• Одним из показателей качества электроэнергии, оговоренных ГОСТ 13109-97, является несинусоидальность сетевого напряжения. Искажения кривой напряжения в электрических сетях, появляющиеся, как правило, при питании какой-либо нелинейной нагрузки, приводят к различным отрицательным последствиям.
  Например, появляются добавочные потери мощности в питающих линиях, трансформаторах, батареях конденсаторов; происходит старение изоляции; появляются нарушения в работе автоматики, телемеханики и релейной защиты и т. д. В связи с этим во многих промышленных сетях предпринимаются различные меры для снижения несинусоидальности сетевого напряжения.
  Новым для России направлением решения задачи подавления нежелательных в сети высших гармоник тока или напряжения является активная фильтрация с помощью инверторов напряжения со ступенчатой модуляцией. Об этом – материал Юрия Александровича Кумакова.

ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ со ступенчатой модуляцией и активная фильтрация высших гармоник Юрий Кумаков, аспирант, Саратовский государственный технический университет

Идея активной фильтрации (АФ) основана на введении в сеть последовательного источника напряжения с управляемым искажением или параллельного источника тока с управляемым искажением. При этом вносимые им искажения находятся в противофазе с уже имеющимися искажениями и компенсируют их в результирующей кривой напряжения или тока сети [1].
Традиционно активные фильтры выполняются с помощью преобразователей на базе инверторов напряжения (ИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [1–4]. Однако устройства с ШИМ имеют ряд недостатков, главный из которых – значительные потери мощности, величина которых возрастает с увеличением частоты переключения ключей. В связи с этим является желательным снижение частоты ШИМ, однако оно приводит к росту амплитуд ближайших к основной гармоник на выходе преобразователя с ШИМ. Для управления гармониками более высокой частоты необходимо повышать частоту ШИМ, что снова приводит к увеличению потерь.
Перспективным направлением в развитии силовой электроники является применение схем с многоуровневым выходным напряжением. С ростом числа уровней становится возможным формировать ступенчатое напряжение, которое аппроксимирует синусоидальное напряжение с точностью, определяемой числом уровней. Таким образом, становится возможным, изменяя число уровней в выходном напряжении, осуществить амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), сохраняя возможность одновременно осуществлять и ШИМ. В результате можно снизить частоту ШИМ и уменьшить потери мощности. Известны различные схемы подобных преобразователей, однако, как правило, в них всё равно применяется принцип ШИМ [5–8].
Схемы преобразователей со ступенчатой модуляцией (СМ) выходного напряжения без применения ШИМ, как правило, лишены недостатков, присущих схемам с ШИМ. Помимо уменьшения потерь мощности, они также обеспечивают подавление бесконечных массивов высших гармоник. Но основная причина частого использования преобразователей на базе ШИМ сегодня состоит в том, что ШИМ обеспечивает относительно плавное изменение уровня выходного напряжения или тока, тогда как существующие схемы с СМ зачастую не могут обеспечить этого. Как следствие, величины гармоник выходного напряжения ИН, ближайших к основной, велики.
Это не означает, что ИН с СМ неприменимы к задачам активной фильтрации. Развитие силовой электроники привело к созданию схем ИН с СМ, имеющих более низкие коэффициенты несинусоидальности выходного напряжения и обеспечивающих более плавное изменение параметров собственного выходного напряжения.

Опишем два варианта использования инверторов напряжения со ступенчатой модуляцией в качестве активных фильтров.

