Оптимізація LC-фільтра для ШІМ-інвертора автономної ФЕС

Серед інверторів автономних фотоелектричних станцій (ФЕС) найбільш затребувані є інвертори з синусоїдальною формою вихідного сигналу. Такий сигнал зазвичай формується за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Для згладжування імпульсів на виході вентильної схеми застосовуються низькочастотні фільтри, з яких найбільш простим і ефективним рішенням є пасивні фільтри другого порядку, в тому числі, LC-фільтр. Тому актуальним є розробка методики оптимізації параметрів таких фільтрів, яка допускала б врахування низки умов технічних завдань (ТЗ), перш за все, коефіцієнта спотворення синусоїдальної напруги, ККД інвертора, реактивної енергоємності фільтра та ін. Постановка і проведення експерименту щодо оптимізації фільтрів - трудомісткий і фінансово витратний процес, тому на початковому етапі оптимізації доцільно виконувати моделювання роботи ШІМ-інвертора з фільтром і знаходити прийнятні значення параметрів фільтруючої схеми при заданому характері навантаження.

LC-фільтр, призначений для поліпшення вихідної напруги, має, як відомо, певні недоліки: падіння напруги на дроселі і підвищене навантаження інвертора за рахунок струму конденсатора [1]. Однак за рахунок підбору параметрів, що характеризуються оптимальним розташуванням на Боде-діаграмі основної частоти f1, частоти несучої ШІМ fSW , резонансної частоти fR і частоти зрізу fCUT, можливо отримання прийнятних характеристик роботи ШІМ-інвертора з фільтром другого порядку.
В даної роботі моделювання виконувалось за допомогою віртуальної моделі ШІМ-інвертора з вихідним LC – фільтром (рис.1). Модель дозволяла проводити гармонійний аналіз вихідної напруги, обчислювати вихідну потужність, напругу, ККД інвертора.

LC filter SPS
Рис.1. SPS-модель ШІМ-інвертора з LC-фільтром

Приклад отриманих результатів. Для навантаження R = 7 Ом і Uн=300В пробні параметри SPS-моделі складають L = 1,1мГн, C = 1900мкФ. Подальший FFT-аналіз (швидке перетворення Фур’є) моделі дає THD = 2,2 %, тому можливе зменшення значення С, наприклад, до С = 100 мкФ, тоді THD = 7,1 %. Залежність THD від С показана на рис. 2 при різних M.

LC filter THD
Рис.2. Залежність THD вихідної напруги інвертора від ємності конденсатора С
при різних рівнях модуляції М

Вихідна потужність інвертора незначно зростає зі збільшенням ємності С. Однак посилення амплітудної модуляції до М=1.1 при оптимальних параметрах фільтру дозволяє суттєво підвищити вихідну потужність без істотного зростання ТНD (рис.3).

LC filter P C

Рис.3. Залежність потужності у навантаженні від ємності конденсатора С
при різних рівнях модуляції М.

Перелік посилань
1. Руденко В. С, Сенько В. И., Чиженко И. М. Преобразовательная техника. - 2-е изд., перераб. и доп. / Киев: Вища школа, 1983. - 431 с.
2. Мыцык, Г.С., Берилов А.В., Михеев В.В. Поисковое проектирование устройств силовой электроники (трансформаторно-полупроводниковые устройства): Учебное пособие / Г.С. Мыцык ‒ М.: Издательский дом МЭИ, 2010. ‒ 284 с.
3. Сафонов В.И. Выбор параметров LC-фильтра для ШИМ-сигнала. Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика», выпуск 18, 2012, с. 107 –110.

Джерело: из статті О. Гаєвського, А. Карпчук