Диссертация (Повышение эффективности статического преобразователя в электроэнергетических системах с солнечными фотоэлектрическими установками), страница 5

После выключениясиловых ключей VT1 и VT2, указанная накопленная энергия в дросселе L иконденсаторе С2, поддерживает заданный уровень выходного напряжения напотребителях.При этом происходит автоматическое размагничивание трансформатора TVблагодаря подключению первичной обмотки через диоды VD1 и VD2 к входномуисточнику питания. В результате, за счет изменения длительности включенныхсостояний силовых ключей VT1 и VT2 можно регулировать выходноенапряжение от 0 В до уровня напряжения входного источника питания.К достоинству рассматриваемой силовой схемы следует отнести прямуюпередачу энергии от входного источника питания через трансформатор кпотребителям и возможность реализации защиты от короткого замыкания.В двухтактных конвертерах передача электрической энергии от входногоисточника питания к потребителям осуществляют в течение двух интерваловвремени (тактов) за период.

Двухтактные конвертеры целесообразно разделять намостовые, полумостовые и силовые схемы со средней точкой.В качестве наглядного примера на рисунке 1.15 приведена силовая схемадвухтактного конвертера, выполненная по мостовой схеме, которая работаетследующим образом. На интервале времени, когда включены силовые ключи VT1и VT4, к первичной обмотке трансформатора TV приложено входное напряжениеисточника питания, которое после преобразования поступает через силовыедиоды VD1, VD4 и дроссель L к потребителям.34Рисунок 1.1535На следующем интервале времени, когда включены силовые ключи VT2 иVT3, к первичной обмотке уже приложено в обратном направлении входноенапряжение источника питания, которое после преобразования поступает черездиод VD2, VD3 и дроссель L к потребителям.В результате, за счет изменения длительности включенных состоянийсиловых ключей VT1, VT4 и VT2, VT3 можно регулировать выходноенапряжение от 0 В до уровня напряжения входного источника питания.К достоинству силовых схем двухтактных конвертеров следует отнестипрямую передачу энергии от входного источника питания через трансформатор кпотребителям, линейный закон регулирования и возможность реализации защитыот короткого замыкания.

При этом напряжение, прикладываемое к силовомуключу VT в закрытом состоянии, теоретически не превышает напряжениевходного источника питания.Благодаря двухтактному принципу действия, рассматриваемые конвертерыпо сравнению с однотактными имеют более высокий коэффициент полезногодействия и лучшие массогабаритные показатели выходного фильтра, а силовыеключи и трансформатор выбирают на меньшую установленную мощность.Следует отметить, что одним из способов снижения потерь в силовыхключах, а соответственно повышения эффективности преобразователя, являетсяорганизация коммутации силовых ключей либо при нулевом токе, либо принулевом напряжении [19, 21, 22, 80-83], посредством применения резонансныхсиловых схем.По результатам анализа была составлена таблица 1.5, в которой приведеносравнение рассмотренных силовых схем конвертеров с гальванической развязкой,где Ктр – коэффициент трансформации.Следуетотметить,чтоналичиешестогоиседьмогокритериев,представленных в таблице 1.5, существенно влияет на повышение потерьмощности в СП.36Таблица 1.5№КритерииОднотактный Однотактный Двухтактный Двухтактныйобратноходовой прямоходовоймостовойполумостовойконвертерконвертерконвертерконвертер1Уровень выходногонапряжения2 Характер законарегулированияОт 0 В добесконечностиДвухтактныйконвертер сосреднейточкойОт 0 В доОт 0 В доОт 0 В доОт 0 В донапряжениянапряжениянапряжениянапряженияисточникаисточникаисточникаисточникапитанияпитанияпитанияпитанияумноженное на умноженное на умноженное на умноженное наКтрКтрКтр/2КтрНелинейныйЛинейныйЛинейныйЛинейныйЛинейный3 Возможность сниженияпульсаций входного токаНетНетНетНетНет4 Наличие защиты откороткого замыканияЕстьЕстьЕстьЕстьЕсть12424Выше уровнянапряженияисточникапитанияНа уровненапряженияисточникапитанияНа уровненапряженияисточникапитанияНа уровненапряженияисточникапитанияНа уровненапряженияисточникапитанияНетДаДаДаДа5 Число силовых ключей6Максимальноенапряжение на закрытомсиловом ключе7 Поступление энергиинепосредственно отисточника питанияВ результате проведенного анализа предложена классификация способовпостроения силовых схем конвертеров согласно выбранным признакам, котораяпредставлена на рисунке 1.16.3738Рисунок 1.161.3Анализстатическихпреобразователейпостоянноготокавпеременный ток (инверторов)Инвертором принято называть статический преобразователь постоянноготока в переменный ток.

