Способ стабилизации выходного напряжения многоуровневого инвертора напряжения
METHOD OF STABILIZING OUTPUT VOLTAGE OF MULTILEVEL VOLTAGE INVERTER

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано для построения систем централизованного электроснабжения, требующих стабилизации выходного напряжения при изменении параметров первичной и вторичной сетей электропитания в широких пределах.
Известен способ управления выходным напряжением многоуровневого инвертора напряжения в составе преобразователя с многоуровневым выпрямителем [1]. Выпрямитель и инвертор реализуются на базе идентичной силовой схемы с фиксирующими диодами, позволяющей путем поддержания оптимальных углов управления силовыми ключами регулировать напряжение на емкостном делителе на выходе выпрямителя и обеспечивать его равномерное распределение между конденсаторами.
Недостатками данного способа являются сложность определения оптимальных углов управления, особенно в зависимости от различных коэффициентов глубины модуляции при ШИМ, а также обязательное условие симметричности преобразователя, то есть идентичности параметров силовой схемы выпрямителя и инвертора, обеспечение которой на практике является труднореализуемой и весьма затратной задачей.
Известен также способ управления многоуровневым преобразователем, состоящим из двух независимых источников постоянного напряжения с включенными на их выходе конденсаторами и инвертора, в котором используются циклические последовательности переключения силовых ключей инвертора, поддерживающие их одинаковую токовую нагрузку, симметричную нагрузку на конденсаторах и малые пульсации напряжения на них [2].
Недостатками данного способа являются высокая частота коммутации силовых ключей инвертора, что создает большие потери мощности, и необходимость измерения текущих значений тока и напряжения на выходе источников постоянного напряжения, тока и напряжения на выходе инвертора, что усложняет систему управления.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ стабилизации напряжения питания многоуровневого автономного инвертора напряжения [3], который может быть реализован в преобразователе частоты со звеньями постоянного тока (ЗПТ), содержащем два или более не связанных по выходу трехфазных тиристорных мостовых выпрямителя с включенными на их выходе конденсаторами, два или более каскадов автономного инвертора напряжения (АИН) и систему управления. В данном способе осуществляется стабилизация напряжения на конденсаторах ЗПТ путем минимизации пульсаций на интервалах отсутствия потребления энергии соответствующим каскадом многоуровневого АИН. Для этого угол управления соответствующего выпрямителя устанавливается равным 90 эл. град, для индуктивной нагрузки и 120 эл. град, для резистивной нагрузки, что переводит выпрямитель в режим нулевого тока и напряжения и исключает подпитывание конденсатора ЗПТ. В результате нейтрализуются пульсации напряжения, вызванные подзарядкой конденсатора в отсутствие потребления энергии.
Недостатками данного способа являются инерционность регулирования по цепям ЗПТ и, как следствие, ограничение эффективной работы инвертора областью низких и крайне низких частот (до 0,1 Гц).
Технической проблемой изобретения является необходимость повышения быстродействия системы стабилизации выходного напряжения многоуровневого инвертора напряжения.
Поставленная проблема решается тем, что в преобразователе частоты, содержащем многоуровневый автономный инвертор напряжения, k=2n+1 уровней входного напряжения которого формируются n регулируемыми системой управления ЗПТ, для кривой выходного напряжения инвертора, форму которой принимают за оптимальную, определяют номинальные значения уровней входных напряжений инвертора, а также моменты коммутации силовых ключей инвертора, дополнительно системой управления дискретно с постоянной частотой, превышающей выходную частоту многоуровневого инвертора не менее чем в 360 раз, что соответствует интервалу кривой выходного напряжения менее чем 1 электрический градус, измеряют значения выходных напряжений звеньев постоянного тока, на основе которых рассчитывают их действующие значения, измеряют значение выходного напряжения инвертора на нагрузке, рассчитывают его действующее значение и вычисляют отклонение выходного напряжения от номинального, при превышении отклонения выходного напряжения допустимого значения вычисляют значение вариации моментов коммутации силовых ключей инвертора как разность квадратов действующих значений выходного и номинального напряжений, отнесенная к квадрату действующего значения выходного напряжения n-го звена постоянного тока и умноженная на π/2, и корректируют моменты коммутации силовых ключей инвертора на величину вычисленной вариации.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлен преобразователь частоты, содержащий многоуровневый автономный инвертор напряжения, n регулируемых ЗПТ и систему управления, реализующую предлагаемый способ стабилизации выходного напряжения, на Фиг. 2 - эпюры сигналов в процессе стабилизации выходного напряжения по предлагаемому способу при резком снижении напряжения питающей сети для n=3, где
1 - преобразователь частоты;
2 - k-уровневый инвертор напряжения;
3 - n-звенное ЗПТ;
4 - нагрузка;
5 - система управления;
6 - система стабилизации напряжения уровней;
7 - микроконтроллер ключей инвертора.
Способ стабилизации выходного напряжения многоуровневого инвертора напряжения осуществляют следующим образом.
