Снижение пульсаций напряжения звена постоянного тока твердотельного трансформатора

А.В. Вынгра, , Б.А. Авдеев, , Керченский государственный морской технологический университет, Керчь, Россия

Твердотельные трансформаторы (ТТТ) – это новая технология, разработанная для современных интеллектуальных сетей электроснабжения (ИСЭ). ТТТ состоят из звена среднего переменного напряжения, звена постоянного тока, высокочастотной развязки и звена низкого переменного напряжения. Несмотря на свою относительную дешевизну и простоту, классический трансформатор имеет ряд существенных недостатков, что ограничивает его применение в ИСЭ. Классический трансформатор не позволяет регулировать уровни напряжения, если есть такая необходимость, поддерживать выходное напряжение при просадках входного напряжения. ИСЭ на базе переменного тока обладают большим количеством ступеней преобразования, что уменьшает эффективность всей системы. В отличие от него ТТТ может регулировать напряжение или поддерживать качество выходной синусоиды и заданный уровень напряжения на выходе при изменении напряжения на входе, производить компенсацию реактивной мощности. Звенья постоянного тока используются для создания новых функций трансформатора, таких как гибридное распределение переменного и постоянного тока, что позволит интегрировать нагрузку и источники электроэнергии с различным уровнем напряжения и родом тока. Ко всему прочему ТТТ обладает меньшими массогабаритным показателями, что может быть использовано в локомотивах и в ветроэлектростанции. Все эти преимущества делают актуальным применение ТТТ в ИСЭ.

Исследования ТТТ активно ведутся по разным направлениям: передача электроэнергии от источника электроэнергии к потребителю [1], гальваническая развязка между источником и потребителем электроэнергии [2–5], повышение качества электроэнергии [6], согласование сетей постоянного и переменного тока [7], создание интеллектуальных сетей с местными источниками электроэнергии различной мощности [8]. Существует ряд топологий ТТТ, которые позволяют применять их для конкретных целей с наивысшей эффективностью и сопоставимой стоимостью. Все разновидности по степеням преобразования можно поделить на одноступенчатые, двухступенчатые и трехступенчатые. Трехступенчатая топология ТТТ является самой распространённой благодаря гибкости и универсальности и одновременно с этим самой сложной в техническом плане. Мощности экспериментальных образцов ТТТ достигают нескольких МВт.

Постановка проблемы

При применении входного мостового однофазного выпрямителя мгновенная мощность однофазной сети колеблется с удвоенной частотой, тогда как на выходе ТТТ требуется постоянная мощность. В результате на выходе выпрямителя возникают пульсации мощности с удвоенной частотой сети [9]. Чтобы сгладить пульсации мощно- сти и мгновенного значения напряжения, в схемах используют электролитические конденсаторы высокой емкости, что приводит к увеличению массогабаритных показателей прибора, а также к снижению его срока службы.

Отечественными и зарубежными учеными рассматриваются различные способы решения проблемы высоких массогабаритных показателей входных сглаживающих фильтров [10, 11]. Применение корректоров коэффициентов мощности устраняет гармонические искажения входного тока и потребляемую реактивную энергию, но не устраняет пульсации постоянного напряжения, что доказывается как при исследованиях имитационных моделей корректоров коэффициента мощности, так и при экспериментальных исследованиях [12, 13]. Классические активные фильтры работают на переменном токе, потребляя и отдавая энергию в сеть, таким образом снимая лишнее напряжение и компенсируя провалы напряжения, причём отдаваемая и потребляемая энергия за единицу времени должны быть равны [14–16]. Существуют вольтодобавочные устройства, которые непрерывно могут подпитывать сеть, но они нуждаются в отдельном стабильном источнике электроэнергии, что значительно усложняет и удорожает систему передачи электроэнергии. Вольтодобавочные устройства применяют в основном для тяговых подстанций и в горнодобывающей промышленности [17, 18]. Из-за ограниченности формата статьи привести различные вариации активных фильтров и корректоров коэффициента мощности не представляется возможным.

