Рубрики
Источники питания

Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения Андрей Колпаков Евгений Карташев Силовая электроника остается, может быть, одной из последних областей техники, где новые

Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения Андрей Колпаков
Евгений Карташев

Силовая электроника остается, может быть, одной из последних областей техники, где новые схемные решения еще длительно будут нужными, невзирая на кажущуюся простоту конфигураций силовых каскадов. Внедрение схемотехнических приемов при проектировании массивных преобразователей напряжения до сего времени позволяет создавать устройства с принципно новыми способностями. Посреди более увлекательных схемных задач в силовой преобразовательной технике — последовательное соединение силовых модулей и каскадов, построенных на их базе. Многоуровневая топология двет возможность использовать ключи с рабочим напряжением 1200/1700 В в высоковольтных конверторах, нужных на транспорте и в энергетике. Не считая того, повышение выходной мощности за счет увеличения напряжения является, пожалуй, единственным решением для сверхмощных применений, когда исчерпаны способности параллельного соединения, и токовая нагрузка на соединительные шины становится неприемлимо высочайшей.

Введение

Ветроэнергетика — одна из более увлекательных отраслей техники, в какой употребляются массивные высоковольтные преобразователи. Этот раздел силовой электроники является приоритетным направлением деятельности дизайнерского центра компании SEMIKRON, который более 30 лет занимается проектированием и созданием преобразователей для других источников энергии.

Конверторы ветроэнергетических установок (ВЭУ), построенные на базе модулей SKiiP SEMIKRON, конвертируют на данный момент более 44 ГВт энергии. При всем этом общая мощность всех введенных в действие ветряных станций составляет сейчас около 94 ГВт (по данным BTM Consult ApS, 03/2008). Общая тенденция увеличения мощности и конфигурации архитектуры ВЭУ показана на рис. 1. Как показывает графикувеличение мощности безизбежно приводит к одновременному увеличению напряжения сети, что обосновано необходимостью понижения токовых нагрузок на полосы электропередачи. Вот почему в современных энергетических установках заместо низковольтного спектра напряжения LV (Low Voltage) стали использовать спектр средних и больших напряжений MV (Medium Voltage). Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

На 1-ый взор, для сотворения MV-конверторов рациональнее всего использовать высоковольтные силовые ключи, предлагаемые рядом компаний, более известны из которых Митсубиши и EUPEC/Infineon. В текущее время выполняются модули IGBT с рабочим напряжением 3,3; 4,5 и 6,5 кВ. В разработке находятся ключи, рассчитанные на 10 кВ. Компания АВВ выпускает высоковольтные модули IGCT (Insulated Gate Controlled Thyristor) и преобразователи на их базе. Но, по воззрению инженеров SEMIKRON, такие решения, невзирая на кажущуюся схемную простоту, малоэффективны с экономической и технической точек зрения. Этого же представления держится и главный технический спец компании Деян Шрайбер [1], на счету которого 10-ки действующих разработок и патентов в области ветроэнергетики.

Главные недочеты преобразователей, построенных на высоковольтных ключах, это:

  • высочайшая цена;
  • сложность обслуживания;
  • отсутствие единых эталонов;
  • маленькое количество производителей, сложность поиска подмены;
  • маленький КПД.

Произнесенное подтверждается диаграммами (рис. 2), позволяющими сопоставить КПД преобразователей, построенных на силовых ключах 3-х классов напряжения (1700, 3300, 6500 В). В анализируемых модулях употребляются кристаллы, имеющие схожую суммарную эффективную площадь, что нужно для правильности сопоставления. Как демонстрируют приведенные данные, применение низковольтных транзисторов IGBT с рабочим напряжением 1700 В дает возможность создавать преобразовательные устройства с более высочайшей отдачей мощности и эффективностью.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Данные, приведенные на рис. 2, получены для 3-фазного инвертора при последующих критериях эксплуатации:

  • напряжение DC-шины Udc = 1100/1800/3600 B;
  • напряжение преобразователя Uас = 690/ 1130/2260 B;
  • частота коммутации Fsw = 3,6 кГц;
  • cosφ= 0,9.

