№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.314.263
ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ПРИ КОММУТАЦИИ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ МНОГОУРОВНЕВЫХ ИНВЕРТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ
© 2014 г. П. А. ВОРОНИН1, И. П. ВОРОНИН1, Д. И. ПАНФИЛОВ2, Д. В. РОЖКОВ3
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет "МЭИ"», Москва 2 Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского" (ОАО "ЭНИН") , Москва 3 Открытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация "Космические системы
мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" им. А.Г. Иосифьяна» (ОАО «Корпорация "ВНИИЭМ"»), Москва E-mail: rozhkovdv@gmail.com
В статье представлена реализация схемотехнических методов оптимизации мощности динамических потерь в многоуровневых преобразователях с фиксированной нейтралью. На основании анализа характеристик известных преобразователей с "мягкой" коммутацией выделены два базовых типа, с помощью которых получены новые схемные решения для применения в многоуровневых инверторах с повышенным напряжением и мощностью. Предложены варианты, в которых с помощью принудительного резонанса обеспечивается максимально эффективное разделение фронтов тока и напряжения на ключевых элементах многоуровневой схемы. Схемные решения позволяют сократить до 90% динамические потери в силовых ключах многоуровневого преобразователя.
Ключевые слова: оптимизация динамических потерь, "мягкая" коммутация, многоуровневый инвертор, контур коммутации, перенапряжение.
SWITCHING LOSSES OPTIMIZATION IN HIGH-VOLTAGE MULTI-LEVEL INVERTERS
P. A. Voronin1, I. P. Voronin1, D. I. Panfilov 2, D. V. Rozhkov3
1 National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Moscow 2 Joint Stock Company "G.M. Krzhizhanovsky Power Engineering Institute", Moscow 3 Joint Stock Company «Research and Production Corporation "Space Monitoring Systems,
Information & Control and Electromechanical Complexes" named after A.G. Iosifian"» (JSC "VNIIEMCorporation"), Moscow E-mail: rozhkovdv@gmail.com
The article describes schematic method of dynamic losses optimization in multilevel voltage converters with fixed neutral (connection). These schematic decisions for high-voltage multilevel inverters are based on analysis of characteristics of well khown soft switching converters. Suggested variants of forced resonant system give an opportunity to separate
current and voltage fronts on the key elements of the multilevel scheme with maximum effect. New schematic decisions help to reduce up to 90% of switching losses in key elements.
Key words: switching losses optimization, soft switching, multilevel inverter, switching circuit, overvoltage.
Введение. Тенденция роста мощности энергетических установок, работающих от сетей среднего и высокого напряжения под управлением полупроводниковых преобразователей, наблюдается в возрастающем классе нагрузок. При этом к технико-экономическим показателям высоковольтных преобразователей предъявляются все более жесткие требования. Применение многоуровневых схем позволяет увеличить мощность и повысить выходное напряжение преобразователя до среднего и высокого уровня, несмотря на ограниченный диапазон максимальных рабочих напряжений современных силовых ключей. Например, применение современных силовых IGBT транзисторов на напряжение 6,5 кВ и ток 0,6 кА в шестиуровневом преобразователе позволяет получить действующее выходное линейное напряжение 10 кВ и обеспечивать работу нагрузки мощностью до 5 МВт.
Основным параметром энергетических установок большой мощности является эффективность процесса передачи мощности от источника питания к нагрузке. Применение методов "мягкой" коммутации в многоуровневых схемах позволяет обеспечить более эффективную передачу мощности при одновременном снижении уровня ее потерь. При рабочей частоте преобразователя 20 кГц за счет "мягкой" коммутации удается на 80—90% уменьшить динамические потери в силовых ключах, которые составляют 60% от общих потерь в преобразователе.
Ключевым элементом схемы с "мягкой" коммутацией является полупроводниковый транзистор или тиристор с подключенным к нему резонансным контуром. Соединение полупроводникового элемента с колебательным контуром получило название резонансного ключа (РК). Резонансная LC-цепь формирует "плавную" траекторию изменения напряжения и тока ключа в процессе коммутации и служит для накопления и передачи энергии от входа преобразователя к нагрузке, а также обеспечивает ее частичный возврат в источник питания схемы. Поскольку топология многоуровневых преобразователей и алгоритмы управления относительно сложные, важной задачей является грамотная интеграция РК в "архитектуру" многоуровневой цепи.
На основании анализа характеристик известных преобразователей с "мягкой" коммутацией выделены схемы двух базовых типов, с помощью которых получены новые схемные решения для применения в многоуровневых схемах с повышенным напряжением и мощностью. Статья посвящена реализации методов "мягкой" коммутации в многоуровневых преобразователях с фиксированной нейтралью (Neutral Point Clamped, NPC) и оптимизации мощности динамических потерь.
