Структурно-алгоритмический и параметрический синтез однофазных инверторов напряжения повышенной мощности

  • Геннадий Сергеевич Мыцык
  • Зо Хтут Хейн
DOI: https://doi.org/10.24160/0013-5380-2021-2-44-53
Ключевые слова: солнечные электростанции, однофазные инверторы напряжения, ам­плитудно-импульсная модуляция, искажения напряжения, многоканальное преобразование, струк­турно-алгоритмический и параметрический синтез

Аннотация

Интерес разработчиков новой техники к исследованию структурно-алгоритмического синтеза (САС) инверторов напряжения для солнечных электростанций объясняется возрастающей акту­альностью решения задач в связи с выявленными возможностями повышения энергетической эф­фективности преобразования энергетического потока (из постоянного в знакопеременный) за счёт снижения глубины его импульсной модуляции. Эта задача решается путём использования более ра­циональных структурно-алгоритмических решений. Показано, что для солнечных электростанций мощностью около 1 МВА и более целесообразно строить инверторы на основе принципа многока­нального преобразования энергетического потока, который обеспечивает решение задачи при ис­пользовании ограниченной по мощности транзисторной элементной базы фактически без исполь­зования выходного фильтра. При этом для формирования выходного напряжения используется ам­плитудно-импульсная модуляция энергетического потока, а суммирование М его частей в выход­ной цепи осуществляется с помощью М обмоточных трансфильтров (М-ТФ). Рассматривается предложенный способ комбинированного САС однофазных инверторов с многоканальным преобразо­ванием, заключающийся в использовании в каждом из M каналов N уровневого ОИН (N-ОИН) с оптимизированным по минимуму коэффициента гармоник (Кг(и)) уровнями напряжения. Результи­рующее напряжение этого класса однофазныъ инверторов, обозначаемых как MxN-ОИН, формиру­ется путём соответствующего фазового сдвига напряжений каналов с последующим суммирова­нием токов каналов посредством (М-ТФ). Показано, что при этом результирующее выходное на­пряжение имеет значения уровней, также близкие к оптимизированным по минимуму показателя КТ(и). Представлены результаты сопоставительного анализа двух вариантов: одноканального 8-уровневого и четырёхканального 8-уровневого. Для второго варианта требуется всего лишь один промежуточный отвод напряжения в солнечной батарее (вместо 7 в первом варианте) и доступ­ная для практической реализации современная транзисторная элементная база. Оба варианта обеспечивают значение КТ(11)<5%о практически без использования выходного фильтра. Представ­ленные результаты создают определённое информационно-методическое обеспечение для систем­ного проектирования однофазных инверторов напряжения применительно к особенностям сол- ненчных электростанций. Трёхфазные инверторы могут строиться на основе трёх инверторов с гальванической развязкой источников питания каждой фазы.

Биографии авторов

Геннадий Сергеевич Мыцык

доктор техн. наук, профессор кафедры «Электротехнические комплексы автоном­ных объектов и электрический транспорт» (ЭКАО и ЭТ) НИУ «МЭИ, диссертацию за­щитил в 200 г.

Зо Хтут Хейн

окончил магистратуру НИУ «МЭИ». Аспирант НИУ «МЭИ»

Литература

1. Грузков С.А. Электрооборудование летательных аппаратов: Учебник для вузов. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. М.: Изд. МЭИ, 2005, 568 с.

2. Мыцык Г.С. Основы теории структурно-алгоритмического синтеза источников вторичного электропитания. М.: МЭИ, 1989, 109 с.

3. Мыцык Г.С., Пикулин В.П., Шевякова Н.Б. Анализ и оценка форм выходного напряжения преобразователей с амплитудно-импульсной модуляцией. — Электричество, 1979, № 11, с. 25-30.

4. Мыцык Г. С. Модификации амплитудно-импульсной модуляции 2-го рода в преобразовательной технике. — Электротехника, 1979, № 9, с. 62-67.

5. Моин E.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986, 376 с.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математические для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1980, 976 с.

7. Мыцык Г.С., Тин Аунг Зо, Хейн Зо Хтет. Синтез трёхфазных инверторов напряжения повышенной мощностин с амплитудно-импульсной модуляцией выходного напряжения. Электричество, 2019, № 6, с. 42-50.

8. Мыцык Г.С., Тин Аунг Зо, Хейн Зо Хтет. Структурно-ал­горитмический и параметрический синтез однофазных инвер­торов напряжения для солнечной энергетики. — IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2020 EIConRus), Санкт-Петербургский государственный элек­тротехнический университет «ЛЭТИ», 2020, pp. 1261 — 1265.