Силовая часть преобразователя 1 содержит k-уровневый инвертор напряжения 2 и n-звенное ЗПТ 3.1, 3.2, …, 3.n. Число уровней k инвертора связано с количеством n звеньев постоянного тока соотношением k=2n+1. Каждое звено n-звенного ЗПТ обеспечивает индивидуальное питание соответствующего уровня инвертора. Система управления 5 включает систему стабилизации напряжения n уровней ЗПТ 6 и микроконтроллер 7, управляющий моментами коммутаций силовых ключей инвертора. На основе измерений мгновенных значений система стабилизации 6 регулирует напряжения уровней n-звенного ЗПТ, которые выполняются как импульсные преобразователи постоянного тока с выходными ZC-фильтрами. Микроконтроллер 7 рассчитывает действующие значения выходных напряжений n-звенного ЗПТ  на основе измерений их мгновенных значений. Когда напряжения уровней  имеют номинальные значения,  микроконтроллер 7 обеспечивает коммутации силовых ключей инвертора в моменты времени , , K, , соответствующие оптимальной форме выходной кривой:
сети
1
opt
opt
i
i
2
При нестабильности напряжения сети U или резких изменениях нагрузки уровни  будут отличаться от номинальных значений  во время переходных процессов в системе 6 их стабилизации. Так как при этом углы коммутации θ имеют номинальные значения  то действующее значение выходного напряжения отличается от номинального значения U. Микроконтроллер 7 рассчитывает действующее значение выходного напряжения, измеряемое на нагрузке 4 с выбранной частотой, и вычисляет его отклонение от номинального значения ΔU=⏐U-U⏐. При превышении отклонения выходного напряжения допустимого значения микроконтроллер 7 дополнительно регулирует величину углов коммутации силовых ключей соответствующих уровней инвертора. Для определения значений вариаций η углов θ подставим соответствующее выражение  в формулу зависимости квадрата действующего значения напряжения U от значений напряжений уровней и соответствующих углов
В результате получим
Здесь
i
2
Для нахождения значений η, , при которых значение U равно оптимальному значению, получаем уравнение
i
1
2
n
Поскольку в уравнении n свободных параметров η, , то оно имеет множество решений. Рассмотрим вариант решения, считая U<U<…<U.
1
2
n
Положим η=η=…=η=η, где величина η подлежит определению. В этом случае получим
Выбор частоты опроса данных в микроконтроллере 7 определяется следующими факторами. С одной стороны нижняя граница, превышающая выходную частоту многоуровневого инвертора не менее чем в 360 раз, что соответствует интервалу кривой выходного напряжения в 1 электрический градус, определяет точность расчетов не хуже 0,3%, что является приемлемой величиной в большинстве практических применений. С другой стороны увеличение частоты потребует увеличения производительности микроконтроллера, что связано с дополнительными затратами, не всегда оправданными с практической точки зрения.
Микроконтроллер 7, управляющий моментами коммутаций силовых ключей инвертора, реализует два режима. В статическом режиме, когда значения напряжения уровней имеют номинальные значения, он обеспечивает коммутации силовых ключей инвертора в моменты времени, соответствующие оптимальной форме выходной кривой инвертора. При изменении напряжений уровней величина выходного напряжения инвертора также меняется. В то же время при неизменных моментах коммутаций силовых ключей форма кривой остается оптимальной. Работа системы стабилизации напряжений уровней 6 восстановит выходное напряжение, однако в силу инерционности LC-фильтров звеньев ЗПТ время стабилизации может составить несколько десятков периодов выходной частоты инвертора. Второй режим микроконтроллера 7 характеризуется тем, что при превышении отклонения выходного напряжения допустимого значения, он по сигналу блока 9 вычисляет значение η и восстанавливает за счет соответствующего изменения моментов коммутации силовых ключей ,  номинальные значения уровней напряжения ЗПТ с максимальным быстродействием. Время стабилизации напряжения этим методом с учетом вычислений новых требуемых моментов коммутаций не превосходит половины периода выходной частоты многоуровневого инвертора напряжения в большинстве практических применений.
Таким образом, способ стабилизации выходного напряжения преобразователя на основе многоуровневого инвертора напряжения, сочетающего в себе быстродействие процесса стабилизации выходного напряжения за счет ШИМ, и процесс стабилизации уровней напряжения многоуровневого инвертора по цепям ЗПТ преобразователя, позволяет достичь высокого быстродействия при минимальном в среднем снижении качества кривой выходного напряжения.
сети
Пример. Предлагаемый способ стабилизации реализован в преобразователе частоты на основе трехзвенного ЗПТ и пятиуровнего АИН, подключенного к асинхронному двигателю, U=220 В, ƒ=50 Гц.
В случае стабилизации выходного напряжения преобразователя только за счет регулирования трехзвенного ЗПТ восстановление номинальной величины напряжения при резком снижении напряжения питающей сети обеспечивается за 7 периодов выходной частоты инвертирования.
На Фиг. 2 показаны эпюры выходного напряжения u(t) преобразователя, отклонение выходного напряжения от номинального ΔU и величина вариации углов коммутации η в процессе стабилизации выходного напряжения по предлагаемому способу.
Как видно из графиков, восстановление номинального значения выходного напряжения при резком снижении напряжения питающей сети обеспечивается за половину периода инвертирования. Величина вариации углов коммутации η, график которой приведен в нижней части рисунка, спадает до нуля в процессе восстановления номинальных значений напряжений уровней благодаря работе системы стабилизации напряжения n уровней ЗПТ 6.
Источники информации
1. Zhiguo Pan, Fang Zheng Peng, Keith A. Corzine, Victor R. Stefanovic, John M. Leuthen, Slobodan Gataric. Voltage Balancing Control of Diode-Clamped Multilevel RectifierAnverter Systems. IEEE Transactions on of Industry Applications, Vol. 41, No. 6, Nov/Dec 2005, pp. 1698-1706.
2. Martina Calais, Vaasilios G. Agelidis, Michael S. Dymond. When to Switch Which Switch in a Five Level Single Phase Cascaded Inverter, In Conference Proceedings of the AUPEC/EECON'99, Darwin, Australia, September 1999.
3. Гуревич M.К., Козлова M.A., Шершнев Ю.А. Способ стабилизации напряжения питания многоуровневого автономного инвертора напряжения; Патент изобретение № RU 2340071 С1 от 11.09.2007.