то там 16 возможных состояний. Возможные состояния ключей для однофазного трехуровневого инвертора со связью со средней точкой через блокирующие диоды приведены в табл. 1 [2].

Таблица 1

VT1 0 0 0 1 0 0

VT2 0 1 0 1 1 0

VT3 0 0 1 0 1 1

VT4 0 0 0 0 0 1

Также существует схема силовой части пятиуровневого преобразователя с фиксацией нейтральной точки, приведенная на рис. 2. За счет последовательно соединенных конденсаторов на входе ин-верторного моста на средней точке этих конденсаторов формируется постоянное напряжение, равное

ис

4

Это напряжение через разделительные диоды

подается на средние точки плеч инвертора, образованного последовательно включенными транзисторами. За счет соответствующего управления транзисторами инвертора на его выходе формируется на-

ис

пряжение пяти уровней: Ud

4ud ,Ud

4 2

4

0.

За счет появления данных дополнительных ступеней в кривой выходного напряжения существенно повышается коэффициент синусоидальности выходного напряжения, определяемый как отношение действующего значения первой гармоники выходного напряжения к действующему значению выходного напряжения [3]. С увеличением числа ступеней коэффициент синусоидальности растет, стремясь к единице.

Недостатком данных схем инвертора с фиксированной нейтральной точкой является ряд проблем, связанных с контролем баланса напряжения между конденсаторами напряжения на шине постоянного тока при передаче активной мощности. В отличие от схемы с «плавающими конденсаторами», которая будет рассматриваться далее, здесь нет избыточных комбинаций переключений, и поэтому баланса напряжения на шине постоянного тока можно достичь только за счет сложного метода широтно-импульсной модуляции или используя другие более сложные методы управления. И поэтому данная топология с большим числом уровней не перспективна. Несмотря на это, данная топология находит широкое применение в промышленности, например трехуровневая мостовая схема с фиксацией нейтральной точки, в зарубежном варианте схема NPC (neutral point clamped inverter), типичными представителями данного класса систем являются серии преобразователей частоты ACS 1000 фирмы ABB и Simovert MV фирмы Siemens. Также пятиуровневая мостовая схема, выполненная на базе трехуровневого инвертора, внедрена и разработана фирмой ABB в серии преобразователей частоты ACS 5000 [1].

Рис. 2 - Схема силовой части пятиуровневого инвертора с «фиксацией нейтральной точки»

Трехуровневый инвертор с плавающими конденсаторами

Схема трехуровневого преобразователя с «плавающими» конденсаторами представлена на рис. 3. Данная топология во многом схожа со схемой трехуровневого инвертора с фиксированной нейтральной точкой. Количество конденсаторов на шине постоянного тока равно соотношению т — 1, количество транзисторных модулей из соотношения 2 (т — 1), где т - число ступеней в кривой выходного напряжения.

Отличие данной топологии от предыдущей схемы, заключается в том, что вместо блокирующих диодов в схеме используются «плавающие конденсаторы». Свое название они получили по причине того, что в отличие от диодов конденсаторы пропускают обратное напряжение. Данное свойство позволяет схеме использовать избыточное число комбинаций переключений, более того используя определенные переключения с помощью несложного способа управления можно решить проблему баланса напряжения между конденсаторами на шине постоянного тока при передаче активной мощности. При передаче реактивной мощности в данном преобразователе сложностей не возникает подобно схеме №С. В основных состояниях, когда включен внешний транзистор, соединенный с отрицательным или

положительным полюсом источника питания, кон-

^ (

денсатор заряжается до напряжения —— (то есть

напряжение источника питания, делится пополам между конденсатором и закрытым транзистором, соединенным с противоположным полюсом источника питания). В дополнительных состояниях напряжение конденсатора либо непосредственно подается на выход фазы, либо вычитается из напряжения

источника питания. В обоих случаях на фазу пода-

^ [3]

ется напряжение равное —— [3].