9. Selvaraj J. and Rahim N.A. Multilevel inverter for grid-connected PV system employing digital PI controЦer»’— IEEE Trans. Ind. Electron., 2009, vol. 56, No. 1, pp. 149—158.

10. Shamil M., Darwish M. and Marouchos C. Single phase Multi level inverter with desire harmonics. 47th International Universities Power Engineering Conf. (UPEC), London, 2012, pp. 1—4.doi: 10.1109/UPEC.2012.6398694.

11. Kumar Ashish, Thakura P.R. Reduced switches 13-level multilevel inverter for PV array grid, IoT and Application (ICIOT) 2017 Intern. Conf. 2017, pp. 1—6.

12. Marouchos C.C. The Switching function Analysis of power Electonic circuits, London, The institution of engineering and technology, UK, 2006.

13. Ajesh P.S., Varghese B.M. and Oommen A.P. Performance analysis of cascadable U-cell multi level inverter, Intern. Conf. on Technological Advancements in Power and Energy, ( TAP Energy), Kollam, 2017, pp. 1—6.

14. Sung-Jun Park, Feel-Soon Kang, Man Hyung Lee, and Cheul-U Kim. A New Single-Phase Five-Level PWM Inverter Employing a Deadbeat Control Scheme, — IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2003, vol. 18, No. 3, pp. 831—843, May.

15. Подпись: Хейн Зо Хтут окончил магистратуру НИУ «МЭИ». Аспирант НИУ «МЭИ».Calais M. and Agelidis V.G. Multilevel converters for single-phase grid connected photovoltaicsystems. Proc. — IEEE Int. Symp. Ind. Electron., 1998, vol. 1, pp. 224—229.

16. Kjaer S.B., Pedersen J.K., and Blaabjerg F. A review of single-phase grid connected inverters for photovoltaic modules. — IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 41, No. 5, pp. 1292—1306. 2005.

17. Cheng Y., Qian C., Crow M.L., Pekarek S. and Atcitty S. Acomparison of diode-clamped and cascaded multilevel converters for a STATCOM with energy storage. — IEEETrans. Ind.Electron., 2006, vol. 53, No.5, pp. 1512— 1521.

16. Hinga P.K., Ohnishi T., and Suzuki T. A new PWM inverter for photovoltaic power generation system. — in Conf. Rec. — IEEE Power Electron. Spec. Conf., 1994, pp. 391—395.

17. Gonzalez R., Gubia E., Lopez J. and Marroyo L. Transformerless single-phase multilevel-based photovoltaic inverter. — IEEE Trans. Ind. Electron., 2008, vol. 55, No. 7, pp. 2694—2702.

18. Park S.J., Kang F.S., Lee M.H. and Kim C.U. A new single-phase ?ve level PWM inverter employing a deadbeat control scheme. — IEEE Trans. Power Electron., 2003, vol. 18, No. 3, pp. 831—843.

19. Geibel D., Jahn J. and Juchem R. Simulation model based control development of a multifunctional PV-inverter. — 12th Eur. Conf. Power Electron. Appl., Sep. 2—5, 2007, pp. 1 — 10.

20. Singh G. and Garg V.K. THD analysis of cascaded H-bridge multi-level inverter. 4th International Conference on Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), Solan, 2017, pp. 229—234.

21. Мыцык Г.С., Михеев В.В., Берилов А.В. Поисковое проектирование устройств силовой электроники (Трансформаторно-полупроводниковые устройства): учебное пособие. М.: Изд. дом МЭИ, 2010, 284 с.

#

1. Gruzkov S.A. Elektrooborudovaniye letatel’nykh apparatov: Uchebnik dlya vuzov. Tom 1. Sistemy elektrosnabzheniya letatel’nykh apparatov (Electrical equipment of aircraft: Textbook for universities. Volume 1. Aircraft powe). M.: Izd. MEI, 2005, 568 p.

2. Mytsyk G.S. Osnovy teorii strukturno-algoritmicheskogo sinteza istochnikov vtorichnogo elektropitaniya (Fundamentals of the theory of structural and algorithmic synthesis of secondary power supplies). M.: MEI, 1989, 109 p.

3. Mytsyk G.S., Pikulin V.P., Shevyakova N.B. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 1979, № 11, pp. 25—30.

4. Mytsyk G.S. Modifikatsii amplitudno-impul’snoy modulyatsii 2-go roda v preobrazovatel’noy tekhnike (Modifications of amplitude-pulse modulation of the 2nd kind in conversion technology). — Elektrotekhnika, 1979, No. 9, pp. 62—67.

5. Moin V.C. Ctabilizirovannyye tranzistornyye preobrazovateli (Stabilized transistor converters). M.: Energoatomizdat, 1986, 376 p.