Решение вопроса об использовании стандартных низковольтных ключей в применениях класса MV стало вероятным с возникновением так именуемых многоуровневых схем, приобретающих все бoльшую популярность в силовой электронике. Развитие многоуровневых технологий связано с вырастающими требованиями по одновременному повышению мощности и понижению утрат преобразовательной техники. Наращивание тока за счет параллельного соединения силовых ключей либо преобразователей имеет физические пределы, связанные со значимым возрастанием утрат проводимости и переключения при определенном уровне мощности. Справедливости ради необходимо подчеркнуть, что многоуровневые схемы, естественно, имеют более сложную архитектуру и методы управления, что компенсируется их высочайшей технической и экономической эффективностью.

В особенности животрепещуща неувязка наращивания мощности для ветроэнергетики. Современная ветроэнергетическая установка — в почти всех отношениях передовое изделие, построенное на современных разработках и последних достижениях механики, электроники, аэродинамики. В согласовании с европейскими эталонами к энергосистеме не может быть подключен генератор мощностью наименее 1 МВт, а для понижения цены 1 кВт/ч лучше, чтоб мощность единичной ВЭУ составляла 5–10 МВт.

Внедрение в ветротурбинах стандартных низковольтных (LV, с напряжением наименее 1 кВ) генераторов переменной частоты становится проблематическим при токах в несколько килоампер, а цена 1 кВт энергии при всем этом начинает превосходить допустимые пределы. Одно из вероятных решений для данного спектра мощности, в особенности при работе на переменной частоте, — это применение статических преобразователей, работающих в MV-диапазоне при напряжении 3–6 кВ и выше.

Безредукторные мотор-генераторы с неизменными магнитами, внедрение которых более оправданно при низких скоростях вращения, имеют более ординарную конструкцию и позволяют получить бoльшую мощность, чем более всераспространенные в текущее время асинхронные машины. В отличие от асинхронных генераторов, их работа невозможна без конвертора соответственной мощности, что и ограничивает обширное применение машин такового типа. Для работы с безре-дукторными генераторами с неизменными магнитами SEMIKRON разрабатывает уникальные схемотехнические решения, дозволяющие создавать многоуровневые преобразователи на базе низковольтных ключей. Главным вопросом, возникающим при проектировании схожих изделий, является выбор правильного метода управления силовыми модулями, входящими в состав ячеек. Конвертор напряжения на базе поочередного соединения 1-фазных ячеек (Series Connected H-Bridge Voltage Source Converter — SCHB VSC)

Данный класс многоуровневых конверторов основан на поочередном соединении 1-фазных Н-мостовых ячеек, как показано на рис. 3. 1-ые схемы данного класса появились в 1975 г. [2], последние патенты размещены в [3–5]. Одно из главных преимуществ многоуровневого преобразователя состоит в способности масштабирования рабочего напряжения и мощности при помощи соединения определенного количества Н-мостов.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Питание DC-шины каждой ячейки должно обеспечиваться независимо, при всем этом с ростом количества ячеек и, соответственно, уровней выходного напряжения улучшается его спектральный состав. Очень принципиально, что для реализации конвертора требуются только дешевенькие и доступные низковольтные силовые ключи и конденсаторы. К недочетам хоть какой многоуровневой топологии можно отнести необходимость внедрения сложного и дорогого многообмоточного трансформатора. Однофазовый Н-мост. Принципная схема, коммутационные режимы и состояния

На рис. 4 представлена базисная схема Н-мос-товой ячейки, применяемой в многоуровневых преобразователях класса SCHB VSCs. Питание DC-шины инвертора обеспечивается от 3-фаз-ного диодного выпрямителя, присоединенного к изолированной обмотке сетевого трансформатора.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Любая ячейка состоит из 2-ух полумостовых каскадов; обозначения TL и TR употребляются для идентификации ключей и логических состояний (1 = on и 0 = off). Так как транзисторы врубаются попеременно, комплементарные IGBT обозначены как T‾L и T‾R соответственно. В таблице 1 приведены 3 вероятных состояния ключей Н-мостовой ячейки. Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Пути протекания фазного тока iph в положительном и отрицательном направлении показаны на рис. 5. Состояние «0» может быть обеспечено 2-мя методами зависимо от направления iph. Когда оба верхних (TL, TR) либо нижних (T‾L,T‾R) транзистора открываются, выходное напряжение становится нулевым. В состояниях «+» и «–» диагональные ключи (T‾L, TR) либо (TL,T‾R) проводят ток, при этом это могут быть транзисторы либо диоды. Таким макаром, простая Н-мостовая ячейка способна сформировывать 3 независящих уровня напряжения.