Так, в качестве альтернативного метода снижения пульсаций напряжения, а вследствие – пульсаций мощности авторами работы [19] была предложена концепция активного фильтра, который состоит из конденсаторов низкой емкости. Дополнительно для реализации данной схемы снижения пульсаций необходимы катушка индуктивности и коммутационные устройства (MOSFET-транзисторы) для управления напряжением конденсатора.

Снизить массогабаритные показатели катушки индуктивности возможно увеличением частоты коммутации транзисторов. Однако при увеличении частоты коммутации в транзисторах возникают коммутационные потери, что, в свою очередь, создает необходимость применения дополнительных радиаторов для отведения тепла [20]. Для того чтобы нивелировать показатели частоты и нагрева силовых ключей, возможно применение карбидкремниевых транзисторов, обладающих высокой скоростью переключения и значительно низким сопротивлением канала в открытом состоянии. Таким образом, применение активного фильтра для подавления пульсаций мощности после выпрямителя наряду с применением новейших силовых полупроводниковых устройств позволит снизить массогабаритные показатели ТТТ.

Целью работы является снижение массогабаритных показателей ТТТ путем применения дополнительного активного фильтра снижения пульсаций выпрямленного напряжения, заменяющего традиционные конденсаторы высокой емкости. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения однофазного мостового выпрямителя составляет 67 %, трехфазного – 5,7 %, поэтому в статье будет рассмотрен однофазный выпрямитель как самый сложный вариант.

Разработка устройства

Для снижения массы и габаритов авторами предложено изменить архитектуру ТТТ и заменить входные конденсаторы высокой емкости на активный фильтр. На принципиальной схеме (рис. 1) представлен однофазный ТТТ с активной фильтрацией пульсаций постоянного напряжения, который может использоваться как однонаправленный преобразователь уровней напряжения в различных областях техники, в том числе в устройствах и приборах, применяемых в движущихся объектах, автономных мобильных системах и других устройствах с высокими требованиями к массогабаритным показателям компонентов.

ТТТ с активной фильтрацией пульсаций постоянного напряжения состоит из входного однофазного активного выпрямителя 1, двойного активного моста 2, выходного однофазного инвертора 6. Двойной активный мост включает в себя автономный инвертор 3, высокочастотный трансформатор 4 и управляемый мостовой выпрямитель 5. Для сглаживания пульсаций постоянного тока на входе и выходе двойного активного моста стоят сглаживающие конденсаторы 7 и 8 соответственно, а также установлен полумостовой активный фильтр звена постоянного тока 9, включающий в себя индуктивность 10 и емкость 11. Для измерения электрических величин предусмотрены датчики напряжения и датчики тока 12–17. На выходе инвертора установлен сглаживающий пассивный фильтр 18. Управление преобразователем осуще- ствляется микроконтроллером 19. В устройстве в качестве управляемых ключей могут быть использованы IGBT-транзисторы или MOSFET-транзисторы, в зависимости от разрабатываемой мощности устройства, однако для снижения размеров радиаторов охлаждения рекомендовано применять карбид-кремниевые транзисторы.

Работает ТТТ следующим образом. Напряжение поступает из сети на неуправляемый однофазный выпрямитель. Выпрямленное напряжение, имеющее пульсирующую форму, подается на активный полумостовой фильтр, снижающий пульсации. Далее напряжение подаётся на однофазный мостовой инвертор, который преобразует из постоянного напряжения в высокочастотное переменное (импульсное). Высокочастотное напряжение подаётся на высокочастотный трансформатор, который осуществляет преобразование в другой уровень напряжения. Полученное напряжение с помощью управляемого выпрямителя выпрямляется в необходимый уровень постоянного напряжение. Полученное напряжение сглаживается конденсатором и подаётся на однофазный инвертор, который генерирует выходное однофазное напряжение и через выходной пассивный фильтр подает его на нагрузку.

Также датчики тока и датчики напряжения передают значения соответствующих электрических величин микроконтроллеру, который на основании этих данных и сигнала управления вырабатывает импульсы для коммутации электронных ключей на инверторы и выпрямитель.