ИН с пятиступенчатой модуляцией
Известны схемы однофазных инверторов напряжения, имеющих ступенчатую модуляцию выходного напряжения с числом уровней вплоть до семи [9]. В качестве примера на рис. 1 приведена кривая выходного напряжения ИН с пятиступенчатой модуляцией и модифицированный алгоритм управления им. Управление таким ИН сводится к переключению вентилей в моменты (фазные углы), показанные как θ₁–θ₁₀ (значения углов для второго полупериода повторяют значения для первого, увеличенные на p, т.е. на 180 градусов). Начальные углы θ₁–θ₁₀ подбираются таким образом, чтобы несинусоидальность выходного напряжения ИН была минимальной. Порядок включения и выключения вентилей задан диаграммой.
Если такой инвертор включить через дроссель параллельно нагрузке, потребляющей несинусоидальный ток, его можно использовать в качестве активного фильтра. Идея активной фильтрации в таком случае может состоять в адаптивном варьировании значений углов θ₁–θ₁₀ таким образом, чтобы при этом достигался минимальный коэффициент несинусоидальности напряжения нагрузки K_U. Для поиска оптимального значения углов может использоваться один из методов адаптивной минимизации, например, метод покоординатного спуска. Система изменяет (уменьшает или увеличивает) значение очередного угла до тех пор, пока это приводит к уменьшению несинусоидальности, а затем переходит к следующему углу.
Другим вариантом активной фильтрации высших гармоник может быть так называемая «автофильтрация», являющаяся новым применением активных фильтров. Это понятие применимо, когда автономный ИН (АИН) сам является источником питания сети. Надо заметить, что инверторы напряжения имеют жесткую внешнюю характеристику, т. е. сами задают форму выходного напряжения. Однако если на выходе АИН установлен дроссель или фильтр для подавления собственных высших гармоник напряжения инвертора, то при подключении к сети несинусоидальной нагрузки кривая напряжения нагрузки также окажется несинусоидальной. Тогда АИН, изменяя углы управления (θ₁–θ₁₀), может сам внести в питаемую сеть заданное управляемое искажение, находящееся в противофазе с искажением, обусловленным работой нелинейной нагрузки. Таким способом можно достигнуть компенсации высших гармоник напряжения и получить синусоидальное напряжение нагрузки.
Преимущество этого метода перед включением в сеть дополнительного активного фильтра очевидно: улучшение качества электроэнергии в сети достигается только средствами системы управления АИН, т. е. изменением программы микроконтроллера, управляющего АИН. При этом не требуется никакого дополнительного силового оборудования, а следовательно, экономятся денежные средства. Кроме этого, уменьшаются потери электроэнергии, повышается надежность системы электропитания, упрощается ее обслуживание.
На рис. 2 изображен пример адаптивного управления несинусоидальностью напряжения с помощью ИН с пятиступенчатой модуляцией.
Стоит, однако, заметить, что описанный выше метод подавления высших гармоник с помощью изменения углов управления θ₁–θ₁₀ принципиально не может обеспечить подавление любых гармоник во всех случаях, поскольку таким способом невозможно сформировать кривую напряжения произвольного вида. Более эффективным методом изменения формы кривой выходного напряжения является изменение не моментов коммутации вентилей, а уровня выходного напряжения в каждый момент времени. Это становится возможным с использованием более совершенных схем ИН.

ИН с мультиуровневой модуляцией
Этапом в развитии схем ИН с СМ является появление класса ИН с мультиуровневой модуляцией, обеспечивающего относительно плавное изменение уровня выходного напряжения инвертора (ступенчатость выходного напряжения с достаточно маленьким шагом) без применения ШИМ. Рассмотрим кратко их устройство.

Однофазные ИН
Схема
Каждый инвертор класса мультиуровневых ИН состоит из двух одинаковых по структуре мостов, выходы которых суммируются с помощью трансформатора. Задается некоторое целое число N (N>0), равное числу независимых источников питания (ИП). Это число называется порядком инвертора, а инвертор с N независимыми источниками называется инвертором N-го порядка. Порядок инвертора задает все остальные его свойства.
Схема автономного ИН (АИН) на примере АИН с N = 3 (т. е. тремя источниками питания, что дает 24-уровневую модуляцию выходного напряжения) приведена на рис. 3. Все N источников дают постоянное напряжение по следующему закону:

(1)