Каждый ключ в приведенной схеме перекрывает напряжение Udc/2, а наибольший коммутируемый IGBT либо диодиком ток равен пиковому току фазы iph^. Эти характеристики определяют базисные требования к силовым модулям. Рассредотачивание утрат проводимости меж разными компонентами схемы показано в таблице 2.

Два комплементарных ключа в каждом плече (TR,T‾R) либо (TL,T‾L) участвуют в процессе переключения по фронтам (+ →0) и (0→ –). Для положительного фазного тока iph > 0 коммутация (+ →0) задается при выключении TL в первом плече, в итоге чего ток протекает от TL к D‾L, при всем этом транзистор T‾R остается включенным. Оба ключа в первом плече участвуют в этом рабочем цикле, при этом основная часть утрат выключения создается TL.

Во 2-м плече коммутация (+→0) задается выключением T‾R, ток при всем этом течет от T‾R к DR, а транзистор TL остается открытым. Оба ключа второго плеча участвуют в этом цикле, основная часть утрат выключения создается T‾R. Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

При оборотной коммутации (0→+) работают все транзисторы моста. К примеру, во 2-м плече TR выключается первым, дальше после выдержки «мертвого времени» раскрывается T‾R. При всем этом происходит оборотное восстановление DR, что обуславливает появление соответственных утрат. Данная ситуация поясняется на рис. 6, где путь тока активных ключей помечен жирной линией, а его направление через пассивные элементы выделено пунктиром. Окружностями помечены элементы, генерирующие утраты.

Процесс коммутации (0→–) в первом плече начинается с активного запирания TL, в итоге чего ток начинает протекать через D→L. Диодик DR уже находится в проводящем состоянии, TL генерирует утраты проводимости. При оборотной коммутации (–→0) процесс идет в обратном порядке: TL выключается, а TL врубается после окончания «мертвого времени».

После открывания TL фазный ток переключается из D назад в TL. Диодик D запирается, к нему прикладывается все оборотное напряжение, он генерирует утраты восстановления, а TL — утраты включения.

Во 2-м плече коммутация (0→–) начинается с активного выключения T‾R, в итоге чего ток поступает в DR. Диодик D‾L в этот момент уже открыт, T‾R генерирует утраты выключения. При оборотной коммутации (-→0) все процессы идут в оборотном порядке: TR выключается, а T‾R — врубается после «мертвого времени». После его открывания фазный ток перебегает из DR назад в T‾R. Диодик DR выключается, к нему прикладывается все оборотное напряжение, в итоге чего он генерирует утраты оборотного восстановления, а T‾R — утраты включения. Данная ситуация продемонстрирована на рис. 6б, процесс коммутации при отрицательной фазе тока показан на рис. 6в, г. Рассредотачивание утрат переключения приведено в таблице 3.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Формирование ШИМ-сигнала

Любая ячейка работает в режиме синусоидальной центрированной ШИМ-модуляции с добавлением 1/6 третьей гармоники, как показано на рис. 7а. Модулятор употребляет 2 сигнала несущей частоты Utri1, Utri2. Импульсы управления одним полумостом ячейки могут быть сформированы компаратором при сопоставлении несущего и опорного сигнала Ucon. Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Сигналы 2-ух несущих смещены по фазе на TC/2 (180°), таким макаром, на одном периоде делается 4 цикла коммутации. На рис. 7a показано, как делается сопоставление опорного и несущих напряжений и результирующие сигналы управления первым плечом инвертора.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Для выработки импульсов управления вторым плечом Utri2 сравнивается с этим же опорным сигналом в согласовании со последующими выражениями:
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Так как диоды установлены антипарал-лельно по отношению к IGBT, напряжения в Uag и Un’g, независимы от направления выходного тока iph. Выходные сигналы плеч a и n’ по отношению к общему выводу DC-шины g показаны на рис. 7б, в соответственно.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Форма выходного напряжения Н-моста Uan’, показана на рис. 7г, оно состоит из 3-х уровней: ±Udc /2 и 0. Так как 2 плеча Н-моста управляются независимо, частота основной гармоники несущей в выходном напряжении равна двойной частоте ШИМ (f1Cb = 2fC). Это дает соответственное улучшение гармонического диапазона выходного напряжения, как показано на рис. 8.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

