Автономный однофазный инвертор с высоким качеством выходного напряжения

Известно, что классическая схема однофазного автономного инвертора напряжения (АИН) не предназначена для потребителей, чувствительных к качеству питающего напряжения, в частности, таких как системы управления и контроля различными технологическими аппаратами и процессами, вычислительные машины, телеметрия, связь и радиотехнические устройства [1].

Несинусоидальность напряжения на конденсаторах вызывает дополнительные потери, что требует увеличения установленной мощности конденсаторов и, следовательно, массо-габаритных показателей установок. Кроме того, несинусоидальность напряжения повышает потери в обмотках трансформаторов и магнитопроводах [2, 3]. Питание электродвигателей напряжением, содержащим высшие гармоники, приводит не только к дополнительным потерям электроэнергии, но и к ухудшению их рабочих характеристик [4].

Коэффициент гармоник напряжения K_u , генерируемого известными базовыми схемами АИН, значительно превосходит требования стандарта на качество сетевого напряжения, допускающего значение K_u не более 8 % [5].

В последнее десятилетие заметно усилился интерес к созданию локальных интеллектуальных систем электроснабжения на базе возобновляемых источников электроэнергии (ветрогенераторов, солнечных панелей, аккумуляторных батарей). Основной задачей в таких сетях является организация перетекания энергии между разнотипными источниками, а также между источниками и потребителями с минимизацией возникающих при этом потерь. Главным звеном в этой сложной системе электроснабжения является автономный инвертор напряжения, способный генерировать выходное напряжение с параметрами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ 32144–2013.

Поскольку в локальных сетях однофазные потребители занимают доминирующее положение, применение однофазных АИН для решения указанных выше задач требует кардинального улучшения качества выходного напряжения инверторов. Традиционно эта задача решается за счёт использования широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [6, 7], что не всегда является лучшим решением.

Во-первых, применение ШИМ увеличивает потери в силовых ключах АИН, поскольку частота ШИМ в 20–100 раз превосходит частоту первой гармоники выходного напряжения инвертора [8, 9].

Во-вторых, появление большого количества высших гармоник в кривой выходного напряжения АИН при использовании ШИМ отрицательно сказывается на качестве функционирования потребителей и их сроке службы. Для устранения этого недостатка обычно на выходе АИН устанавливают фильтры высших гармоник, что увеличивает массогабаритные параметры и стоимость системы электроснабжения [10].

Эти недостатки не устраняются даже применением завоевывающих все большее внимание многоуровневых инверторов с ШИМ [11–13].

Альтернативным вариантом, позволяющим минимизировать негативные следствия широтноимпульсной модуляции, является применение амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), в частности, ступенчатой модуляции (СМ) для формирования выходного напряжения АИН. Вопросами синтеза топологии инверторов с СМ посвящено множество публикаций [14–18], отображающих разные стороны этой проблемы.

Амплитудно-импульсная модуляция

Формирование ступенчатой кривой, аппроксимирующей синусоидальный сигнал, позволяет при достаточном количестве ступеней достигнуть уровня коэффициента гармоник K_u , не превышающего допустимого стандартом значения. Приведенные в работах [17, 18] данные показывают, что уже при 6–7 уровневом сигнале можно получить напряжение, несинусоидальность которого не превышает 8 %. При этом частота переключения вентилей в силовой схеме инвертора будет снижена по сравнению с ШИМ на 1–2 порядка, а значит, и величина динамических потерь.

Для наибольшего приближения к форме синусоидального сигнала требуется оптимизировать одновременно количество ступенек, их амплитуды и длительности [16, 17, 19]. Эта задача решена с помощью эволюционного алгоритма [20–22], обеспечивающего не только синтез топологии схемы АИН, но и получение значений напряжения источников питания E1, E2, E3, амплитуду и длительности ступенек сигнала, аппроксимирующего синусоиду.

Синтезированная схема однофазного АИН с восьмиступенчатым выходным напряжением, включая ступень нулевого уровня, показана на рис. 1 [23]. Схема содержит однофазный инверторный мост (Т 1 –Т 6 ) и коммутатор, включающий три источника питания Е₁, Е₂, Е₃ и ключи Т₅–Т₁₀. Напряжения Е 3 , Е 2 , Е 1 соотносятся как 1 : 2 : 3. АИН обеспечивает питание активно-индуктивной нагрузки Z н . При этом циркуляция реактивной составляющей мощности нагрузки (т. е. возврат отстающих токов нагрузки) источникам питания осуществляется через ключи Т₆, Т₈, Т₁₀ на ниспадающем участке синусоиды.

Напряжение на нагрузке и временные диаграммы импульсов управления ключами представлены на рис. 1.

Запасённая в индуктивной составляющей нагрузки энергия на текущей ступени передается на следующем интервале источникам постоянного тока, работающим на этом интервале. Суммарный коэффициент гармоник K_u = 6,9 %.

В последующих разделах данной статьи представлены результаты исследования новой схемы однофазного АИН (рис. 2), обеспечивающей допустимую величину суммарного коэффициента гармоник Кu в сетях до 0,38 кВ, которая может быть использована в локальных системах электроснабжения и в других областях, требующих высокого качества напряжения.

Значения отдельных гармонических составляющих представлены в таблице.

Таким образом, генерируемое напряжение удовлетворяет требованиям ГОСТ 32144–2013 по гармоническому составу напряжения для электрических сетей низкого и среднего напряжения без установки выходного фильтра и использования ШИМ.

Результаты моделирования

Проведённые с использованием системы имитационного моделирования PSIM исследования схемы АИН с СМ показали, что она обеспечивает сохранение расчётного коэффициента гармоник выходного напряжения на уровне 7 % во всём диапазоне изменения нагрузки от холостого хода до номинального значения. При этом коэффициент несинусоидальности тока нагрузки K_i находился в пределах 1,12–2,58 % при изменении коэффициента мощности cos φ от 0,05 до 0,95.

Такой низкий коэффициент гармоник тока объясняется фильтрующими свойствами индуктивной составляющей нагрузки.

Рис. 1. Временные диаграммы: а – выходное напряжение инвертора; б – управляющие сигналы силовых ключей

Рис. 2. Схема инвертора напряжения с восьмиступенчатым выходным напряжением

Гармонические составляющие выходного напряжения инвертора

Порядок гармонической составляющей	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21
Значение гармонической составляющей, %	1,9	3,2	0,8	0,4	1,1	0,2	0,3	0,3	0,9	0,2

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока нагрузки

На рис. 3 представлены кривые мгновенных значений выходного напряжения и тока АИН с СМ при коэффициенте мощности нагрузки cos φ = 0,8 и мгновенном двукратном увеличении и уменьшении нагрузки. Из приведенных кривых следует, что даже такая высокая динамика потребляемой мощности не отражается на качестве напряжения и тока нагрузки и не вызывает неблагоприятных переходных процессов.

Недостатком рассмотренной схемы является необходимость иметь три независимых источника постоянного напряжения для питания АИН. Минимизировать затраты можно использованием трансформатора с тремя вторичными обмотками, нагруженными на гальванически развязанные выпрямители. Что касается локальных систем электроснабжения, содержащих солнечные панели и аккумуляторные батареи, то организация трёх источников постоянного напряжения на входе АИН вообще не является проблемой.