6. Bronshteyn I.N., Semendyayev K.A. Spravochnik po matematicheskiye dlya inzhenerov i uchashchikhsya vtuzov (A guide to mathematics for engineers and university students). M.: Nauka, 1980, 976 p.

7. Mytsyk G.S., Tin Aung Zo, Kheyn Zo Khtet. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2019, No. 6, pp. 42—50.

8. Mytsyk G.S., Tin Aung Zo, Kheyn Zo Khtet. Strukturno-algoritmicheskiy i parametricheskiy sintez odnofaznykh invertorov napryazheniya dlya solnechnoy energetiki. — IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2020 EIConRus), Sankt-Peterburgskiy gosudarstvennyy elektrotekhnicheskiy universitet «LETI» (Structural-algorithmic and parametric synthesis of single-phase voltage inverters for solar energy. - IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2020 EIConRus), St. Petersburg State Electrotechnical University «LETI»), 2020, pp. 1261—1265.

9. Selvaraj J. and Rahim N.A. Multilevel inverter for grid-connected PV system employing digital PI controller»,— IEEE Trans. Ind. Electron., 2009, vol. 56, No. 1, pp. 149—158.

10. Shamil M., Darwish M. and Marouchos C. Single phase Multi level inverter with desire harmonics. 47th International Universities Power Engineering Conf. (UPEC), London, 2012, pp. 1—4.doi: 10.1109/UPEC.2012.6398694.

11. Kumar Ashish, Thakura P.R. Reduced switches 13-level multilevel inverter for PV array grid, IoT and Application (ICIOT) 2017 Intern. Conf. 2017, pp. 1—6.

12. Marouchos C.C. The Switching function Analysis of power Electonic circuits, London, The institution of engineering and technology, UK, 2006.

13. Ajesh P.S., Varghese B.M. and Oommen A.P. Performance analysis of cascadable U-cell multi level inverter, Intern. Conf. on Technological Advancements in Power and Energy, ( TAP Energy), Kollam, 2017, pp. 1—6.

14. Sung-Jun Park, Feel-Soon Kang, Man Hyung Lee, and Cheul-U Kim. A New Single-Phase Five-Level PWM Inverter Employing a Deadbeat Control Scheme, — IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2003, vol. 18, No. 3, pp. 831—843, May.

15. Calais M. and Agelidis V.G. Multilevel converters for single-phase grid connected photovoltaicsystems. Proc. — IEEE Int. Symp. Ind. Electron., 1998, vol. 1, pp. 224—229.

16. Kjaer S.B., Pedersen J.K., and Blaabjerg F. A review of single-phase grid connected inverters for photovoltaic modules. — IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 41, No. 5, pp. 1292—1306. 2005.

17. Cheng Y., Qian C., Crow M.L., Pekarek S. and Atcitty S. Acomparison of diode-clamped and cascaded multilevel converters for a STATCOM with energy storage. — IEEETrans. Ind.Electron., 2006, vol. 53, No.5, pp. 1512— 1521.

18. Hinga P.K., Ohnishi T., and Suzuki T. A new PWM inverter for photovoltaic power generation system. — in Conf. Rec. — IEEE Power Electron. Spec. Conf., 1994, pp. 391—395.

19. Gonzalez R., Gubia E., Lopez J. and Marroyo L. Transformerless single-phase multilevel-based photovoltaic inverter. — IEEE Trans. Ind. Electron., 2008, vol. 55, No. 7, pp. 2694—2702.

20. Park S.J., Kang F.S., Lee M.H. and Kim C.U. A new single-phase ?ve level PWM inverter employing a deadbeat control scheme. — IEEE Trans. Power Electron., 2003, vol. 18, No. 3, pp. 831—843.

21. Geibel D., Jahn J. and Juchem R. Simulation model based control development of a multifunctional PV-inverter. — 12th Eur. Conf. Power Electron. Appl., Sep. 2—5, 2007, pp. 1 — 10.

22. Singh G. and Garg V.K. THD analysis of cascaded H-bridge multi-level inverter. 4th International Conference on Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), Solan, 2017, pp. 229—234.

23. Mytsyk G.S., Mikheyev V.V., Berilov A.V. Poiskovoye proyektirovaniye ustroystv silo-voy elektroniki (Transformatorno- poluprovodnikovyye ustroystva): uchebnoye posobiye. M.: Izd. dom MEI (Search design of power electronics devices (transformer-semiconductor devices): a tutorial. Moscow: Ed. house MEI), 2010, 284 р.

Опубликован
2020-07-30
Выпуск
№ 2 (2021): Выпуск № 2
Раздел
Статьи