При схожей глубине модуляции mf выходные сигналы каждого из плеч Uag и Un’g, сдвинуты относительно друг дружку на 180°, соответственно, гармонические составляющие на частоте коммутации в каждом плече имеют схожую фазу. Это приводит к угнетению боковых комбинационных гармонических составляющих частоты переключения в выходном сигнале. Не считая того, внедрение такового ШИМ-алгоритма обеспечивает наименьший уровень пульсаций напряжения тока DC.

Отметим, что, когда оба верхних ключа открыты, напряжение равно нулю. Выходной ток при всем этом циркулирует по цепи (TL, DR) либо (DL, TR), зависимо от направления iph. В течение сих пор ток idc также равен нулю. Вточности такой же процесс происходит и когда открыты оба нижних ключа. 3-фазный 2-уровневый Н-мостовой преобразователь (2L-H-Bridge)

Облегченная схема 3-фазного 2-уровневого конвертора на базе Н-ячеек показана на рис. 9. Устройство содержит 12 активных однонаправленных ключей с инверсными диодиками.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Для обозначения транзисторов в инверторах каждой из фаз применены знаки SLx и SRx (x = a, b, c), комплементарные IGBT обозначены как S‾Lx и S‾Rx соответственно. Коммутационные состояния ключей (три для каждого плеча) данной схемы такие же, как и для однофазового полумоста (таблица 1). Рассредотачивание утрат проводимости и переключения соответствуют значениям, приведенным для однофазовой ячейки (таблицы 2, 3). Формирование ШИМ-сигнала

Принцип формирования синусоидального ШИМ-сигнала остается таким же, как и для однофазовой Н-мостовой схемы. Способ модуляции для 3-фазного 2L-H-инвертора показан на рис. 10, принципная разница меж 3-фазным 2L-H-мостом и 1-фазным H-мос-том состоит в добавлении 2 опорных сигналов, сдвинутых на 120°. Любая фазная стойка управляется от компараторов, сравнивающих соответственный опорный сигнал Ucon,x (x = a, b, c) с треугольным напряжением несущей частоты Utri1, Utri2.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Как показано на рисунке, две несущие частоты смещены относительно друг дружку на TC/2, таким макаром, происходит 4 коммутации на фазу за 1 период несущей. Для формирования сигналов управления затворами может быть применен тот же метод, как и для однофазового Н-моста:
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Приобретенные величины независимы от направления тока iph. Формы выходного сигнала 3-фазной 2L-H-схемы показаны на рис. 10. Фазные напряжения (к примеру, Uan,) имеют 3 уровня: ±Udc/2 и 0 (10c), линейные напряжения (к примеру, Uab) имеют 5 уровней: ±Udc, ±Udc /2 и 0 (10d).

Гармонический диапазон фазного и линейного сигнала приведен на рис. 11a, б соответственно (для mf= 15). Как и в случае однофазового Н-моста, основная гармоника несущей 2L-H-схемы наблюдается на двойной частоте ШИМ (f1Cb = 2fC). Многоуровневый конвертор напряжения: последовательное соединение 2-уровневых Н-мостовых ячеек (SC2LHB VSC)

В обычных схемах преобразователей, таких как 2L-VSC либо 3L-NPC VSC, высоковольтные ключи (к примеру, 6,5 кВ IGBT) соединяются поочередно, чтоб обеспечить требуемое значение линейного выходного сигнала (Ul l > 3,3 кВ и Ul l > 4,16 кВ). Концепция многоуровневого конвертора на базе поочередного соединения 2-уровневых H-мостовых ячеек (SC2LHB VSC) показана на рис. 12. Патент на схожую схему в первый раз был получен компанией Robicon [4]. Устройства конфигурации SC2LHB VSC обширно употребляются в массивных высоковольтных приводах, источниках питания, преобразователях переменного напряжения.

