DOI: https://doi.org/10.20998/2409-9295.2019.20.06

Стабілізація напруги на конденсаторах комірок в модульних багаторівневих инверторах шляхом застосування поліпшеної просторово-векторної ШІМ

Александр Андреевич Плахтий, Владимир Павлович Нерубацкий, Владислав Романович Цыбульник

Анотація


За останні два десятиліття з'явився новий тип напівпровідникових перетворювачів електроенергії - модульні багаторівневі перетворювачі. Дана топологія схемотехнически складається з n-го числа послідовно включених транзисторних-ємнісних модулів і дозволяє реалізовувати, як випрямлячі, так і інвертори напруги з різною кількістю рівнів і фаз. В даний час дані перетворювачі знайшли широке застосування в системах передачі електроенергії на високій напрузі постійного струму (back-to-back HVDC), вироблених компаніями Siemens і ABB, c потужністю близько 400-2000 МВА. Модульні багаторівневі перетворювачі в порівнянні з іншими типами напівпровідникових перетворювачів мають ряд істотних переваг. Наявність великої кількості рівнів (100 і вище) дає можливість використання щодо низьковольтних ключів і реалізації низької частоти комутації, що обумовлює високий ККД перетворювача. Заявлений ККД системи передачі електроенергії системи електропостачання HVDC з модульними багаторівневими перетворювачами виробництва Siemens складає 99,5%. Крім цього модульні багаторівневі перетворювачі мають підвищену надійність. Це обумовлено тим, що модульні перетворювачі можуть функціонувати навіть за умови виходу з ладу окремих транзисторних-ємнісних модулів. Зручним у виробництві є конструктивна модульність і масштабованість перетворювача. Однак в управлінні модульних багаторівневих перетворювачів існує проблема стабілізація напруги на конденсаторах осередків. В ході проведених досліджень було встановлено, що при використанні класичних алгоритмів управління багаторівневими инверторами (просторово-векторної і синусоїдальної широтноімпульсної модуляції) в модульних багаторівневих перетворювачів виникає дисбаланс напруг на конденсаторах осередків модульних багаторівневих інверторів. В результаті цього напруга на одній половині осередків падає до нуля, а напруга на іншій половині осередків зростає в два рази. Це призводить до значного погіршення форми вихідної напруги. У статті представлено покращений алгоритм просторово-векторної модуляції для модульного багаторівневого перетворювача, який забезпечує стабілізацію напруги в осередках перетворювача, а також можливість регулювання амплітуди і частоти вихідної напруги. У програмі Matlab / Simulink створена модель модульного п'ятирівневого модульного інвертора. Результати імітаційного моделювання підтвердили працездатність запропонованого алгоритму управління.

Ключові слова


Модульний багаторівневий інвертор; стабілізація напруги MMC; поліпшена просторово-векторна ШІМ .

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


Lesnicar, A., & Marquardt, R. (n.d.). An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range. 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference Proceedings,. doi:10.1109/ptc.2003.1304403

X R.L. Sellick, M. Akerberg, “Comparison between HVDC Light (VSC) and HVDC Classic (LCC) Site Aspects, for a 500MW 400kV HVDC Transmission Scheme”, IET ACDC 2012, November 2012

D. Van Hertem and M. Ghandhari, “Multi-terminal VSC HVDC for the european supergrid: Obstacles,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, no. 9, pp. 3156– 3163, Dec. 2010.

R. Marquardt, “Modular multilevel converter topologies with DC-short circuit current limitation,” in Proc. IEEE 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE ECCE), Jun. 2011, pp. 1425 –1431.

X. Li, W. Liu, Q. Song, H. Rao, and S. Xu, “An enhanced MMC topology with DC fault ride-through capability,” in IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Nov. 2013, pp. 6182–6188.

M. Merlin, T. Green, P. Mitcheson, D. Trainer, D. Critchley, and R. Crookes, “A new hybrid multi-level voltage-source converter with DC fault blocking capability,” in 9th IET International Conference on AC and DC Power Transmission (ACDC), Oct. 2010, pp. 1–5.

R. Feldman, M. Tomasini, E. Amankwah, J. Clare, P. Wheeler, D. Trainer, and R. Whitehouse, “A hybrid modular multilevel voltage source converter for HVDC power transmission,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 49, no. 4, pp. 1577–1588, Jul. 2013.

Stepanov V.M., Bazyl' I.M. Vliyaniye vysshikh garmonik v sistemakh elektrosnabzheniya predpriyatiy na poteri elektricheskoy energii [Influence of higher harmonics in power supply systems of enterprises on losses of electric energy]. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskiye nauki [Proceedings of Tula State University. Technical science], 2013, 12 (2), 27-31.

Zhelezko I.V. Elektricheskiye poteri ot vysshikh garmonik v sistemakh elektrosnabzheniya [Electrical losses from higher harmonics in power supply systems]. Elektrika [Electrics], 2010, 4. 3-6.

Zhezhelenko I. V. Vysshiye garmoniki v sistemakh elektrosnabzheniya promyshlennykh predpriyatiy [Higher harmonics in industrial power supply systems], Moscow, Energoatomizdat [Energoatomizdat]. 2004.

Lyutarevich A. G., Vyrva A.A., Dolinger S.YU., Osipov D. S., Chetverik I. N., Otsenka dopolnitel'nykh poter' moshchnosti ot vysshikh garmonik v elementakh sistem elektrosnabzheniya [Estimation of additional power losses from higher harmonics in elements of power supply systems]. Omskiy nauchnyy vestnik [Omsk Scientific Bulletin], 2009, 1, 109-113.

Beaty, H. Wayne, Standard Handbook for Electrical Engineers (14th ed.). McGraw-Hill, 2000, 34–50. 13. Hayt, W. H., Buck J.A. Engineering Electromagnetics, Sixth edition, 2006. 561.

Ben C J. The Practical Issues involved in Designing, Specifying and Installing Skin Effect Current Tracing Systems, IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference Europe Conference Proceedings (PCIC EUROPE), 2012, 1-13.

Denys I. Zaikin, Round and tubular wire skin effect modeling and usage SPICE as Maxwell's equations solver, 23rd Telecommunications Forum Telfor (TELFOR), 2015, Pp: 650 – 653. doi:10.1109/TELFOR.2015.7377551

Dias R. A., Lira G. R. S., Costa E. G., Ferreira R. S., Andrade A. F., Skin effect comparative analysis in electric cables using computational simulations, 2018 Simposio Brasileiro de Sistemas Eletricos (SBSE), 2018, pp. 1 – 6. doi: 10.1109/SBSE.2018.8395687

Tsuchiya A, Onodera H. Effect of Anomalous Skin Effect on Transmission-Line Loss [J]. leice Technical Report Microwaves, 2011, 111(351), 77-81. 18. Arcega F. J., Pardina A. Study of Harmonics Thermal Effect in Conductors Produced by Skin Effect. IEEE latin america transactions. 2014., 12(8) 1488-1495. doi: 10.1109/TLA.2014.7014518