Обычно в СФУ применяют инверторы напряжения [19-22,29, 32, 33, 35, 38, 43, 47, 53, 58-69, 84-99] на базе полумостовой, мостовой и NPC(Neutral Point Clamped) силовых схем.В качестве примера на рисунке 1.17 представлена силовая схема мостовогоинвертора, в котором за счет поочередного включения диагональных ключейVT1, VT4 и VT2, VT3, формируют на выходе положительную и отрицательнуюполуволну переменного напряжения. При этом нулевую паузу в выходномнапряжении получают путем одновременного включения VT1, VT3 или VT2,VT4. В результате, за счет изменения длительности включенных состоянийсиловых ключей VT1, VT3 или VT2, VT4 формируют ШИМ синусоидальноенапряжение.К существенным недостаткам данной силовой схемы следует отнестибольшой ток утечки и высокий уровень электромагнитных помех.Другим примером, приведенным на рисунке 1.18, является силовойинвертор типа H5 (компания SMA, Германия), в котором, согласно названию,установлен дополнительный силовой ключ VT5 в положительной шинепостоянного тока [60-62].

Дополнительный силовой ключ VT5 выполняет двеосновные функции:- исключает обмен реактивной мощностью между выходными дросселямии конденсатором C1 в период нулевой паузы, что повышает эффективностьстатического преобразователя;- изолирует СБ от сети переменного тока в период нулевой паузы, устраняявысокочастотную составляющую напряжения на паразитной емкости СБ.39Рисунок 1.17Рисунок 1.1840В рассматриваемой силовой схеме ключи VT5, VT4, VT2 коммутируют свысокой частотой ШИМ, а VT1 и VT3 с низкой частотой сети переменного тока.К достоинствам инвертора типа Н5 целесообразно отнести то, что черезпаразитную емкость проходит только низкочастотная составляющая сетипеременного тока. Данный фактор в целом влияет на снижение тока утечки иуровень электромагнитных помех. Недостатком инвертора типа Н5 являетсяналичие дополнительного силового ключа VT5.На рисунке 1.19 представлен инвертор типа HERIC (Highly Efficient andReliable Inverter Concept) компании Sunways (Германия), который содержитдополнительную стойку с силовыми ключами VT5 и VT6.

При этом нулевуюпаузу организуют посредством включения силовых ключей VT5 или VT6 взависимости от полярности выходного напряжения с низкой частотой сетипеременного тока [60-63].К достоинствам инвертора типа HERIC следует отнести относительномалые коммутационные потери силовых ключей VT5 или VT6 благодаря частотепереключений равной низкой частоте сети переменного тока.Схожим по принципу действия с инвертором HERIC является силовая схемас дополнительным выпрямительным мостом, силовым ключом и запирающимдиодом средней точки [62].В инверторе типа H6D2 или FB-DCBP (Full-Bridge Inverter with DC By pass)компании Ingeteam (Испания) к мостовой силовой схеме добавлены силовыеключи VT5 и VT6 в шине постоянного тока, а также отсекающие диоды VD1 иVD2 (рисунок 1.20). При этом дополнительные силовые ключи VT5 и VT6переключают с высокой частотой, в то время как силовые ключи VT1-VT4мостовой схемы коммутируют с низкой частотой сети переменного тока [62, 91].41Рисунок 1.19Рисунок 1.2042В СФУ также широкое применения находят силовые инверторы типа NPC(Neutral Point Clamped или трехуровневый инвертор с нейтралью) [2, 64, 65, 67,68].В качестве примера на рисунке 1.21 приведена силовая схема инверторатипа NPC с Т-образным мостом, в которой нулевую паузу в зависимости отполярности выходного напряжения формируют силовые ключи VT3 и VT4 спараллельно включенными диодами [2, 64, 65, 68].

При этом в выключенномсостоянии к силовым ключам VT3 и VT4 приложено напряжение, равноеполовине напряжения входного источника питания.Другим примером инвертора типа NPC является силовая схема со связьюсредней точки через диоды, представленная на рисунке 1.22, в которой нулевуюпаузу в зависимости от требуемой полярности выходного напряжения формируютвключенный силовой ключ VT2 и силовой диод VD1, либо включенный силовойключ VT3 и силовой диод VD2.

Особенностью данной силовой схемы являетсято, что силовые ключи VT1 и VT4 переключают с высокой частотой, а силовыеключи VT2 и VT3 коммутируют с низкой частотой сети переменного тока.К достоинству рассматриваемого инвертора следует отнести относительнонизкие коммутационные потери на переключения благодаря тому, что к силовымключам VT1-VT4 в выключенном состоянии приложена четверть величины отвходного напряжения источника питания.Следует заметить, что в отличие от рассмотренных выше силовых схеминверторытипаNPCприодинаковомзаданномуровнекоэффициентанелинейных искажений (КНИ) выходного напряжения имеют меньшую частотукоммутации силовых ключей, что определяет меньшие коммутационные потерии, соответственно, лучший коэффициент полезного действия устройства.43Рисунок 1.21Рисунок 1.2244В результате анализа технической литературы [19-22, 29, 32, 33, 35, 38, 43,47, 53, 58-69, 84-99] составлена таблица 1.6 сопоставления инверторовнапряжения для солнечных установок, в которых устранена высокочастотнаясоставляющая выходного напряжения паразитной емкости СБ.