Схема SC2LHB VSCs содержит набор Н-мостовых ячеек, количество которых находится в зависимости от требуемого значения выходного сигнала. Ячейки строятся на базе стандартных и дешевых низковольтных ключей (обычно, IGBT 17-го класса). Перепады напряжения в таковой схеме имеют относительно малый уровень, равный величине VDC для одной ячейки (порядка 600 В при Vin = 460 VAC). Общее «виртуальное» значение напряжения питания DC-шины Udc,tv зависит также от требуемой величины линейного выходного напряжения конвертора. Оно определяется количеством p поочередно соединенных Н-ячеек в согласовании с выражением Udc,tv = 2xpxUdc,HB.

При схожем низковольтном питании Udc,HB каждой ячейки конвертор производит высоковольтные фазные сигналы (Uan, Ubn, Ucn’): Uxn,=U1xn,+U2xn, + … Upxn1. При всем этом фазное напряжение имеет N уровней: N=2p+1, а линейное напряжение Nl l уровней: Nl l=2N-1. Количество поочередных Н-мостовых ячеек обычно выбирается от 2 до 5 для питания АС-моторов со стандартным напряжением от 2,3 до 7,2 кВ.

При использовании 2 ячеек на фазу (p = 2) схема (рис. 12) может сформировывать 5-уровне-вое напряжение (N = 5). Если количество ячеек на фазу равно 3, 4 либо 5, выходное линейное напряжение будет состоять из 7, 9 и 11 уровней. При всем этом Н-мостовые ячейки с питанием 460, 630 и 690 В способны производить линейное напряжение 800, 1100 и 1200 В (на ячейку) при токе в спектре 70-1000 А.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Для управления многоуровневым преобразователем требуется 2 треугольных сигнала несущей частоты на одну ячейку, как и в случае однофазового Н-моста. Стоит отметить, что треугольные несущие в ячейке при всем этом должны быть смещены по фазе на 180°/ p, в отличие от предшествующего варианта. При таком методе модуляции частота основной гармоники несущей в выходном напряжении равна f1Cb=2xpxfC , где fC — частота ШИМ.

Так как выходное напряжение состоит из огромного количества ступенек и частота основной гармоники несущей f1Cb довольно высока, уровень гармоник в токовом сигнале оказывается очень низким. Благодаря этому упрощается процесс фильтрации и понижаются требования к выходному фильтру, при этом повышение количества ячеек приводит и к понижению уровня гармонических составляющих.

Потому что выходное напряжение умеренно распределено меж единичными ячейками, существует возможность сотворения некой избыточности по сигналу и возможность работы с закороченной ячейкой. При отказе 1-го из Н-мостов его выход может быть автоматом закорочен особым ключом, при всем этом система продолжает работать при неком понижении наибольшей выходной мощности. Предельная величина входного и выходного напряжения Н-ячейки равна напряжению ее питания в согласовании с рис. 4.

Все ячейки имеют схожую токовую нагрузку на частоте основного сигнала, соответственно схожа и мощность рассеяния. К преимуществам концепции следует также отнести простоту и модульный принцип организации управления. Как уже было отмечено, ячейки строятся на базе доступных низковольтных ключей, отличающихся от высоковольтных IGBT дешевизной и несравненно наименьшим уровнем статических и динамических утрат. К примеру, преобразователь Rubicon на базе IGBT с рабочим напряжением 1700 В способен производить линейное напряжение 2,3; 3,3; 4,16 и 6 кВ при использовании 2, 3, 4 и 5 поочередных ячеек на фазу. Еще одним принципиальным преимуществом описанной схемы является малое значение синфазного сигнала и низкие перепады dv/dt уровней выходного сигнала.

Основной неувязкой тут является необходимость независящего питания каждой из ячеек, таким макаром, для реализации схемы требуется непростой многообмоточный трансформатор, рассчитанный на полную мощность. Но таковой трансформатор делает несколько принципиальных функций. Во-1-х, благодаря ему понижаются требования, предъявляемые к изоляции мотора. Во-2-х, при фазовом сдвиге αp = 360°/6p меж вторичными обмотками существует возможность восполнить бoльшую часть гармонических составляющих тока первичной обмотки при соответственном выборе метода управления персональными силовыми ячейками.