Рис. 3 - Схема трехуровневого инвертора с «плавающими» конденсаторами

Также эта топология, как и топология КРС имеет общую шину постоянного тока, что позволяет избавиться от необходимости использования сложного многообмоточного фазосдвигающего трансформатора как в каскадном инверторе. Но вместе с тем это является большой проблемой, так как большое число конденсаторов на шине постоянного тока которое растет с увеличением числа уровней напряжения, рождает проблему баланса напряжения и дальнейшее увеличение уровней выходного напряжения в данной топологии становится достаточно проблематично. Помимо всего этого количество «плавающих конденсаторов» растет квадратично в зависимости от количества уровней напряжения, то есть большое количество конденсаторов в схеме. Данная топология не нашла промышленного применения на рынке многоуровневых инверторов.

Каскадные многоуровневые инверторы

Каскадные многоуровневые инверторы основаны на последовательном соединении нескольких однофазных инверторов в фазе нагрузке. Эта структура способна достичь высоких уровней выходного напряжения, используя только стандартные низковольтные технологически сформировавшиеся компоненты. Обычно, необходимо подключить от трех до десяти инверторов последовательно, чтобы достичь требуемого выходного напряжения. Данные преобразователи также обладают таким качеством как высокая степень модульности, потому что каждый инвертор может рассматриваться как модуль с аналогичной топологией схем, структурой управления и модуляции. Поэтому, в случае неисправности в одном из этих модулей, возможно, заменить его быстро и легко. Более того, используя соответствующий способ управления, возможно, обойти неисправный модуль, не отключая нагрузку, что влечет за собой длительную работоспособность.

На рис. 4 показана схема типовой ячейки многоуровневого каскадного инвертора. Цепь инвертора состоит из четырех главных ключей и четырех обратных диодов. В соответствии с комбинацией четырех ключей (табл. 2), формируются три уровня выходного напряжения: + и^ , -и^ и 0. Во время

работы инвертора, когда ключи VT1 и VT4 закрыты проводят напряжение и^ с положительной полу-

волной и соответствующим направлением тока. Когда открыты ключи VT2 и УТ4, к нагрузке прикладывается напряжение ис отрицательной полуволной. Когда закрыты все ключи, ток пойдет через обратные диоды. Есть два способа коммутации для синтеза нулевого уровня [4], например:

1) УТ1 и УТ2 открыты, УТ3 и VT4 закрыты;

2) УТ1 и VT2 закрыты, УТ3 и УТ4 открыты.

Рис. 4 - Схема типовой ячейки многоуровневого каскадного инвертора

Таблица 2

Ключ Напряже-

УТ1 УТ2 УТ3 УТ4 ние

1 0 1 0 0

1 0 0 1 +ис

0 1 1 0 - ис

0 1 0 1 0

Чтобы получить многоуровневую форму на выходе переменного напряжения различного уровня Н-мостовые ячейки соединяют последовательно. Следовательно, синтезированная форма волны напряжения является суммой выходных напряжений последовательно соединенных инверторов. Количество уровней выходного фазного напряжения в каскадном инверторе определяется выражением: М =2s+1,

где Б - число источников постоянного тока.

Например, выходное тринадцати уровневое фазное напряжение может быть получено от шести отдельных источников напряжения постоянного тока и шестью мостовыми ячейками. Конфигурация каскадного тринадцати уровневого преобразователя изображена на рис. 5. У таких типов преобразователей каждая ячейка должна питаться от изолированного источника постоянного напряжения. Поэтому для каскадных преобразователей необходимо изготовление специальных трансформаторов, которые включает в себя несколько вторичных обмоток.

Фазосдвигающий входной трансформатор имеет сложную конструктивную особенность, количество вторичных вентильных обмоток равно количеству инверторных ячеек. Первичная обмотка трансформатора соединена по схеме «звезда» Схема соединения вторичных вентильных обмоток будет зависеть от количества инверторных ячеек в фазе нагрузки. При четном количестве ячеек в фазе инвертора половина вентильных обмоток соединяется по схеме «зигзаг», а вторая половина по схеме «обратный зигзаг», как это показано на рис. 5, при

нечетном количестве ячеек в фазе инвертора такая же схема подключения, но есть переходная вентильная обмотка - «центр симметрии» группы вентильных обмоток. Обмотка, включенная в треугольник, обеспечивает нулевой угол сдвига [5]. Нужно заметить, что существуют и другие схемы подключения вторичных обмоток фазосдвигающе-го трансформатора.