Описание процесса фильтрации

Снижение пульсаций полумостовым активным фильтром происходит следующим образом. Предположим, что напряжение сети u_AC и ток i_AC являются синусоидальными и выражаются следующим образом:

U AC = U m cos( « t); (1)

i AC = I m cos ⁽ ® t + ф ), ⁽²⁾

T   ttt ttt НИН ЛИ ИИ

Сигнал управления    Сигналы с датчиков VT1-2 VT3- 6 VT7- 10      VT11- 14

напряжения и тока

Рис. 1. Принципиальная схема твердотельного трансформатора с активной фильтрацией пульсаций постоянного напряжения

Fig. 1. Schematic diagram of a solid-state transformer with active filtering of DC voltage ripples где Um и Im - амплитуды напряжения и тока сети; ш - частота сети; ф - угол сдвига фаз. Тогда мгновенная мощность pAC сети выражается как

P ac = u AC i AC = U m I m c ^os( 9 )/ ² + U m I m co ^s(2 « t + Ф ) / 2 , ⁴----------------V----------------' '------------------------V------------------------'

ср                            пульс где Pср – средняя мощность, т. е. мощность нагрузки; Pпульс – мощность пульсаций, которая должна быть сглажена конденсаторами или компенсирована активным фильтром.

При абсолютном сглаживании напряжения и тока звена постоянного тока напряжение и ток пульсаций ( uпульс и iпульс ) станут источниками пульсирующей мощности на удвоенной частоте сети. Для упрощения расчета потерями в пассивных фильтрах и выпрямителе решено пренебречь. При отсутствии сглаживающих конденсаторов, согласно балансу мощности, мгновенное значение тока и напряжения на выходе выпрямителя определяются следующим образом: ui iвыпр =-------= 0, 5UmIm Cos(ф) / uDC + 0,5 UmIm Cost2®t + Ф) / uDC ;

uDC     '-------------V-------------'       '“^'

iн                                            iпульс uвыпр = иАС*АС = 0,5UI cos(ф) / iDC + 0,5 UI cos(2wt + ф) / iDC,(5)

iDC        '--------------V--------------'         '----------------V'

uн                              uпульс где uDC и iDC – напряжение и ток вставки постоянного тока; uпульс и iпульс – напряжение и ток пульсаций;

u _н и i _н – напряжение и ток нагрузки.

Согласно представленным схемам замещения (рис. 2а, b), можно записать следующие уравнения для звена постоянного тока при сглаживании тока и напряжения:

_С du_DC dt

выпр н ;

diDC

L ----= u — u . dt выпр н

Рис. 2. Принципиальная схема участка цепи с активным фильтром напряжения (а) и тока (b) и их схемы замещения Fig. 2. Schematic diagram of a circuit section with an active voltage (a) and current (b) filter, and their replacement circuits

Таким образом, для реализации идеально выпрямленного постоянного напряжения и постоянного тока на выходе выпрямителя, согласно (6) и (7), необходимо бесконечное значение емкости и индуктивности, и именно применение пассивных фильтров для значительного снижения коэффициента пульсаций приводит к увеличению массогабаритных размеров устройства. Однако применение активного фильтра позволяет снизить размеры накопителей энергии. Согласно первому закону Кирхгоффа, если ток активного фильтра iаф принимает обратное значение тока пульсаций iпульс , пульсации выходного тока будут отсутствовать. Аналогично, согласно второму закону Кирхгофа, если напряжение активного фильтра uаф равно напряжению пульсаций uпульс , то выходные пульсации напряжения также будут равны нулю.

Синтез блока активной фильтрации

Предложенный блок активной фильтрации представляет собой полумостовой понижающий преобразователь, включающий в себя вспомогательную индуктивность Lаф и емкость Саф , предназначенную для накопления энергии. Ток катушки и напряжение конденсатора определяются переключением силовых ключей на MOSFET-транзисторах VT1 и VT2. Индуктивность используется только для передачи энергии между цепью постоянного тока и конденсатором, следовательно, запасаемая энергия в ней пренебрежимо мала. Так как в цепи постоянного тока наблюдаются как пульсации тока, так и напряжения, компенсацию пульсаций целесообразно производить по мощности. Мощность пульсаций, генерируемых активным фильтром, можно определить как pаф   Uаф ’ iаф

= U аф • С аф

dU аф dt ^,

где U _аф – напряжение активного фильтра.