Импеданс трансформатора специально выбирается несколько выше стандартного значения, что позволяет ограничить пусковые токи и понизить уровень гармоник. Благодаря низкому уровню гармонических составляющих тока употребления удается понизить требования к входному фильтру, что дает возможность отчасти восполнить цена трансформатора. В таблице 4 приведены главные свойства многоуровневого преобразователя при различном количестве ячеек на фазу. 2-уровневый конвертор напряжения с 2 поочередными ячейками на фазу (5L-SC2LHB VSC). Принципная схема, коммутационные режимы и состояния

На рис. 13 представлена схема конвертора 5L-SC2LHB VSC, в каком применены две Н-мостовые ячейки в каждой фазе. Данная структура подобна показанной на рис. 12 и имеет схожую систему обозначений — a и n’. Устройство состоит из 24 однонаправленных активных силовых ключей с инверсными диодиками, 6 банков DC-конденсаторов и 12-пульс-ного трансформатора с 2 группами вторичных обмоток, сдвинутых по фазе относительно друг дружку на 30° (360°/6p, где р = 2). При условии, что DC напряжение питания каждой Н-мостовой ячейки равно Udc,HB, конвертор способен сформировывать 5-уровневое фазное напряжение (к примеру, Uxn’).

Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Для обозначения ключей и их логических состояний употребляются знаки SpLx и SpRx (1 = on, 0 = off, p = 1, 2). Коммутационные положения ключей для 5 вероятных режимов в каждой фазе и надлежащие напряжения ячеек приведены в таблице 5, из которой видно, что существует 6 и 4 лишних варианта состояний для Uxn’ = 0 и Uxn’ = ±Udc,HB соответственно.

На рис. 14 показан порядок переключения меж уровнями выходного напряжения. Количество коммутаций меж 2-мя наиблежайшими уровнями выделено сероватым цветом. На рисунке видно, что для обеспечения неких переходов нужна работа 3 ключей, но мы будем рассматривать только один вероятный вариант, номер которого обозначен в разрыве жирной полосы.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Токовые пути для положительного и отрицательного направления фазного тока iph представлены на рис. 15. Если любые из диагональных ключей (S1Lx, S1Rx, S2Lx, S2Rx) либо (S1Rx, S2Lx, S2Rx) открыты (имеется в виду 2 активных ключа либо 2 диодика), в данном случае фазное выходное напряжение (фаза — «земля») будет равно 2Udc,HB либо –2Udc,HB (таблица 5).
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Положительные и отрицательные состояния Udc,HB и –Udc,HB могут быть сформированы, если любые из ключей, к примеру, (S1Lx, S1Rx, S2Lx, S‾2Rx) либо (S1Lx, S1Rx, S‾2Lx, S2Rx) открыты (таблица 5). Сигнал воспринимает нулевое значение, когда ток проходит через верхние транзисторы (S1Lx, S1Rx, S2Lx, S2Rx), обоих Н-мостов. Стоит отметить, что при схожем уровне выходного сигнала любой из ключей работает с напряжением DC-шины Udc,HB = Udc/4 по сопоставлению с Udc/2 в конверторах типа 3L-NPC и 3L-FLC. Рассредотачивание утрат проводимости и переключения для данной схемы такое же, как для однофазового Н-моста. Синусоидальная ШИМ-модуляция

Есть разные методы формирования ШИМ-сигнала при помощи нескольких несущих, которые могут быть применены для управления многоуровневыми конверторами. В практических схемах используются 3 главных способа формирования сигнала управления: фазовый сдвиг несущих (Phase Shifted, PS), различное положение несущих (Carrier Disposition, CD) и гибридный (Hybrid, H) способ. В данной статье мы будем рассматривать только вариант PS, который обеспечивает лучшую форму выходного напряжения и малый уровень утрат при довольно обычный реализации метода.