где i = 1 ÷ N, т. е. шаг (разница) напряжений между двумя источниками с соседними номерами постоянен. Тогда каждый мост инвертора способен сгенерировать 2•N+1 уровней выходного напряжения, считая напряжения противоположных знаков и ноль.
Для максимального напряжения ИП должно выполняться:

(2)

где U_max – требуемая амплитуда выходного напряжения ИН.
Оба моста инвертора имеют одинаковое построение и принципы управления. Выходные электродвижущие силы (э.д.с.) обоих мостов суммируются с помощью трансформаторов на выходе инвертора, причем для трансформатора первого моста коэффициент трансформации равен 1, а для второго моста он равен 1/(2•N + 1). То есть максимальная выходная э.д.с., а следовательно, и шаг ее изменения для второго моста в 2•N + 1 раз меньше, чем для первого.
Такое соотношение э.д.с. E₁ и E₂ обеспечивает возможность получить (2•N + 1)² уровней выходного напряжения ИН, причем интервал _ΔE между такими уровнями будет одинаковый, а выходной интервал напряжений инвертора равен [–U_max, +U_max]. В интервале напряжений (0, +U_max] АИН формирует количество уровней напряжения

(3)

с одинаковым шагом _Δ. Поэтому инвертор N порядка также называют инвертором с M-уровневой модуляцией выходного напряжения, или просто M-уровневым инвертором. Рис. 4 иллюстрирует принципы получения многоступенчатого напряжения. Параметры 9 типов ИН этого класса приведены в таблице 1.
Алгоритм управления вентилями одного моста инвертора на примере мультиуровневого ИН 3-го порядка приведен в таблице 2. На основании табл. 2 составляется еще одна таблица (здесь не приведена), в которой каждому из уровней выходного напряжения соответствуют уровни выходного напряжения отдельно для первого и второго мостов. Иллюстративно это можно видеть на рис. 4. Например, для получения с помощью 24-уровневого ИН напряжения +13/24•U_max необходимо получить на выходе первого моста напряжение 2/3•U_N, а на выходе второго моста – напряжение (–1/3)•U_N.

Управление
Алгоритм управления мультиуровневым ИН сводится к переключению вентилей с постоянным по времени шагом _Δθ таким образом, чтобы форма кривой была максимально близка к синусоиде. Для большинства ИН класса оптимальным с точки зрения управления и выходной несинусоидальности напряжения значением шага _Δθ является 1 электрический градус. При этом частота переключения вентилей при частоте выходной сети 50 Гц составляет 18 кГц, что вполне допустимо для современных силовых вентилей. Управление ИН на такой частоте легко может осуществлять дешевый промышленный микроконтроллер (МК), например, PIC18F452. Итак,

(4)

(5)

где round(x) – целая часть x, полученная округлением до ближайшего целого числа. В каждый момент _Δθ управляющий МК переключает вентили ИН таким образом, чтобы выходное напряжение инвертора соответствовало величине E_i. Выходное напряжение ИН с 24-уровневой модуляцией, получаемое при _Δθ = 1 градус, и его гармонический состав представлены на рис. 5. Коэффициент несинусоидальности K_U при этом равен 0,47%. Для получения N уровней напряжения в схеме используются импульсные регуляторы постоянного напряжения (ИРПН), имеющие высокий КПД [10, 11]. Устройство каждого из N таких источников достаточно просто, а управление всеми ИРПН инвертора осуществляется одним МК. Питание самих ИРПН осуществляется неуправляемым выпрямителем (см. рис. 3). Выходные конденсаторы модулей ИРПН также служат для возврата реактивной мощности нагрузки.

Трехфазные ИН
Схема
Принцип построения трехфазных ИН упрощенно сводится к объединению трех однофазных ИН. Структура мостов инвертора при этом не изменяется, и все мосты схемы одинаковы. В итоге получается шестимостовая схема, три пары мостов которой формируют напряжение трех фаз. Источники питания мостов инвертора (ИРПН) для формирования всех трех фаз напряжения используются общие, так что число N по-прежнему остается числом источников питания ИН. Число вентилей в схеме и число сигналов управления от МК утраивается. Суммирование выходных напряжений мостов каждой фазы производится с помощью двух трехфазных трансформаторов.

