Методика розрахунку параметрів синусного фільтра перетворювача частоти, що враховує критерій обмеження пускового струму та частоту широтно-імпульсної модуляції

Автор(и)

  • Володимир Павлович Нерубацький Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0000-0002-4309-601X
  • Олександр Андрійович Плахтій Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН», Україна https://orcid.org/0000-0002-1535-8991
  • Денис Анатолійович Гордієнко Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0000-0002-0347-5656
  • Сергій Васильович Михалків Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0000-0002-0425-6295
  • Василь Григорович Равлюк Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0000-0003-4818-9482

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.225327

Ключові слова:

автономний інвертор напруги, якість електроенергії, коефіцієнт гармонічних спотворень, синусний фільтр, джерела енергії

Анотація

Представлено аналіз методу забезпечення синусоїдальності вихідної напруги в системах генерації електроенергії з автономними інверторами напруги згідно з вимогами міжнародного стандарту IEEE–519.

У ряді програм, особливо малопотужних систем генерації електроенергії, необхідне недороге (LOWCOST) рішення, що дозволяє забезпечити синусоїдальну форму вихідної напруги з коефіцієнтом гармонічних спотворень 5 %. Таким рішенням є використання дворівневих інверторів напруги з вихідним синусним LC-фільтром. Проте особливостями роботи синусного фільтра з перетворювачем частоти є те, що частота ШІМ впливає на спектр вищих гармонік вихідної напруги.Крім того, присутня наявність пускового струму конденсатора фільтра, який може вивести зі строю силові ключі інвертора напруги.

Представлено розроблену методику розрахунку номіналів LC-фільтра з дворівневим інвертором напруги в режимі ШІМ із забезпеченням вимог міжнародного стандарту IEEE–519 з урахуванням частоти модуляції та обмеження величини пускового струму конденсатора фільтра.

Для підтвердження забезпечення необхідної якості вихідної напруги дворівневого інвертора напруги з синусним фільтром в середовищі комп’ютерного моделювання Matlab/Simulink було створено відповідну імітаційну модель. Наведено осцилограми і гармонічний аналіз вхідних і вихідних напруг синусного фільтра, який показав значення коефіцієнта гармонічних спотворень 1,88 %.

Створено фізичний прототип досліджуваної системи на базі перетворювача частоти ОВЕН ПЧВ203–5К5–В (Україна)потужністю 5,5 кВт. За допомогою осцилографа SIGLENT SDS1104X–E (КНР)отримано реальну форму тарезультати гармонічного аналізу вихідної напруги синусного фільтра, які підтверджують реалізацію необхідних критеріїв синусоїдальності форми.

Біографії авторів

Володимир Павлович Нерубацький, Український державний університет залізничного транспорту

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки

Олександр Андрійович Плахтій, Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН»

Кандидат технічних наук, інженер-електронік

Денис Анатолійович Гордієнко, Український державний університет залізничного транспорту

Аспірант

Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки

Сергій Васильович Михалків, Український державний університет залізничного транспорту

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра експлуатації та ремонту рухомого складу

Василь Григорович Равлюк, Український державний університет залізничного транспорту

