Стабилизация напряжений на конденсаторах ячеек в модульных многоуровневых инверторах путем применения улучшенной пространственно-векторной ШИМ

Abstract

За последние два десятилетия появился новый тип полупроводниковых преобразователей электроэнергии –модульные многоуровневые преобразователи. Данная топология схемотехнически состоит из n-го числа последовательно включенных транзисторно-емкостных модулей и позволяет реализовывать, как выпрямители, так и инверторы напряжения с различным числом уровней и фаз. В настоящее время данные преобразователи нашли широкое применение в системах передачи электроэнергии на высоком напряжении постоянного тока (back-to-back HVDC), производимых компаниями Siemens и ABB, c мощностью порядка 400-2000 МВА. Модульные многоуровневые преобразователи в сравнении с другими типами полупроводниковых преобразователей обладают рядом существенных преимуществ. Наличие большого числа уровней (100 и выше) дает возможность использования относительно низковольтных ключей и реализации низкой частоты коммутации, что обуславливает высокий КПД преобразователя. Заявленный КПД системы передачи электроэнергии системы электроснабжения HVDC с модульными многоуровневыми преобразователями производства Siemens составляет 99,5%. Кроме этого модульные многоуровневые преобразователи имеют повышенную надежность. Это обусловлено тем, что модульные преобразователи могут функционировать даже при условии выхода из строя отдельных транзисторно-емкостных модулей. Удобным в производстве является конструктивная модульность и масштабируемость преобразователя. Однако в управлении модульных многоуровневых преобразователей существует проблема стабилизация напряжения на конденсаторах ячеек. В ходе проведенных исследований было установлено, что при использовании классических алгоритмов управления многоуровневыми инверторами (пространственно-векторной и синусоидальной широтно-импульсной модуляции) в модульных многоуровневых преобразователях возникает дисбаланс напряжений на конденсаторах ячеек модульных многоуровневых инверторов. В результате этого напряжение на одной половине ячеек падает до нуля, а напряжение на другой половине ячеек возрастает в два раза. Это приводит к значительному ухудшению формы выходного напряжения. В статье представлено улучшенный алгоритм пространственно-векторной модуляции для модульного многоуровневого преобразователя, который обеспечивает стабилизацию напряжения в ячейках преобразователя, а также возможность регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения. В программе Matlab/Simulink создана модель модульного пятиуровневого модульного инвертора. Результаты имитационного моделирования подтвердили работоспособность предложенного алгоритма управления.Over the two past decades, a new type of semiconductor power converter has appeared – modular multilevel converter. This topology consists of several transistor-capacitive modules, allowing to realize multilevel rectifiers and invertors with various number of levels and phases. Currently, the modular multilevel converters are widely used in high-voltage direct-current power supply systems (HVDC), produced by Siemens and ABB companies, with a rated power 400-2000 MVA. Modular multi-level converters in comparison with other types of semiconductor converters have a number of significant advantages. The presence of a large number of levels (100 and higher) makes it possible to use relatively low-voltage switches and realize a low switching frequency, which leads to a high efficiency of the converter. The declared efficiency of the power transmission system of the HVDC power supply system with modular multilevel converters manufactured by Siemens is 99.5%. In addition, modular multilevel converters have increased reliability. This is due to the fact that modular converters can function even if they are output from individual transistor-capacitive modules. Constructive modularity and scalability of the converter is convenient in production. However, there is the problem of stabilizing the voltage on the capacitors of the cells. In the course of the research it was found that when using classical control algorithms for multi-level inverters (space-vector and sinusoidal pulse-width modulation) there is an imbalance of voltages on capacitors. Tension in one voice pair doubles. This leads to a significant deterioration in the shape of the output voltage. The article uses improved space-vector modulation algorithms for a modular multi-level converter, which provide the ability to stabilize the voltage in the converter cells, as well as the ability to control the amplitude and frequency of the output voltage. The Matlab / Sim-ulink program has created a model of a modular five-level modular inverter. In the Matlab / Simulink program, a modular five-level inverter model was created. Studies have shown that the classical spatial vector modulation algorithms in modular multilevel inverters lead to an imbalance of tension on the capacitors and in modular multilevel inverters, and as a result, a voltage arises, which leads to a significant increase in the shape of the output voltage. The article uses an improved space-vector modulation algorithm for a modular multi-level converter, which allows stabilizing the voltage in cells. The simulation results confirm the proposed theoretical aspects.