Аннотация
Трехуровневый автономный инвертор напряжения (АИН) с фиксированной нейтральной точкой (ФНТ) в настоящее время получил широкое применение в высоковольтном электроприводе переменного тока, а также в системах электроснабжения как преобразователь постоянного тока в переменный. При эксплуатации данного инвертора необходимо обеспечить множество технических требований или четыре основных критерия к качеству кривой выходных напряжений (токов), коммутационным потерям, балансу напряжения нейтральной точки (НТ) и синфазному (СФ) напряжению. С целью улучшения четырех заявленных критериев в данной статье предложен алгоритм пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (ПВШИМ) с гибридной последовательностью переключения (ПП), построенной на основе известных комбинаций пяти- и семиступенчатой ПП. Были предложены три варианта гибридных последовательностей переключений: Г1-ПП, Г2-ПП и Г3-ПП и проведен их сравнительный анализ при помощи компьютерного моделирования в среде MatLab+Simulink. На основе анализа эксперимен-тальных зависимостей коэффициента искажения высших гармоник (THD) тока на выходе инвертора, числа пар переключений силовых ключей, максимальной ошибки напряжения НТ и уровня СФ напряжения от коэффициента модуляции инвертора и коэффициента регулирования гибридной ПП была определена оптимальная гибридная ПП, которой оказалась Г1-ПП. Она обеспечивает наилучший баланс напряжения НТ и исключение гармоник чётного порядка из спектра выходного напряжения инвертора. Таким образом, предложенный алгоритм ПВШИМ с Г1-ПП является эффективным инструментом для управления трехуровневым АИН, что благоприятно сказывается на его энергосбережении, массогабаритных показателях и эксплуатационной надежности.
Ключевые слова
трехуровневый автономный инвертор напряжения с фиксированной нейтральной точкой, напряжение нейтральной точки, синфазное напряжение, коммутационные потери, пространственно-векторная ШИМ, гибридная последовательность переключений
1. Medium-Voltage Multilevel Converters–State of the Art, Challenges, and Requirements in Industrial Applications / A.-R. Haitham, H. Joachim, R. Jose, B. Ge // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2010. Vol. 57(8). Pp. 2581-2596. doi: 10.1109/TIE.2010.2043039
2. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики / Н. Донской, А. Иванов, В. Матисон, И. Ушаков // Силовая электроника. 2008. № 1. С. 43-46.
3. Gorozhankin A.N., Dudkin M.M. Algorithms and Control Systems for Electric Drives of Cold Pipe-Rolling Mills // Russian Electrical Engineering. 2020. Vol. 91(7). Pp. 440-446. doi: 10.3103/S1068371220070068
4. Schweizer M., Friedli T., Kolar J.W. Comparative evaluation of advanced three-phase three-level inverter/converter topologies against two-level systems // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2013. Vol. 60(12). Pp. 5515-5527. doi: 10.1109/TIE.2012.2233698
5. Steinke J.K., Steimer P.K. Medium voltage drive converter for industrial applications in the power range from 0.5 MW to 5 MW based on a three-level converter equipped with IGCTs // IEE Seminar PWM Medium Voltage Drives (Ref. No. 2000/063). IET, 2000. doi: 10.1049/ic:20000338
6. Akira N., Isao T., Hirofumi A. A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter // IEEE Transactions on Industry Applications. 1981. Vol. IA-17(5). Pp. 518-523. doi: 10.1109/TIA.1981.4503992
7. Klug R.-D., Klaassen N. High power medium voltage drives - innovations, portfolio, trends // European Conference on Power Electronics and Applications. IEEE, 2005. doi: 10.1109/EPE.2005.219669
8. Шишков А.Н., Ле В.К., Дудкин М.М. Сравнительный анализ методов широтно-импульсной модуляции для трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой // Наука, техника, педагогика высшей школы. Новые технологии = Science, Engineering, Higher Education Pedagogics. New Technologies: материалы Всероссийской науч.-практической конф. М.: Моск. политехн. ун-т, 2022. С. 303-313.
9. Space vector modulation for neutral point clamped multilevel inverter with even order harmonic elimination / D.W. Feng, B. Wu, S. Wei, D. Xu // Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. IEEE, 2004. Pp. 1471-1475. doi: 10.1109/CCECE.2004.1349682
10. Sanjiba K.B., Nirmal K.A. SHE PWM technique for three phase three level voltage source inverter // IEEE International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (ICPCSI). IEEE, 2017. Pp. 1742–1746. doi: 10.1109/ICPCSI.2017.8392012
11. Белоусов И.В., Самосейко В.Ф., Бровцинова Л.М. Сравнительный анализ методов широтно-импульсной модуляции // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2018. № 2(10). С. 420-429. doi: 10.21821/2309-5180-2018-10-2-420-429
12. Space voltage vector-based new PWM method for large capacity three-level GTO inverter / M. Koyama, T. Fujii, R. Uchida, T. Kawabata // Proceedings of the 1992 International Conference on Industrial Electronics, Control, Instrumentation, and Automation. IEEE, 2002. Pp. 271-276. doi: 10.1109/IECON.1992.254621
13. Wu B., Mehdi N. High-Power Converters and AC Drives Second Edition. Wiley-IEEE Press, 2016. 480 p.
14. A SVPWM control strategy for NPC three-level inverter / Q. Keqing, J. Xi, X. Yuehong, D. Zuojin, C. Wendong // IEEE Power Engineering and Automation Conference. IEEE, 2011. Pp. 256-259. doi: 10.1109/PEAM.2011.6134849
15. Шишков А.Н., Дудкин М.М., Ле В.К. Влияние последовательностей переключений на баланс напряжения нейтральной точки в трехуровневом инверторе напряжения // Известия МГТУ «МАМИ». 2023. № 2(17). doi: 10.17816/2074-0530-125204
16. The nearest three virtual space vector PWM - a modulation for the comprehensive neutral-point balancing in the three-level NPC inverter / S. Busquets-Monge, J. Bordonau, D. Boroyevich, S. Somavilla // IEEE Power Electronics Letters. 2004. Vol. 2(1). Pp. 11-15. doi: 10.1109/LPEL.2004.828445
17. Neutral Point Voltage Balance Based on Space-Vector PWM with Five-Stage Sequence for Three-Level Voltage Inverter / A.N. Shishkov, M.M. Dudkin, V.K. Le, N.A. Eremin // International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon). IEEE, 2023. Pp. 586-592. doi: 10.1109/SmartIndustryCon57312.2023.10110815
18. Mohan M.R., Hiralal M.S. Three-Dimensional Space-Vector Modulation to Reduce Common-Mode Voltage for Multilevel Inverter // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2010. Vol. 57(7). Pp. 2324-2331. doi: 10.1109/TIE.2009.2027247
Оптимальная гибридная последовательность переклю-чения для трехуровневого инвертора напряжения с пространственно-векторной ШИМ / А.Н. Шишков, М.М. Дудкин, А.С. Маклаков, В.К. Ле // Электротехни-ческие системы и комплексы. 2023. № 3(60). С. 61-71. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-3(60)-61-71