FPGA-DSP实现混合级联多电平变换器的高性能PWM控制

针对传统电力电子拓扑结构中开关器件耐压值不够高,与电力系统中高压范围不能直接匹配的问题,研究了基于FPGA-DSP的改进型混合级联多电平变换器的高性能控制系统。该改进型的级联多电平拓扑是将具有相同母线电压的一个二极管钳位拓扑与若干个H桥级联,输出波形由级联模块的输出电压叠加而成。并针对该拓扑提出了其混合调制的调制策略,使较高开关频率的开关器件与高耐压值的器件协同工作在一起,充分发挥开关器件各自的特性。由于多电平变换器开关管数量众多,专用DSP芯片已经不能完全满足设计要求,为此专门设计了基于FPGA-DSP的通用控制系统,用以实现多电平电路的专用PWM控制电路的功能,该控制系统稳定可靠,易于扩展。仿真与实验结果充分证明了该设计方案的可行性和有效性。     

一种改进的二极管钳位型多电平变换器拓扑

多电平电路在高压大功率领域的拓展受到其复杂电路拓扑的制约,因此近年来不断有新型多电平电路结构被提出。本文在传统多电平逆变器拓扑结构的基础上,提出了一种新型单相七电平电压源逆变器拓扑。新型电路拓扑是在传统的单相全桥五电平钳位二极管电路基础上,增加了两个开关器件,利用10个开关器件以及4个钳位二极管产生了7种不同的电平输出。详细分析了该逆变器的拓扑结构,给出了PWM控制策略。最后通过仿真实验验证了这种拓扑的可行性。该逆变器对传统钳位二极管逆变器在结构上做出了优化。     

一种适用于高压大功率变换器的三电平直流变换器

(半桥)三电平变换器的优点是其开关管的电压应力为输入电压的一半，该文从另一个角度提出它的推导思路，从中提取出两种三电平开关单元。将(半桥)三电平变换器的推导思路推广到所有的直流变换器，提出了三电平变换器族系，该类变换器除了开关管电压应力为其原型变换器的一半以外，部分变换器还可以大大减小滤波器，提高变换器的动态响应。三电平变换器可以广泛应用于高输入电压/输出电压、中大功率的直流变换场合。     

二极管钳位型级联多电平逆变器新型SPWM研究

针对目前级联型多电平逆变器正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)数字化实现问题,分析常规载波调制SPWM算法的工作原理,提出了一种基于脉冲编码与轮换的多电平SPWM调制策略。通过对正弦调制波的提取变换,进行单载波"量化"调制,并采用脉冲编码与轮换控制技术,对"量化"后的信号进行脉冲编码和脉冲轮换,均衡各逆变单元的输出电压与输出功率,以及单元内部电容电压。仿真结果表明,与同相层叠载波SPWM调制策略相比,该调制具有更好的控制效果和更小的计算量;另外,控制算法的消耗资源对比分析表明,所提的控制算法较常规的SPWM算法更节省硬件资源。     

适用于中压领域的V形钳位多电平变换器

多电平变换器在中高压大功率电能变换领域已得到广泛的应用.该文针对中压电能变换领域,提出V形钳位多电平变换器(VMC)拓扑族.在现有IGBT电压等级的条件下,该拓扑族采用较少数量的器件就可以实现中压大功率电能变换,结构简单;同时该拓扑族无需飞跨电容,降低了系统控制复杂度.首先提出VMC拓扑族的构成,包括拓展方式、一般形式以及演化类型;在此基础上研究VMC工作原理及控制方法,分析直接钳位机制和阻断电压分配问题.考虑目前商业主流功率器件电压等级,针对拓扑结构特点,揭示适宜VMC的电压等级;最后通过仿真和实验结果验证了所提拓扑族及控制方法的可行性,也进一步证明了该文理论分析的正确性.     

一种开关电容和二极管钳位组合的多电平拓扑

传统的二极管钳位型多电平拓扑存在直流母线电容电压不平衡的问题。提出一种开关电容和二极管钳位组合式的多电平拓扑,介绍了其结构组成和工作原理。该拓扑将开关电容电路和二极管钳位电路有机地结合起来,充分利用两部分电路的工作特点,不但具有平衡直流母线电容电压的功能,而且可以用多种升压方式实现升压输出,同时使用的元器件数量较少。最后通过一个五电平电路的仿真和实验验证了本拓扑的有效性。     

一种改进型级联多电平拓扑及其频谱分析

近些年,多电平拓扑结构特别是级联和二极管钳位这两种拓扑在中高压大功率领域中得到广泛的关注和应用.本文对这两种多电平拓扑结构的优缺点进行分析,根据目前电力电子器件的发展特点,将具有相同母线电压的一个二极管钳位H桥拓扑与若干个H桥级联,形成一种具有实用价值的改进型逆变器拓扑结构,并对其进行研究.针对这种拓扑结构,分析了一种...     