Учитывая тот факт, что активному фильтру необходимо генерировать пульсирующую мощность, частота которой в два раза выше частоты сети, справедливо следующее выражение:

dU аф

U аф • С аф       = ^Р аф ^cos(2 ® t ^- Ф ^).

Проинтегрировав обе части выражения (9) и приняв константы равными нулю, получим

С аф “Of- = Е 0 + р ® ^sin(2 ® t ^- Ф ) =

= Е 0 ⁺ Е 2,макс ^sin ( ² ® t ^- Ф ),                  ⁽¹⁰⁾

где Е ₀ – энергия конденсатора; Е _2,макс – амплитудное значение пульсаций энергии. Когда пульсации мощности в активном фильтре достигают амплитудного значения, напряжение на конденсаторе определяется как

^U аф = . \^U аф02 ^- “ САС- • ^sin(2 ® t — Ф ),      ⁽¹¹⁾

2® Саф где Uаф0 = .J2Е0 / Саф - напряжение на конденсато- ре в начале каждого полупериода; UАС – действую- щее значение напряжения цепи переменного тока;

I_АС – действующее значение переменного тока.

Во время работы активного фильтра напряжение фильтра всегда будет выше нуля и ниже напряжения линии постоянного тока. Учитывая емкость конденсатора С _аф , можно определить следующие ограничения:

Е 0 — Е 2,макс >  0; (12)

Е 0 + Е 2,макс

C аф U D ² C

<    2    ,

где U_DC – напряжение цепи постоянного тока.

При условии, что энергия конденсатора будет составлять половину максимальной энергии активного фильтра, можно определить максималь- ную емкость устанавливаемого конденсатора:

Е 0 =

C аф U D ² C ;

U аф0

U DC ;

C аф U D ² C

2        ² E 2,макс^.

Минимальная емкость конденсатора активного фильтра определяется случаем, когда вся энергия, запасенная в фильтре, будет использована для компенсации пульсаций мощности:

2 P _аф

С аф,мин       о

® ^U D C

Алгоритм работы фильтра

Снижение пульсаций активным фильтром происходит по следующему алгоритму: датчик напряжения и трансформатор тока снимают значения переменного напряжения и тока и передают в микроконтроллер, который вычисляет действующее значение потребляемой из сети мощности, далее датчики тока и напряжения передают значения постоянного напряжения и тока, по которым вычисляется значение мощности звена постоянного тока. При возникновении рассогласования значений мощностей ввиду пульсаций напряжения постоянного тока микроконтроллер генерирует импульсы, отпирающие верхний или нижний ключи полумоста активного фильтра, тем самым создавая пульсации тока в цепи индуктивности и конденсатора в противофазе с пульсациями мощности звена постоянного тока.

Разработка имитационной модели устройства

Для проверки работы устройства спроектирована модель в среде имитационного моделирования MATLAB. Модель включает в себя входной выпрямитель, активный фильтр, двойной активный мост и выходной инвертор. Разработанная модель без добавления активного фильтра исследовалась ранее [21] и показала высокую эффек-

Рис. 3. Двухконтурная система управления активным фильтром Fig. 3. Dual-circuit active filter control system

тивность отображения процессов, происходящих в преобразователе.

Сигнал управления ключами формируется по алгоритму, описанному выше, двухконтурной системой управления, блок-схема которой представлена на рис. 3.

Отличительной особенностью данной системы автоматического управления является определение референтного значения мощности вставки постоянного по мощности линии переменного тока. Согласно уравнению (2), в системе используется удвоенное значение частоты сети (2ωt). Генерация ШИМ сигнала и определение коэффициента заполняемости ШИМ происходит с учетом двухконтурной отрицательной обратной связи по току и напряжению.

Результаты моделирования

В ходе имитационного моделирования, произведенного в MATLAB/Simulink, получены графики пульсаций напряжения звена постоянного тока при работе без активного фильтра и с активным фильтром при фиксированной емкости конденсатора, составляющей 50 мкФ. В момент времени 0,4 с происходит включение системы управления полумостового активного фильтра. Полученные осциллограммы приведены на рис. 4. При сохранении одинакового значения емкости удалось снизить амплитуды пульсаций с 179 до 66 В. Коэффициент пульсаций без активного фильтра составил 0,42, а при работе фильтра снизился до 0,13. Следует заметить, что устройство снижает амплитуды пульсаций удвоенной частоты сети (2-й гармоники), однако создает пульсации 4-й гармони- ки, хоть и значительно меньшей амплитуды. При моделировании работы устройства без активного фильтра при тех же параметрах нагрузки коэффициент пульсаций составил 0,12 в случае применения сглаживающего конденсатора емкостью 500 мкФ.

