采用载波移相调制的模块化多电平换流器损耗一致性分析

阐述了模块化多电平换流器的基本工作原理和损耗数值计算方法,应用PLECS仿真软件针对半桥子模块结构,分析了载波移相调制下不同均压、环流抑制方式下的子模块损耗特性,认为在不影响换流器工作状态的前提下,使用能量均衡法均压以及使用三相解耦二次谐波环流抑制算法进行环流抑制时,各子模块损耗分布一致性更高,整体损耗率更低。通过比较,还发现不同工况下的子模块损耗一致性接近。最后,对比了载波移相调制与最近电平控制调制方式下的损耗一致性,认为载波移相调制下子模块损耗一致性更高。     

基于等效电路模型的新型三电平逆变器载波调制方法的研究

提出了一种新型的基于三角载波水平移相的三电平逆变器PWM调制方法。通过分析三电平电压型逆变器主电路结构,建立了相应的等效模型,给出了一种提高等效开关频率的具有二重化特点的载波水平移相调制算法。该调制方法与三电平逆变器空间矢量方法相比,其具有计算简单、实现简单等优点,与一般载波垂直移相调制算法相比,其具有低次谐波小、等效开关频率提高一倍、容易滤波等优点。通过仿真研究,验证了该调制方法的可行性。通过建立等效模型为采用两电平三相逆变器各种调制算法来实现三电平逆变器的控制奠定了研究基础。     

抑制电流纹波的模块化多电平直流变换器移相调制策略

模块化多电平直流变换器在采用传统载波移相脉宽调制时,如果各模块的输入及输出电压不一致,就会在电感上产生更大的电流纹波,增大电感的损耗,同时也不利于滤波器件的优化设计.针对这种情况,文中通过对电流纹波的频域分析,揭示了传统移相调制技术存在的问题,并确定了电流纹波幅值、各模块输入/输出电压与载波移相角之间的关系.以电流纹波中开关频率次谐波幅值最小为目标计算各模块的载波移相角,根据不同的工况调整移相角的算法,进而实现了一种电流纹波抑制的调制策略.对三模块级联的模块化多电平直流变换器进行了软件仿真和实验测试,仿真和实验结果都表明在各模块输入及输出电压不相等工况下,所提控制策略能够有效地抑制电流纹波,从而验证了所提控制策略的正确性和实用性.     

单相模块化多电平变流器控制策略研究

模块化多电平变流器(MMC)是一种新型的多电平拓扑,输出与子模块数相关的多电平波形。MMC具有高度模块化、易扩展、输出波形好等特点,在中高压场合具有广阔的应用前景。分析了单相MMC的拓扑结构和工作原理,并通过一定的控制策略,对子模块电容电压平衡与环流抑制进行协同控制;利用载波移相脉宽调制(CPSSPWM)技术,等效提高了开关器件的频率,从而降低其损耗。最后用Matlab/Simulink对单相MMC进行仿真实验,验证了调制策略和控制策略理论的正确性。     

三电平H桥级联型逆变器

级联型多电平变频器输出电压谐波含量小,易于实现模块化,适用于高压大功率场合.本文主要针对三电平H桥级联型逆变器的拓扑结构和控制方式的相关问题进行分析与研究.级联个数不同,对控制方法也有不同的要求.提出了基于载波层叠调制和载波移相调制的混合载波调制方法,三电平桥臂内采用反相层叠载波调制,级联单元间及桥臂间均采用载波移相调...     

模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究

模块化多电平变换器作为一种新型的多电平拓扑,因为适用于电压源换流型直流输电场合而得到了广泛研究.本文介绍了模块化多电平变换器的拓扑结构和工作原理,并对常用于模块化多电平变换器拓扑的载波移相、最近电平逼近和载波层叠调制策略以及相应的电容电压平衡算法进行了分析,并在PSCAD/EMTDC下搭建了31电平的模块化多电平变换器仿真模型,分别实现了三种调制策略及其电容电压平衡算法,比较了不同调制策略在电压谐波、电容电压平衡、开关频率等方面的表现,并给出了不同调制策略的特点.     

基于载波移相的MMC控制策略研究及仿真

模块化多电平变换器(MMC)是一种结构独特的多电平变换器,相对于传统多电平变换器,其结构简单且高度模块化、输出灵活、谐波畸变率较小,因此成为大电压高功率场合的研究热点。由于MMC的调制技术和电容电压均衡是其稳定运行的基础和关键,因此研究分析了MMC的拓扑结构和工作原理,学习了载波移相调制技术(Carrier Phase-Shifted SPWM,CPS-SPWM)的原理,并提出将载波移相调制和子模块电压均衡控制相结合的控制策略。在Matlab/Simulink里搭建了基于载波移相调制和子模块电容电压均衡控制的三相MMC仿真模型,结果验证了研究提出的控制策略在MMC中等效开关频率较高,输出电压谐波特性良好,可以很好地控制电容电压波动,是一种适合MMC的控制策略。     