Для использования данного способа нужны 4 несущих сигнала схожей частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе относительно дуг друга на четверть периода (TC/4). Метод модуляции для конвертора 5L-SC2LHB VSC поясняется на рис. 16а, где показаны несущие напряжения треугольной формы Utri,L1, Utri,R1 для первой и Utri,L2, Utri,R2 для 2-ой Н-ячейки (один для каждой стойки). Моменты коммутации определяются при сопоставлении соответственного сигнала несущей и опорного напряжения Ucon,x (x = a, b, c). В данной схеме происходит 8 коммутаций на фазу за один период TC. Метод выработки сигналов управления затворами может быть определен так:
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Выработанные таким макаром импульсы управления затворами конвертора 5L-SC2LHB VSC показаны на рис. 16, там же определены состояния ключей S1Lx, S1Rx, S2Lx, S2Rx.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Форма выходного напряжения преобразователя (в согласовании с приведенной системой уравнений) представлена на рис. 16в–д. «Земля» конвертора n? изолирована от нейтрали нагрузки n’ и каждое фазное напряжение Uan’, Ubn’ и Uсn’ конкретно определяется уровнем сигнала на АС выходе персональной ячейки. Благодаря схожему уровню питания Н-мостов (к примеру, Udc,HB = Udc/4), выходное фазное напряжение конвертора 5L-SC2LHB состоит из 5 уровней: ±Udc/2, ±Udc/4 и 0 (рис. 16в). Линейное напряжение, к примеру, Uab’ = Uan’, U‾bn’, имеет 9 уровней: ± Udc, ±3Udc /4, ±Udc /2, ±Udc /4 и 0 (рис. 16г).

Фазные напряжения нагрузки Uan’, Ubn’ и Uсn’, показанные на рис. 16д, могут быть выражены последующим образом:
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

Они состоят из 13 ступеней: ±7Udc/12, ±Udc/2, ±5Udc/12, ±Udc/3, ±Udc/4, ±Udc/6 и 0. Значения уровней разных сигналов сведены в таблицу 6, диапазоны фазного и линейного выходных напряжений показаны на рис. 17а и 17б соответственно (при ma = 1,15 и mf = 15). На рисунках видно, что 1-ая гармоника несущей в выходном напряжении в 4 раза выше частоты ШИМ (f1Cb = 4fC). Как следует, выходной фильтр для преобразователя 5L-SC2LHB VSC будет еще меньше, чем для стандартных схем типа 3L-NPC VSC.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения

При увеличении количества поочередно соединенных ячеек принцип формирования метода управления остается таким же. К примеру, преобразователь 7L-SC2LHB VSC с 3-мя H-инверторами на фазу (р = 3) содержит 36 активных ключей с инверсными диодиками, 9 банков конденсаторов и 18-пульсный трансформатор с 3 группами обмоток, сдвинутыми по фазе относительно друг дружку на 20° (360°/6р).

Метод выработки ШИМ-сигнала для такового конвертора показан на рис. 18, он аналогичен описанному для схемы 5L-SC2LHB. Способ модуляции PS в этом случае предугадывает наличие 6 треугольных несущих схожей амплитуды и частоты, сдвинутых по фазе на TC/6. Треугольные несущие (Utri,L1, Utri,R1), (Utri,L2, Utri,R2), (Utri,L3, Utri,R3) употребляются для формирования управляющего сигнала первой, 2-ой и третьей ячейки.
Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения
Заключение

Многоуровневая архитектура высоковольтных преобразователей обеспечивает последующие достоинства:

  • наращивание напряжения и мощности достигается повышением количества ячеек, не требуется применение редчайших и дорогих высоковольтных ключей; возможность использования дешевых стандартных низковольтных электрических компонент, обеспечивающая наивысшую экономическую эффективность изделия;
  • Методы управления многоуровневыми преобразователями напряжения малый уровень гармонических искажений выходного напряжения благодаря высочайшей эквивалентной частоте;

  • простоту управления выходными параметрами преобразователя (ток, cosφ).

Схема многоуровневого преобразователя, патентованная в 1975 году, оказалась нужной, сначала, в области энергетики и высоковольтного привода, где требование обеспечения высочайшей надежности может быть реализовано при помощи лишних ячеек. Основной недочет описанной в статье концепции преобразователя — необходимость использования многообмоточного трансформатора, рассчитанного на полную мощность. Но его применение в достаточной мере компенсируется высочайшей надежностью многоуровневых схем, также дешевизной и доступностью элементной базы.