На рис. 4 видно, что пульсации формируемого активным фильтром тока имеют удвоенную частоту относительно частоты пульсаций выпрямленного мостовым фильтром напряжения. Энергия, запасаемая в LC-цепи в момент достижения максимального напряжения, отдается в цепь постоянного тока в момент провала напряжения.

Также произведено исследование эффективности работы устройства твердотельного трансформатора при переменной нагрузке с добавлением активного фильтра и без него при емкости сглаживающего конденсатора 50 мкФ, а также при увеличенной емкости 400 мкФ. Результаты приведены на рис. 5.

КПД ТТТ с конденсаторами высокой емкости при нагрузке в 1,2 кВт составляет 92,9 %. При уменьшении емкости звена постоянного тока резко увеличивается амплитуда пульсаций мощности, что приводит к повышению импульсного напряжения и снижению КПД до 91 %. Активный фильтр также вносит дополнительные потери в ТТТ. Однако при сохранении уменьшенной емкости КПД снижается всего на 0,5 % по сравнению со случаем с уменьшенной емкостью звена постоянного тока, но без АФ. Следует отметить, что конструкция ТТТ незначительно дополняется катушкой индуктивности и двумя транзисторными ключами с радиаторами.

Рис. 4. Осциллограммы напряжения и тока при работе активного фильтра Fig. 4. Voltage and current waveforms during operation of the half-bridge active filter

Рис. 5. КПД устройства при работе с АФ и без него

Fig. 5. The efficiency of the device when operating with and without the AF

Обсуждение

Согласно обзору топологий активной фильтрации пульсаций мощности видно, что большинство исследователей уделяли пристальное внимание топологиям с низкой стоимостью (обеспечиваемой снижением количества переключателей), чтобы снизить стоимость готового устройства при сохранении высоких показателей качества электроэнергии [22, 23]. В настоящей работе вопрос о стоимости комплектующих устройства стоит косвенно, так как основной задачей исследования стояло снижение массогабаритных параметров устройства для дальнейшего его использования в различных мобильных системах.

Следует заметить, что разработанная модель и предложенный алгоритм активного фильтра не способны полностью убрать пульсации напряжения и тока, а только снижают их амплитуды. Это связано с тем, что в системе не учитываются потери на элементах цепи, а также не учитываются режимы работы двойного активного моста, выступающего в качества нагрузки звена постоянного тока твердотельного трансформатора. Аппаратная реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств, при надлежащем выборе и настройке соответствующих параметров [24].

Заключение

Было продемонстрировано, что применение активной фильтрации пульсаций постоянного напряжения для твердотельного трансформатора позволяет уменьшить массогабаритные показатели при сохранении высоких показателей качества электроэнергии. В результате имитационного моделирования показано, что применение АФ в цепи постоянного тока позволяет уменьшить ёмкость сглаживающего конденсатора с 500 до 50 мкФ при сохранении коэффициента пульсаций, равного 0,13, и выходной мощности 1,2 кВт. С увеличением мощности ёмкости также должны увеличиваться, чтобы обеспечить сглаживания пульсаций. Так, для 50 кВт желательно использовать конденсаторную батарею на 2000 мкФ, что является проблематичным. Также следует учитывать тот факт, что входное напряжение на ТТТ может превосходить 600 В, что вынудит устанавливать конденсаторы последовательно, что в несколько раз увеличит количество применяемых конденсаторов. Всё это делает применение предложенного метода устранения пульсаций на вставке постоянного тока ещё более перспективным и необходимым.

Дальнейшие исследования авторов будут направлены на создание оптимальных алгоритмов работы активного фильтра, а также на разработку новых топологий систем сглаживания постоянного тока и повышения показателей качества электроэнергии в целом.