Избирательное устранение гармоник в T‑типе многоуровневого инвертора с уменьшенным числом переключателей с использованием алгоритма Sea‑Horse

Более чистая энергия благодаря интеллектуальному переключению

Каждый раз, когда электричество от солнечных панелей, ветровых турбин или промышленных приводов поступает в сеть, оно проходит через электронные устройства, которые формируют его заново. Эти устройства, называемые инверторами, могут непреднамеренно вносить «электрический шум» в сеть, что ведёт к потерям энергии и дополнительной нагрузке на оборудование. В статье рассматривается новый подход к проектированию и управлению конкретным типом инвертора, позволяющий получать более плавное и чистое напряжение при использовании меньшего числа электронных компонентов — что потенциально делает возобновляемые и промышленные системы более эффективными и экономичными.

Почему современные инверторы требуют обновления

Традиционные инверторы очень быстро переключают напряжение вверх и вниз, чтобы имитировать плавные синусоиды сетевого напряжения. Многоуровневые инверторы улучшают это, складывая несколько меньших ступеней напряжения, благодаря чему выходной сигнал выглядит намного ближе к истинной синусоиде. Это даёт лучшее качество питания, меньшие электромагнитные помехи, компактные фильтры и меньшую нагрузку на элементы. Однако привычные многоуровневые схемы требуют большого числа переключателей, драйверов и иногда дополнительных конденсаторов или изолированных источников питания. Такая сложность увеличивает стоимость, габариты и риск отказов, особенно в системах высокого и среднего напряжения — крупных солнечных электростанциях, ветропарках, электротранспорте и тяжёлой промышленности.

Проще по аппаратной части — много уровней по выходу

Авторы сосредоточены на конкретной архитектуре, называемой T‑тип 9‑уровневым инвертором. Их версия — это конструкция с «уменьшенным числом переключателей», то есть она формирует девять различных ступеней напряжения при использовании меньшего количества силовых ключей, чем в традиционных многоуровневых схемах. Это сокращает потери при переключении, упрощает управление и экономит место, сохраняя при этом тонко ступенчатую форму напряжения, хорошо аппроксимирующую синусоиду. Благодаря способу компоновки цепи каждая ступень достигается уникальным сочетанием переключателей, и не требуются дополнительные элементы для балансировки внутренних напряжений. Это упрощает сборку и эксплуатацию аппаратуры при сохранении цели по низким искажениям и высокой эффективности.

Целенаправленное подавление нежелательных тонов в сигнале

Даже при множестве ступеней напряжения инверторы генерируют гармоники — дополнительные тональные составляющие на частотах, превышающих основную сетевую частоту. Эти гармоники могут нагревать оборудование, мешать чувствительной электронике и снижать общую эффективность. В работе используется стратегия, называемая избирательным устранением гармоник, которая выбирает точные моменты включения и выключения переключателей так, чтобы определённые проблемные гармоники взаимно компенсировались в итоговом выходном сигнале. С математической точки зрения это означает решение сложной системы нелинейных уравнений для подбора точных углов переключения, сохраняющих требуемый основной уровень напряжения и одновременно подавляющих выбранные гармонические составляющие. Поскольку такие уравнения трудно решить аналитически, инженеры часто применяют поисковые и оптимизационные методы для нахождения хороших решений.

Поиск, вдохновлённый морским коньком

В этой работе исследователи применяют относительно новый оптимизационный подход — алгоритм Sea‑Horse Optimizer. Алгоритм имитирует поведение морских коньков в океане: локальные спиральные поиски, более длинные случайные перемещения и структурированные способы комбинирования перспективных кандидатов. На практике каждая возможная совокупность углов переключения рассматривается как отдельный «морской конёк» в популяции. В ходе множества итераций алгоритм сдвигает эти кандидаты в сторону комбинаций, дающих меньшее гармоническое искажение и точное выходное напряжение. Команда сравнивает этот метод с двумя хорошо известными оптимизационными техниками — генетическими алгоритмами и оптимизацией роя частиц — при широком наборе рабочих условий, отражающих реальную эксплуатацию инверторов.

Что показывают моделирования

Авторы создают подробную компьютерную модель трёхфазного 9‑уровневого T‑типа инвертора и прогоняют её для множества рабочих точек — от очень малой до полной мощности. Для каждой точки три алгоритма ищут углы переключения, минимизирующие гармонические искажения. Sea‑Horse Optimizer последовательно находит решения с более плавными формами сигналов, меньшим суммарным гармоническим искажением и особенно низким уровнем ключевых гармоник, которые представляют наибольший интерес инженерам. При полной нагрузке величина выбранных проблемных гармоник у этого метода примерно в шесть — десять раз меньше, чем у других методов, при этом основной уровень напряжения остаётся очень близким к заданному. Кроме того, алгоритм достигает хороших решений при меньшем числе вычислительных проб, что означает потенциальное ускорение и удешевление при применении в средствах проектирования или встроенных контроллерах.

Что это значит для будущих энергетических систем

Проще говоря, исследование показывает, что продуманно упрощённая конструкция инвертора в сочетании с поисковым алгоритмом, заимствованным у природы, позволяет получать более чистую электроэнергию с меньшим числом частей. Оптимизатор, вдохновлённый морскими коньками, помогает инвертору формировать выход так, чтобы нежелательный электрический шум значительно снижался, а уменьшенная схема переключателей делает аппаратную часть компактной и эффективной. Хотя результаты получены в моделировании и исходно предполагают идеальные ключи, они указывают на перспективу более надёжных и экономичных преобразователей для возобновляемой энергетики, транспорта и промышленности. При дальнейшем тестировании, включая hardware‑in‑the‑loop и реальные прототипы, этот подход может помочь будущим сетям принять больше чистой энергии без ухудшения стабильности и срока службы оборудования.

Цитирование: 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

Ключевые слова: многоуровневый инвертор, снижение гармоник, силовая электроника, метаэвристическая оптимизация, интеграция возобновляемой энергии