В статье показана актуальность создания многоуровневого инвертора на примере пятиуровневого каскадного инвертора напряжения, отмечены преимущества применения многоуровневых инверторов и разработан алгоритм управления пятиуровневого каскадного инвертора напряжения.

Ключевые слова: каскадный автономный инвертор напряжения, широтно-импульсная модуляция, алгоритм формирования ШИМ.

Проблемы мирового сообщества, вызванные непостоянством возобновляемые источники энергии, побудили ученых разработать новые полупроводниковые преобразователи мощности, среди которых многоуровневый преобразователь, используемый при среднем и высоком напряжении [1].

Топология преобразователей частоты на базе многоуровневого инвертора имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционным двухуровневым АИН:

– снижение напряжения на управляемых ключах за счет их последовательного соединения, следовательно, улучшаются КПД и характеристики самих ключей;

– снижение гармонических искажений выходного напряжения преобразователя и входного тока сети;

– снижение du/dt выходного напряжения;

– снижение габаритов и стоимости преобразователя за счет отсутствия LC-фильтров.

На рисунке 1 представлена схема трехфазного пятиуровневого каскадного инвертора.

Рис. 1. Топология трёхфазного пятиуровневого каскадного инвертора

В каждой фазе находится по две ячейки, каждая из которой представляет собой однофазный АИН, который еще называют H-мост. Ячейка получает питание от независимого источника постоянного напряжения. Напряжение ячейки может принимать три возможных значения: 0, , . Принимаемое значение напряжения зависит от состояния ключей в тот момент.

Широко известными и применяемыми методами формирования ШИМ для многоуровневых преобразователей являются:

– синусоидальная ШИМ;

– пространственно-векторная ШИМ.

Подробнее рассмотрим метод синусоидальной ШИМ, так как он отличается простотой понимания и наглядностью. Алгоритм синусоидальной ШИМ основан на сравнении низкочастотного модулирующего сигнала и опорного высокочастотного сигнала.

Каждой паре силовых ключей, работающих в противофазе, в соответствие ставится свой опорный сигнал, который определяет момент переключения состояния в точках пересечения с нормированным мгновенным значением заданного напряжения. На рисунке 3 представлен алгоритм формирования управляющих импульсов для одной фазы многоуровневого инвертора.

Рис. 2. Алгоритм формирования управляющих импульсов

Модель типовой каскадной схемы построения многоуровневого преобразователя в Matlab/Simulink выполнена с использованием подсистем, каждая из которых реализует одну из составляющих преобразователя: ячейку H-моста и алгоритм формирования управляющих импульсов. Иллюстрация составляющих представлена на рисунках 3,4.

Рис. 3. Структурная схема одной фазы 5-ти уровневого инвертора

Рис. 4. Алгоритм формирования импульсов для управления инвертором

Проведем моделирование и посмотрим на форму выходного напряжения и токов, представленных на рисунках 5–7.

Рис. 5. Фазное напряжение

Рис. 6. Линейное напряжение

Рис. 7. Ток

На графиках фазного и линейного напряжений просматривается лестничная форма сигнала, что соответствует теоретическим сведениям, изложенным в [1]. На графиках линейного напряжения можно увидеть соответствующие собранной схеме 5 уровней напряжения. Графики токов в установившемся режиме имеют практически синусоидальную форму. Исходя из изложенных наблюдений, можно делать вывод о том, что схема собрана, и алгоритм управления составлены, верно.

Разработанные математические модели и алгоритмы могут применяться в качестве учебных материалов для изучения высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов. Работа может быть использована для дальнейшего исследования, наименее изученных способов управления многоуровневыми инверторами, таким как векторная ШИМ.

Литература:

1. Донской Н, Иванов А, Матисон В, Ушаков И. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики //Силовая электроника. — 2008. — № 1. — С. 43–46.
2. J. Gómez, F. Fernández, Application of Grid Studies for the Secure and Optimal Utilisation of Variable Renewables in Islands — Study Case in Samoa, 5th Solar & 14th Wind Integration Workshop,October 2015
3. Y. Babkrani,A. Naddami,S. Hayani,M, Hilal,A. Fahli. «Simulation of Cascaded H — Bridge Multilevel Inverter with Several Multicarrier Waveforms and Implemented with PD, POD and APOD Techniques». Proccedings of 2017 IEEE International Renewable and Sustainable Energy Conference (IRSEC),2017