Базовые схемы "мягкой" коммутации для мощных преобразователей
Преобразователи с "мягкой" коммутацией строятся на основе топологии импульсных схем, в которых силовой ключ заменяется на резонансный. С помощью синусоидальных колебаний, которые активируются в выходных цепях РК на относительно коротком временном интервале, коммутационные процессы в преобразователе протекают при нулевом напряжении или токе. Применение "мягкой" коммутации эффективно снижает динамические потери мощности и, в отличие от обычных резонансных преобразователей, не приводит к существенному росту статических потерь. Преобразователи с "мягкой" коммутацией могут работать в значительно более высоком диапазоне частот, они имеют улучшенные показатели энергетической эффективности в сравнении с традиционными схемами.
В силовой электронике практическое применение находят три базовых типа РК, обеспечивающих переключение основных элементов схемы при нулевом напряжении
Сф =Ф=
Та1 2\
Та2 И
РК11-В-ПНН
Л \
Т1
-ОФ
Т2
Рис. 1. Схема "мягкой" коммутации на резонансных ключах второго типа (вариант РК11-В-ПНН)
Сф
Та1
Та2
РКШ-А-ПНТ
2\ \
Т1
Ф
\
Т2
Рис. 2. Схема "мягкой" коммутации на резонансных ключах третьего типа (вариант РКШ-А-ПНТ)
(ПНН) и нулевом токе (ПНТ) [1]. Базовые типы РК, переключаемые при нулевом напряжении, дуальны соответствующим базовым типам РК, переключаемым при нулевом токе. Все типы РК, применяемые в схемах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) регулирования, содержат дополнительный ключ, обеспечивающий управление резонансным процессом.
Применение "мягкой" коммутации в инверторных схемах с повышенным уровнем преобразуемой мощности требует учета ряда особенностей. В мощных преобразователях, как правило, применяются высоковольтные транзисторы ЮВТ и тиристоры ОТО, МСТ, ЮСТ с биполярным механизмом переноса тока. Переходные процессы в биполярных ключах более длительны и сопровождаются относительно медленными интервалами установления стационарных состояний напряжения и тока. Поэтому к резонансным ключам для мощных преобразователей предъявляется ряд дополнительных требований:
1. Колебательные процессы в РК должны протекать без возникновения дополнительных перенапряжений на полупроводниковых элементах резонансного ключа.
2. Резонансный дроссель в составе РК должен быть расположен вне контура силового тока основных ключевых элементов преобразователя.
3. Интервалы работы вспомогательных ключей, обеспечивающих активацию резонансного процесса на фронтах, должны иметь минимальную длительность проводящего состояния.
Из совокупности базовых вариантов РК перечисленным требованиям удовлетворяют: РК второго типа с переключением при нулевом напряжении (вариант РК11-В-ПНН) и РК третьего типа с переключением при нулевом токе (вариант РКШ-А-ПНТ).
Применению перечисленных типов РК в стандартных полумостовых схемах, формирующих двухуровневый выходной сигнал, посвящены работы [2—4].
Сф1= =
Сф2 = =
Сф^-2) = =
Сф^-1) = =
T(N—1) оФ
Рис. 3. N-уровневый инвертор напряжения топологии NPC (отдельная фаза)
На рис. 1, 2 приведены топологии полумостовых схем с "мягкой" коммутацией, в которых используются базовые варианты РК для мощных преобразователей.
Базовые схемы "мягкой" коммутации в многоуровневой схеме NPC
Многоуровневый инвертор напряжения, выполненный по схеме с фиксированной нейтралью (NPC) и обеспечивающий, в общем случае, N уровней преобразования, показан на рис. 3.
Переключением основных ключей инвертора в точке фазы Ф формируется многоуровневый сигнал переменного напряжения. Для формирования N-уровневого сигнала необходимо наличие 2(N — 1) основных ключей, расположенных симметрично относительно точки фазы, которая является средней точкой стойки основных ключей. Для формирования фазового напряжения с качественным гармоническим составом для коммутации основных ключей инвертора используется широтно-импульсная модуляция, при которой ширина импульсов проводимости модулируется в пределах каждого периода выходной частоты инвертора по определенному закону. В многоуровневых инверторах NPC наибольшее распространение получила концепция ШИМ, основанная на синфаз-ности (N — 1) опорных сигналов несущей частоты (Phase-Disposition (PD)). При данном алгоритме управления работа многоуровневой схемы сводится к последовательной во времени работе (N — 1) эквивалентных полумостовых схем, в них ток нагрузки коммутируется между верхним ключом, который является одним из основных ключей, расположенных между положительной шиной питания и точкой фазы, и нижним ключом, расположенным аналогично, но только между точкой фазы и отрицательной шиной питания. В процессе коммутации роль противофазных диодов для всех основных ключей, кроме (N — 1)-го и N-го основного ключа, которые непосредственно соединены с точкой фазы, выполняют соответствующие фиксирующие диоды.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.