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра вагонів

Посилання

  1. Brynolf, S., Taljegard, M., Grahn, M., Hansson, J. (2018). Electrofuels for the transport sector: A review of production costs. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 81 (2), 1887–1905. doi: http://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.288
  2. Capellán-Pérez, I., de Castro, C., Arto, I. (2017). Assessing vulnerabilities and limits in the transition to renewable energies: Land requirements under 100% solar energy scenarios. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 77, 760–782. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.03.137
  3. Miller, L. M., Keith, D. W. (2018). Observation-based solar and wind power capacity factors and power densities. Environmental Research Letters, 13 (10). doi: http://doi.org/10.1088/1748-9326/aae102
  4. Moran, E. F., Lopez, M. C., Moore, N., Muller, N., Hyndman, D. W. (2018). Sustainable hydropower in the 21st century. PNAS, 115 (47), 11891–11898. doi: http://doi.org/10.1073/pnas.1809426115
  5. Raugei, M., Sgouridis, S., Murphy, D. et. al. (2017). Energy Return on Energy Invested (ERoEI) for photovoltaic solar systems in regions of moderate insolation: A comprehensive response. Energy Policy, 102, 377–384. doi: http://doi.org/10.1016/j.enpol.2016.12.042
  6. Ferroni, F., Guekos, A., Hopkirk, R. J. (2017). Further considerations to: Energy Return on Energy Invested (ERoEI) for photovoltaic solar systems in regions of moderate insolation. Energy Policy, 107, 498–505. doi: https://doi.org/10.1016/j.enpol.2017.05.007
  7. Ansell, T., Cayzer, S. (2018). Limits to growth redux: A system dynamics model for assessing energy and climate change constraints to global growth. Energy Policy, 120, 514–525. doi: https://doi.org/10.1016/j.enpol.2018.05.053
  8. Plakhtii, O. A., Nerubatskyi, V. P., Hordiienko, D. A., Tsybulnyk, V. R. (2019). Analysis of the energy efficiency of a two-level voltage source inverter in the overmodulation mode. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 4 (172), 68–72. doi: http://doi.org/10.29202/nvngu/2019-4/9
  9. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Karpenko, N., Ananieva, O., Khoruzhevskyi, H., Kavun, V. (2019). Studying a voltage stabilization algorithm in the cells of a modular six­level inverter. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (8 (102)), 19–27. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.185404
  10. Plakhtii, O. A., Nerubatskyi, V. P., Kavun, V. Y., Hordiienko, D. A. (2019). Active single-phase four-quadrant rectifier with improved hysteresis modulation algorithm. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 5, 93–98. doi: https://doi.org/10.29202/nvngu/2019-5/16
  11. Chaurasia, G. S., Singh, A. K., Agrawal, S., Sharma, N. K. (2017). A meta-heuristic firefly algorithm based smart control strategy and analysis of a grid connected hybrid photovoltaic/wind distributed generation system. Solar Energy, 150, 265–274. doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.03.079
  12. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Scherbak, Ya., Mashura, A., Khomenko, I. (2020). Energy efficiency criterion of power active filter in a three-phase network. 2020 IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), 165–170. doi: https://doi.org/10.1109/KhPIWeek51551.2020.9250073
  13. Priyan, S. S., Ramani, K. (2013). Implementation of closed loop system for flying capacitor multilevel inverter with stand-alone Photovoltaic input. 2013 International Conference on Power, Energy and Control (ICPEC). doi: https://doi.org/10.1109/icpec.2013.6527666
  14. Chen, W., Sun, H., Gu, X., Xia, C. (2016). Synchronized Space-Vector PWM for Three-Level VSI With Lower Harmonic Distortion and Switching Frequency. IEEE Transactions on Power Electronics, 31 (9), 6428–6441. doi: https://doi.org/10.1109/tpel.2015.2499774
  15. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Khomenko, I., Tsybulnyk, V., Syniavskyi, A. (2020). Comprehensive Study Of Cascade Multilevel Inverters With Three Level Cells. 2020 IEEE 7th International Conference on Energy Smart Systems (ESS). doi: https://doi.org/10.1109/ess50319.2020.9160258
  16. Kumari, B., Sankar, M. (2014). Modeling and individual voltage balancing control of modular multilevel cascade converter. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology, 2 (1), 42–48.
  17. Sokol, Y., Ivakhno, V., Zamaruiev, V., Styslo, B. (2018). Full Soft Switching Dual DC/DC Converter With Four-Quadrant Switch for Systems With Battery Energy Storage System. 2018 IEEE 3rd International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS). doi: https://doi.org/10.1109/ieps.2018.8559490
  18. Maurya, S., Mishra, D., Singh, K., Mishra, A. K., Pandey, Y. (2019). An Efficient Technique to reduce Total Harmonics Distortion in Cascaded H- Bridge Multilevel Inverter. 2019 IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT). doi: https://doi.org/10.1109/icecct.2019.8869424
  19. Martinez-Rodrigo, F., Ramirez, D., Rey-Boue, A., de Pablo, S., Herrero-de Lucas, L. (2017). Modular Multilevel Converters: Control and Applications. Energies, 10 (11), 1709. doi: https://doi.org/10.3390/en10111709
  20. Gervasio, F., Mastromauro, R. A., Liserre, M. (2015). Power losses analysis of two-levels and three-levels PWM inverters handling reactive power. 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). doi: https://doi.org/10.1109/icit.2015.7125248
  21. Ganesh, P., Shanmugavadivu, N., Santha, K. (2018). Single-Phase 63-Level Modular Multilevel Inverter fed Induction Motor Drive for Solar PV Applications. 2018 4th International Conference on Electrical Energy Systems (ICEES). doi: https://doi.org/10.1109/icees.2018.8443287