Управление
Алгоритм управления трехфазным ИН выглядит практически как управление тремя однофазными ИН, напряжения которых сдвинуты по фазе на 120 градусов друг относительно друга. МК, управляющий ИН, пользуется одинаковым алгоритмом формирования синусоидального напряжения для всех трех фаз.

Адаптивное регулирование
Таким образом, с незначительными оговорками АИН с мультиуровневой модуляцией проявляет себя как быстродействующий ЦАП (цифроаналоговый преобразователь), причем мгновенное значение на его выходе легко задавать числом от –M до M (преобразование в набор сигналов для силовых вентилей управляющий МК производит таблично). Благодаря этому форма выходного напряжения ИН может принимать произвольные заданные формы.
Для использования ИН в качестве АФ высших гармоник тока или напряжения также удобно применить какой-либо метод адаптивного регулирования, например, тот же метод покоординатного спуска. В качестве независимых координат метода выбираются мгновенные значения E_i в моменты θ_i, а в качестве минимизируемой функции – коэффициент несинусоидальности K_U. Тогда при возникновении несинусоидальности в сети система поочередно изменяет (уменьшает или увеличивает) значение каждого E_i до тех пор, пока это приводит к уменьшению K_U, после чего осуществляется переход к следующему E_i.
Использование такого АФ также возможно тремя способами: АФ напряжения, АФ тока и автофильтрация. Если напряжение нагрузки становится несинусоидальным, ИН вносит в сеть такие гармоники, чтобы кривые напряжения нагрузки стали синусоидальными, при этом форму требуемой кривой он находит адаптивно.
Примеры работы АФ на основе ИН с 24-уровневой модуляцией на примере автофильтрации показаны на рис. 6.

Фильтры на основе предложенных методов хорошо применимы в сетях с медленно меняющимися параметрами. При этом активная фильтрация осуществляется без применения ШИМ, что позволяет улучшить качество фильтрации и сократить потери энергии.

От редакции: Методы активной фильтрации находят всё большее применение в развитых зарубежных странах. Некоторыми компаниями уже запущены в производство инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией. О них мы постараемся рассказать в следующих номерах журнала.

Литература

1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – Ч. 2 – 197 с.
2. Агунов А.В. Спектрально-частотная последовательная силовая активная фильтрация напряжения // Электротехника. – 2004. – № 10. – С. 30–32.
3. Агунов А.В. Статический компенсатор неактивных составляющих мощности с полной компенсацией гармонических составляющих тока нагрузки // Электротехника. – 2002. – № 2. – С. 47–50.
4. Akagi H. Large static converter for industry and utility // IEEE. June 2001.
5. Асанов А.З. Двухуровневый автономный инвертор напряжения / Асанов А.З., Романовский Э.А. – Камский политехнический институт [Электронный ресурс].
6. Бурман А.П. Перспективы применения в ЕЭС России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока / А.П. Бурман, Ю.К. Розанов, Ю.Г. Шакарян. // Электротехника. – 2004. – № 8. – С. 30–36.
7. Шавёлкин А.А. Вариант схемы многоуровневого преобразователя частоты для электропривода среднего напряжения // Электротехника, 2005. – № 11. – С. 9–15.
8. Лазарев Г.Л. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем // Новости Электротехники. – 2005. – № 2(32).
9. Колдаев Р.В. Эволюционный синтез автономных инверторов с квазисинусоидальным выходным напряжением: Дисс. канд. тех. наук. – СГТУ, 2000.
10. Шрайбер Г. 300 схем источников питания. Выпрямители. Импульсные источники питания. Линейные стабилизаторы и преобразователи: Пер. с фр. – М.: ДМК Пресс, 2001. – 224 с.
11. Импульсные стабилизаторы [Электронный ресурс] // Электронная лаборатория на IBM PC.