Selektywne eliminowanie harmonicznych w 9‑poziomowym falowniku typu T z zredukowaną liczbą przełączników przy użyciu algorytmu Sea‑Horse

Czystsza energia dzięki inteligentniejszemu sterowaniu

Za każdym razem, gdy energia elektryczna z paneli słonecznych, turbin wiatrowych czy napędów przemysłowych trafia do sieci, przechodzi przez urządzenia elektroniczne, które ją przekształcają. Te urządzenia, zwane falownikami, mogą niezamierzenie wprowadzać do sieci „szum elektryczny”, tracąc energię i obciążając sprzęt. W artykule opisano nowe podejście do projektowania i sterowania konkretnego rodzaju falownika, które pozwala uzyskać gładszą, czystszą energię przy użyciu mniejszej liczby elementów elektronicznych — co może zwiększyć wydajność i obniżyć koszty systemów odnawialnych i przemysłowych.

Dlaczego współczesne falowniki wymagają ulepszeń

Tradycyjne falowniki szybko przełączają napięcie w górę i w dół, aby naśladować gładkie sinusoidy napięcia sieciowego. Falowniki wielopoziomowe poprawiają to, zestawiając kilka mniejszych kroków napięciowych, dzięki czemu wyjście bardziej przypomina prawdziwą falę sinusoidalną. Przekłada się to na lepszą jakość energii, mniejsze zakłócenia, mniejsze filtry i mniejsze obciążenie elementów. Jednak standardowe konstrukcje wielopoziomowe wymagają wielu przełączników, układów napędowych i czasem dodatkowych kondensatorów czy izolowanych źródeł zasilania. Złożoność ta zwiększa koszty, wymiary i ryzyko awarii, zwłaszcza w systemach średniego i wysokiego napięcia, takich jak duże elektrownie słoneczne, farmy wiatrowe, transport elektryczny czy ciężki przemysł.

Prostsza budowa sprzętowa przy wielu poziomach napięcia

Autorzy koncentrują się na architekturze określanej jako falownik typu T 9‑poziomowy. Ich wersja to konstrukcja z „zredukowaną liczbą przełączników”, co oznacza, że generuje dziewięć różnych kroków napięcia przy użyciu mniejszej liczby przełączników mocy niż konwencjonalne układy wielopoziomowe. Zmniejsza to straty przełączania, złożoność sterowania i wymagane miejsce, a jednocześnie dostarcza drobno schodkowany przebieg napięciowy, który może dobrze przybliżać sinusoidę. Ze względu na sposób ułożenia obwodu każdy poziom napięcia uzyskiwany jest przez unikalną kombinację przełączników, a do wyrównywania napięć wewnętrznych nie są potrzebne dodatkowe elementy. Ułatwia to budowę i eksploatację sprzętu, zachowując jednocześnie cele niskich zniekształceń i wysokiej sprawności.

Skierowanie na niepożądane składowe widma

Nawet przy wielu poziomach napięcia falowniki generują harmoniczne — dodatkowe składowe o częstotliwościach wyższych niż podstawowa częstotliwość sieci. Harmoniczne mogą powodować nagrzewanie się urządzeń, zakłócać wrażliwą elektronikę i zmniejszać ogólną sprawność. W artykule zastosowano strategię nazwaną selektywną eliminacją harmonicznych, która wybiera dokładne chwile przełączania, tak aby określone uciążliwe harmoniczne znosiły się w końcowym sygnale. Matematycznie oznacza to rozwiązanie trudnego zestawu nieliniowych równań w celu znalezienia precyzyjnych kątów przełączania, które utrzymują pożądany poziom napięcia podstawowego przy jednoczesnym tłumieniu wybranych składowych harmonicznych. Ponieważ te równania są trudne do rozwiązania analitycznie, inżynierowie często sięgają po metody przeszukiwania i optymalizacji, by znaleźć dobre rozwiązania.

Wyszukiwanie inspirowane konikami morskimi

W pracy badacze stosują stosunkowo nową metodę optymalizacji nazwaną Sea‑Horse Optimizer. Algorytm ten naśladuje zachowania koników morskich w oceanie: mieszając lokalne poszukiwania spiralne, dłuższe losowe wędrówki i ustrukturyzowany sposób łączenia obiecujących kandydatów. W praktyce każdy możliwy zestaw kątów przełączania traktowany jest jak osobnik (konik morski) w populacji. W kolejnych iteracjach algorytm przesuwa te kandydatury w kierunku kombinacji dających niższe zniekształcenia harmoniczne i dokładne napięcie wyjściowe. Zespół porównuje tę metodę z dwoma dobrze znanymi technikami optymalizacji — algorytmami genetycznymi i optymalizacją rojem cząstek — w szerokim zakresie punktów pracy odzwierciedlających rzeczywiste warunki eksploatacji falowników.

Co pokazują symulacje

Autorzy zbudowali szczegółowy model komputerowy trójfazowego 9‑poziomowego falownika typu T i przeprowadzili symulacje dla wielu punktów pracy, od bardzo niskich po pełne obciążenie. Dla każdego punktu trzy algorytmy poszukiwały kątów przełączania minimalizujących zniekształcenia harmoniczne. Sea‑Horse Optimizer konsekwentnie znajdował rozwiązania prowadzące do gładszych przebiegów, niższego całkowitego zniekształcenia harmonicznego i zwłaszcza niskich poziomów kluczowych harmonicznych, na których inżynierom zależy najbardziej. Przy pełnym obciążeniu wartości wybranych uciążliwych harmonicznych były w przybliżeniu od jednej szóstej do jednej dziesiątej tych uzyskanych przez inne metody, przy jednoczesnym utrzymaniu napięcia podstawowego bardzo blisko wartości zadanej. Algorytm osiągał też dobre wyniki przy mniejszej liczbie prób obliczeniowych, co sugeruje potencjał szybszego i tańszego zastosowania w narzędziach projektowych lub wbudowanych sterownikach.

Znaczenie dla przyszłych systemów zasilania

Mówiąc prosto, badanie pokazuje, że przemyślane uproszczenie konstrukcji falownika, wspierane przez optymalizator inspirowany naturą, może dostarczyć czystszą energię przy mniejszej liczbie elementów. Optymalizator oparty na zachowaniach koników morskich pomaga kształtować wyjście falownika tak, aby znacznie zmniejszyć niepożądany „szum” elektryczny, podczas gdy układ z redukcją przełączników zachowuje kompaktową i wydajną konstrukcję sprzętową. Chociaż wyniki pochodzą z symulacji i zakładają idealne przełączniki, wskazują one na możliwość uzyskania bardziej niezawodnych i opłacalnych przetwornic mocy dla odnawialnych źródeł energii, transportu i zastosowań przemysłowych. Po dalszych testach, w tym badaniach sprzęt‑w‑pętli i prototypach, podejście to mogłoby pomóc przyszłym sieciom w integracji większej ilości czystej energii bez pogorszenia stabilności czy żywotności urządzeń.

Cytowanie: Hussain, AS.T., Almulaisi, T., Desa, H. et al. Selective harmonic elimination in T-type multilevel inverter with reduced switch count using Sea-Horse Algorithm. Sci Rep 16, 13777 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46979-9

Słowa kluczowe: falownik wielopoziomowy, redukcja harmonicznych, elektronika mocy, optymalizacja metaheurystyczna, integracja odnawialnych źródeł energii