中点钳位型三电平逆变器脉宽调制时的损耗特性

随着多电平逆变器的大量应用,电力电子开关器件的损耗问题也越来越得到重视.对开关器件的损耗研究,不单是提高效率的前提,更是保证器件安全工作的首要条件.三电平逆变器的开关器件多,导通与换流模式复杂,损耗分析比两电平逆变器困难.本文在分析三电平逆变器导通与换流模式的基础上,利用器件的损耗特征参数,在SPWM调制策略下对逆变器的通态损耗和开关损耗进行了计算,给出了该调制策略下的器件损耗对于调制度和功率因数角的分布曲面,并对其他调制策略下的损耗进行了计算分析,最后实验验证了该损耗计算方法的有效性.本文给出的损耗模型和结论为进一步降低损耗的调制策略研究奠定了基础.     

两单元五开关级联H桥逆变器及其调制策略

大容量中频逆变电源对输出电压波形质量要求较高,且存在开关器件损耗较大的问题。结合两单元级联H桥逆变器和五开关五电平逆变器,得到改进的逆变拓扑,即两单元五开关级联H桥逆变器,并给出了与之对应的改进载波移相正弦脉冲宽度调制策略。改进后的拓扑不仅具备两单元H桥级联逆变器能够实现较高等效开关频率的优点,而且具备五开关五电平逆变器使用开关器件少、输出电压电平数多、总谐波失真小、器件损耗小等优点,因此较适合于大容量中频逆变场合。最后通过Matlab/Simulink平台搭建了两单元五开关级联H桥逆变器的仿真模型,仿真结果验证了理论的正确性。     

一种柔性直流输电换流器调制方法研究

围绕柔性直流输电换流器调制方法,选择载波移相脉宽调制技术为研究核心,通过数学推导的方式解析了其调制特点,运用Saber软件描述CPS-SPWM调制方式,说明其合成原理和提高多电平等效开关频率的作用,通过对比选择DSP芯片,提出并分析了基于TMS320F28335的CPS-SPWM实现方法,以模块化多电平换流器为实验对象,给出了具体的操作方法。实验结果表明,基于F28335的CPS-SPWM实现方法具有较好的输出效果,在换流器装置中具有良好的可行性。     

基于IGBT器件串联的MMC随机零序分量注入PWM方法

随着模块化多电平换流器的发展,提高模块化多电平换流器(MMC)的容量及电压等级成为研究热点。通过建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联模块化下的MMC换流器模型,考察载波移相调制策略下换流器的输出电压畸变情况,以及在开关频率处的电磁噪声幅值。提出一种随机零序分量注入脉宽调制(PWM)方式,并基于随机过程原理,对比不同随机PWM下开关函数的功率谱密度,并从理论和仿真两个方面研究随机PWM对MMC换流器的降噪效果。仿真结果表明,提出的随机PWM方式简单有效,能明显降低大容量高电压的MMC换流器的噪声。     

一种适用于少子模块MMC的混合调制策略

由于中低压配电网下电压等级较低,模块化多电平换流器(MMC)子模块数量也较少,因此少子模块MMC的调制方式对MMC系统的性能有重要影响。为改善少子模块MMC的输出质量与输出能力,文中提出一种工作在高调制度的基于电平阶跃点切换的少子模块MMC混合调制策略。在最近电平逼近调制(NLM)的基础上,控制MMC在输出电平阶跃点处进行NLM与载波移相脉宽调制模式之间的实时切换,同时结合环流控制和子模块电压均衡控制,进一步保证少子模块MMC在该混合调制下的正常运行。然后,建立子模块数为4的MMC混合调制的仿真模型,对该少子模块MMC混合调制策略进行仿真验证。结果表明：所提出的混合调制策略兼顾低输出谐波和低开关损耗的特点,提高了其输出质量;且其处于高调制度的工作情况,增大了直流电压利用率,提高了少子模块MMC的输出能力。     

级联H桥五电平变流器工况分析与验证

以单相两功率单元级联为例,阐述了级联H桥五电平变流器的拓扑结构和载波相移SPWM(CPS-SPWM)调制策略.从该变流器的运行工况着手,给出了这种变流器在CPS-SPWM调制方法下的工作原理,并从数学角度推导了变流器开关切换、输出电压、电流流向以及均衡电压等情况,理论推导表明CPS-SPWM调制方法应用在级联多电平逆变器上的可行性、可靠性和控制的简易性,为实现调制方法的优化和拓扑结构的改进提供了理论基础.同时对五电平变流器的运行工况进行了详尽的分析,推导出了五电平变流器的数学模型,并进行了仿真和实验验证.基于DSP与FPGA,研制了多路PWM脉冲发生器,既简化了电路的设计,提高了系统的可靠性,又可保证整个系统功率元件驱动信号的同步.实验结果表明,这种变流器能在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果,运行工况稳定,在高压、大功率场合有一定的工程应用前景.     