  22. Kumar, S. S., Sasikumar, M. (2016). An approach of hybrid modulation in fusion seven-level cascaded multilevel inverter accomplishment to IM drive system. 2016 Second International Conference on Science Technology Engineering and Management (ICONSTEM). doi: https://doi.org/10.1109/iconstem.2016.7560980
  23. Ahmadzadeh, T., Sabahi, M., Babaei, E. (2017). Modified PWM control method for neutral point clamped multilevel inverters. 2017 14th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON). doi: https://doi.org/10.1109/ecticon.2017.8096351
  24. Plakhtii, O., Tsybulnyk, V., Nerubatskyi, V., Mittsel, N. (2019). The Analysis Of Modulation Algorithms and Electromagnetic Processes in a Five-Level Voltage Source Inverter with Clamping Diodes. 2019 IEEE International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES). doi: https://doi.org/10.1109/mees.2019.8896567
  25. Ahmed, B., Aganah, K. A., Ndoye, M., Arif, M. A., Luciano, C., Murphy, G. V. (2017). Single-phase cascaded multilevel inverter topology for distributed DC sources. 2017 IEEE 8th Annual Ubiquitous Computing, Electronics and Mobile Communication Conference (UEMCON). doi: https://doi.org/10.1109/uemcon.2017.8248980
  26. Rajesh, B., Manjesh. (2016). Comparison of harmonics and THD suppression with three and 5 level multilevel inverter-cascaded H-bridge. 2016 International Conference on Circuit, Power and Computing Technologies (ICCPCT). doi: https://doi.org/10.1109/iccpct.2016.7530116
  27. Piao, C., Hung, J. Y. (2015). A novel SVPWM overmodulation technique for three-level NPC VSI. 2015 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC). doi: https://doi.org/10.1109/itec.2015.7165744
  28. Raval, K. Y., Ruvavara, V. J. (2018). Novel Multilevel Inverter Design with Reduced Device Count. 2018 International Conference on Current Trends Towards Converging Technologies (ICCTCT). doi: https://doi.org/10.1109/icctct.2018.8550867
  29. Gupta, K. K., Jain, S. (2013). A multilevel Voltage Source Inverter (VSI) to maximize the number of levels in output waveform. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 44 (1), 25–36. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2012.07.008
  30. Tugay, D., Korneliuk, S., Akymov, V., Zhemerov, G. (2020). Localization of the Phase Voltage Measurement Location for Active Power Filter Controlling. 2020 IEEE 4th International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS). doi: https://doi.org/10.1109/ieps51250.2020.9263137
  31. Todkar, R. R., Shinde, S. M. (2016). A Solar Photovoltaic system for ATM by using Buck-Boost Integrated Full Bridge Inverter. 2016 2nd International Conference on Advances in Electrical, Electronics, Information, Communication and Bio-Informatics (AEEICB). doi: https://doi.org/10.1109/aeeicb.2016.7538304
  32. Vdovin, V. V., Kotin, D. A., Pankratov, V. V. (2014). Parameters determination in the sine filters for AFE converters and VSI with PWM. 2014 15th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). doi: https://doi.org/10.1109/edm.2014.6882553
  33. Kurwale, M. V., Sharma, P. G., Bacher, G. (2014). Performance analysis of modular multilevel converter (MMC) with continuous and discontinuous pulse width modulation (PWM). International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 3 (2), 7463–7474.
  34. Schobre, T., Mallwitz, R. (2020). Automated Design Method for Sine Wave Filters in Motor Drive Applications with SiC-Inverters. 2020 22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’20 ECCE Europe). doi: https://doi.org/10.23919/epe20ecceeurope43536.2020.9215952
  35. Scherback, Y. V., Plakhtiy, O. A., Nerubatskiy, V. P. (2017). Control characteristics of active four-quadrant converter in rectifier and recovery mode. Tekhnichna Elektrodynamika, 6, 26–31. doi: https://doi.org/10.15407/techned2017.06.026
  36. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Sushko, D., Hordiienko, D., Khoruzhevskyi, H. (2020). Improving the harmonic composition of output voltage in multilevel inverters under an optimum mode of amplitude modulation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (8 (104)), 17–24. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.200021
  37. Tugay, D., Kolontaievskyi, Y., Korneliuk, S., Akymov, V. (2020). Comparison of the compensation quality for active power filter control techniques. 2020 IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), 236–241. doi: https://doi.org/10.1109/KhPIWeek51551.2020.9250092
  38. Zhemerov, G., Ilina, N., Tugay, D. (2016). The theorem of minimum energy losses in three-phase four-wire energy supply system. 2016 2nd International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS). doi: https://doi.org/10.1109/ieps.2016.7521889
  39. Mao, C., Zhu, Y., Li, Z., Ming, X. (2018). Design of LC bandpass filters based on silicon-based IPD Technology. 2018 19th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT). doi: https://doi.org/10.1109/icept.2018.8480419
  40. Munjer, M. A., Sheikh, M. R. I., Alim, M. A., Boddapati, V., Musib, M. A. (2018). Minimization of THD for Multilevel Converters with triangular injection approach. 2018 3rd International Conference for Convergence in Technology (I2CT). doi: https://doi.org/10.1109/i2ct.2018.8529750

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-02-26

Як цитувати

Нерубацький, В. П., Плахтій, О. А., Гордієнко, Д. А., Михалків, С. В., & Равлюк, В. Г. (2021). Методика розрахунку параметрів синусного фільтра перетворювача частоти, що враховує критерій обмеження пускового струму та частоту широтно-імпульсної модуляції. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(8 (109), 6–16. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.225327

Номер

Том 1 № 8 (109) (2021): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Владимир Павлович Нерубацкий, Александр Андреевич Плахтий, Денис Анатольевич Гордиенко, Сергей Васильевич Михалкив, Василий Григорьевич Равлюк

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.