Соотношения для определения номинальных напряжений полуобмоток при соединении в «зигзаг»

2

^21п • и2п • Б|Пф;

(

^22п = и2п

СОБф -

Б1Пф

7Г

где и221п и и222п - номинальные напряжения первой и второй полуобмоток п-ой обмотки трансформатора; ф - угол сдвига вектора вторичного напряжения.

Угол сдвига вектора вторичного напряжения п-ной обмотки определяется из условия

60

Ф = - П1

при нечетных к, где П = 1, 2, 3, ... , 60

к -1

Ф =

2 • к

• П1 -

к

при четных к, где П2 = 1, 2, 3, ... , ^

Рис. 5 - Конфигурация многоуровневого каскадного инвертора

2

Данная топология многоуровневого инвертора существенно отличается от рассмотренных выше топологий. Достоинством является модульность данного варианта, отсутствие необходимости использования сложных способов регулирования баланса напряжения на шинах постоянного тока. Это, в свою очередь, рождает необходимость в сложном многообмоточном фазосдвигающем входном трансформаторе, что значительно удорожает стоимость преобразователя. Данный преобразователь нашел широкое применение в регулируемых высоковольтных приводах мощностью до 1 МВт и получил название многоуровневая каскадная схема на базе унифицированных вентильных ячеек с многообмоточным трансформатором. Эта схема предложена Mitsubishi и внедрена в преобразователях частоты Meltrac-F500HVC.

Заключение

Проведенный обзор существующих топологий многоуровневых инверторов позволил выявить следующие наиболее распространенные схемы: с фиксированной нейтральной точкой, с плавающими конденсаторами и многоуровневый каскадный инвертор. Наиболее перспективной является топология многоуровневого каскадного инвертора, так как в ней реализуется наибольшее количество уровней, а также имеется возможность увеличения класса напряжения. В настоящее время работы по совершенствованию многоуровневых преобразователей продолжаются. Предлагаются усовершенствованные схемы, как с фиксированной нейтральной точкой, так и с плавающими конденсаторами, а также схемы с активным звеном постоянного тока. Разрабатываются способы управления, позволяющие решить ряд проблем, связанных с регулированием баланса напряжения на шине постоянного тока, рекуперацией энергии в сеть и т.д.

В связи с применением перечисленных схем многоуровневых инверторов актуальной является проблема их исследования.

При этом предстоит решить следующие задачи:

1) анализ алгоритмов управления силовыми транзисторами многоуровневых инверторов;

2) компьютерное моделирование и анализ электромагнитных процессов в многоуровневых инверторах;

3) исследование спектрального состава выходных напряжений;

4) анализ рабочих и энергетических характеристик при работе на двигатель переменного тока;

5) сравнительный анализ характеристик двухуровневых и многоуровневых инверторов.

Литература

1. Н. В. Донской, А. Г. Иванов, В. А. Матисон, И. И. Ушаков, Многоуровневые инверторы для электропривода и электроэнергетики, Силовая электроника. 15. 1, 43 - 46 (2008).

2. В. В. Филатов, Двух- и трехуровневые инверторы на IGBT-модулях, Силовая электроника. 37. 4, 38 - 41 (2012).

3. М. А. Таранов, П. Т. Корчагин, Многоуровневые и каскадные инверторы, Вестник аграрной науки Дона. 21. 1, 63 - 66, (2013).

4. Yasmeena, Dr. G. Tulasi, Ram Das, Cascaded multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, & and Applications International Journal of Scientific Engineering Research, Volume 4, Issue 8, 353 - 367

5. Г. Г. Жемеров, Д. В. Тугай, И. Г. Титаренко, Моделирование электропривода переменного тока с каскадным многоуровневым инвертором напряжения, Электротехника и электромеханика. 45. 2, 42 - 47 (2013).

6. Jose Rodruegez, Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng, Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications. Journal IEEE Transactions industrial electronics. 49, 4, 724 - 738 (2002).

© В. Г. Макаров - д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой электропривода и электротехники КНИТУ, electroprivod@list.ru; Р. Н. Хайбрахманов - магистрант той же кафедры, electroprivod@list.ru.

© V. G. Makarov - Doctor of Technical Sciences, Assistant of professor, Head of department of Electric drive and Electrotechnics KNRTU, electroprivod@list.ru; R. N. Khaybrakhmanov - undergraduate student of Electric drive and Electrotechnics department KNRTU, electroprivod@list.ru.