Hybrid multilevel power conversion system: a competitive solutionfor high-power applications

Trends in power semiconductor technology indicate a tradeoff in the selection of power devices in terms of switching frequency and voltage-sustaining capability. New power converter topologies permit modular realization of multilevel inverters using a hybrid approach involving integrated gate commutated thyristors (IGCTs) and insulated gate bipolar transistors (IGBTs) operating in synergism. This paper investigates a hybrid multilevel power conversion system typically suitable for high-performance high-power applications. This system, designed for a 4.16 kV⩾100 hp load is comprised of a hybrid seven-level inverter, a diode bridge rectifier, and an IGBT rectifier per phase. The IGBT rectifier is used on the utility side as a real power flow regulator to the low-voltage converter and as a harmonic compensator for the high-voltage converter. The hybrid seven-level inverter on the load side consists of a high-voltage slow-switching IGCT inverter and a low-voltage fast-switching IGBT inverter. By employing different devices under different operating conditions, it is shown that one can optimize the power conversion capability of the entire system. A detailed analysis of a novel hybrid modulation technique for the inverter, which incorporates stepped synthesis in conjunction with variable pulsewidth of the consecutive steps is included. In addition, performance of a multilevel current-regulated delta modulator as applied to the single-phase full-bridge IGBT rectifier is discussed. Detailed computer simulations accompanied with experimental verification are presented in the paper     

柔直换流阀损耗解析计算及其误差分析

模块化多电平换流器（MMC）柔直换流阀损耗是系统重要的性能及经济评价指标,也是换流阀功率器件选型、结温评估、冷却系统设计的直接依据。换流阀损耗主要为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、二极管等功率器件的导通损耗和开关损耗,占比达到90%以上。目前已有大量关于柔直换流阀损耗计算及优化方法研究成果。本文在现有解析计算法的基础上,进一步精确推导得到涵盖系统工况及器件特性的损耗计算通用表达式。提取了与损耗关联的影响因子及其权重,为损耗优化提供了依据。考虑到实际工程换流阀为电平逼近调制策略,分析解析计算法的误差来源,提出计算精度更高的基于工程运行现场数据录波的损耗计算方法。     

不对称规则采样CPS-PWM的基波近似模型及其频率特性

中压多电平换流器常采用模块化结构,可应用于交/直流配电网。配电网电压较低,换流器子模块数较少,因此常采用载波移相脉宽调制(CPS-PWM)提升等效开关频率。建立CPS-PWM模型是换流器系统级建模的基础之一。调制环节非线性,因此常分析其基波。现有CPS-PWM基波近似模型以桥臂等效开关频率为准,在不对称规则采样下模型延时偏低、误差较大。以子模块为基础,通过子模块输出叠加建立了零阶保持器(ZOH)经纯延时近似、不近似以及纯延时环节经Padé近似的3种形式CPS-PWM基波近似模型,更准确地反映了CPS-PWM的频率特性。仿真研究验证了理论分析的正确性。     

基于面积等效法的模块化多电平换流器损耗分析

基于模块化多电平换流器的直流输电(modularmultilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)阀的损耗研究目前还没有。由于MMC阀拓扑的特殊性,传统晶闸管和绝缘栅双极晶体管串联阀换流器的损耗计算方法均不能直接应用,文章结合其子模块特有的半导体器件的开关特性,分析了MMC子模块投入和切除的具体物理过程;结合换流器拓扑结构和面积等效调制算法,推导了典型工况下MMC阀的损耗与阀电压、电流、调制算法的关系,为MMC-HVDC输电系统的降损设计提供了依据。     

考虑器件损耗的DAB变换器最大输出功率分析

针对双有源桥DAB(dual-active-bridge)DC-DC变换器输出功率受变换器运行损耗的影响,对考虑开关器件损耗的DAB变换器输出功率进行特性分析。首先,根据DAB变换器不同工作模态与开关器件的工作特性,建立了双重移相调制策略下的开关器件损耗模型;然后,利用该模型推导出考虑开关器件损耗情况下的输出功率分布,并分析了该输出功率的特性,与理想输出功率相比,考虑器件损耗下的最大输出功率点向损耗偏小的方向发生了偏移,偏移趋势与开关器件的参数有关;最后,搭建了实验平台进行验证。实验结果证明了最大输出功率点偏移趋势的准确性。     

基于三电平SVPWM调制的Vienna整流器中点电压均衡控制

Vienna整流器的中点电压振荡问题会造成直流侧电容电压分布不均,导致交流侧输入电流波形畸变,开关器件承受电压不一致而损坏等问题。针对Vienna整流器中点电压不平衡的问题,研究了三电平空间矢量调制对Vienna整流器中点电压产生的影响。首先介绍了Vienna整流器的工作原理,然后分析了空间矢量对中点电压的影响,并基于SVPWM调制提出了一种中点电压波动的抑制策略。最后,搭建了15 kW实验样机,验证了所提控制策略的有效性,解决了中点电压不平衡的问题,明显改善了输入电流波形质量。