一种新型自均压二极管钳位级联有源滤波器

提出一种新型二极管钳位级联多电平拓扑,在半桥单元拓扑上增加钳位二极管,为直流电容提供单向钳位通路。在该拓扑中,只需对阀体两端单元的直流电压进行控制就可实现均压控制,且每相阀体只需2个直流电压传感器,结构简单。将拓扑拓展到三相结构,提出了二极管钳位多电平有源滤波器(APF)拓扑及其控制方法。搭建了7电平二极管钳位多电平APF仿真模型和实验样机。实验结果表明,该拓扑自均压控制和谐波补偿效果良好,控制算法简易、可行。     

一种新型的混合级联多电平逆变器

在中高压大功率场合级联H桥多电平逆变器受到了越来越多的关注。混合级联多电平逆变器是传统级联多电平逆变器拓扑的改进,它的直流侧电压幅值不同。混合级联多电平逆变器最大的优点是在得到相同电平数目的情况下,大大减少了独立直流电源的数目。但是,在一些应用场合,直流电源只能为一个。针对这个问题,在直流侧加入高频环节,得到了一种新型的混合级联多电平逆变器,实现了单直流电源供电,而且这种逆变器的输出电压THD较低,系统体积小。文中首先介绍了基于高频环节混合级联多电平逆变器的电路结构,分析了该结构功率分布问题,针对最近电平逼近调制策略下的输出电压低次谐波较大的问题,改进了控制方法,最后通过软件仿真验证了改进控制方法的可行性。     

适用于高压宽输入新型三电平LLC谐振变换器

在高压大功率轨道交通电源应用中,常使用三电平变换器,因其主开关管承受的电压应力仅有输出电压的一半.但是三电平输入电压高,伴随高开关损耗,导致效率低下,因此在使用三电平拓扑时需应用软开关技术以降低损耗.提出了一种适用于高压宽输入新型三电平LLC串联谐振变换器,该拓扑不仅能实现良好的软开关性能,而且能实现电流均衡.分析了该变换器的工作原理,通过仿真和实验对该拓扑的有效性进行了验证.     

单相多电平功率因数校正变换器应用的实验研究

在高压和／或大功率应用的场合，为了减小电感的体积、减少管子的耐压、减少EMI和提高系统的效率和功率密度，该文研究了单相多电平功率因数校正变换器。以四电平功率因数校正变换器为例，该文详细分析了四电平功率因素校正变换器的工作机理和控制方法。为了验证单相多电平功率因数校正变换器及其控制方法，该文搭建了一台2kw四电平功率因素校正变换电路的实验样机，理论结果和实验结果证明了单相多电平功率因数校正变换器的可行性和正确性。     

多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略

多电平直流变换器利用飞跨电容使得输入电压在串联的各开关管之间均分，以降低各开关管的电压应力。合适的飞跨电容电压是保证多电平直流变换器正常工作并具有良好性能的关键。文中提出一种新颖的控制飞跨电容电压的方案，该方案首先将输出电压与飞跨电容电压解耦，使得控制飞跨电容电压的同时不影响输出电压的调节。继而对飞跨电容电压进行解耦控制，采用这种控制方案有利于分别独立设计各个飞跨电容电压和输出电压的控制闭环。此控制方案通过四电平直流变换器进行了实验验证。     

一种具有冗余功能的多电平变换器拓扑

从提高多电平变换器的可靠性出发，在分析了开关器件发生故障时对电路运行影响的基础上，提出了一种具有冗余功能的多电平变换器拓扑结构。在该拓扑中，当电路的一部分发生故障时，可以利用冗余资源以及改变控制方式来实现发生故障电路的功能，以保证系统的主要功能正常运行，从而提高整个系统的可靠性。同时，该拓扑具有电压自平衡能力，无需额外的中点电位平衡电路。该文以该电路拓扑的五电平为例进行了分析研究，并通过仿真验证了其可行性。     

级联型多电平逆变器的新型直接转矩控制方法

直接转矩控制具有良好的调速性能,但尚未能应用于级联型多电平变频器.该文首先提出了适用于级联型多电平逆变器的空间矢量调制方法,然后将其与基于空间矢量调制的新型直接转矩控制方法相结合,从而提出了将直接转矩控制应用于级联型变频器的控制方法,并在三单元级联型变频实验装置上进行了实验验证.该文所提出的控制方法解决了级联式多电平逆变电路应用传统DTC所面临的开关状态表难于形成、开关频率不固定等问题,为直接转矩控制在级联式多电平变频器中的实用化提供了基础.     

并联混合电力有源滤波器的非线性控制算法

并联混合电力有源滤波器是一非线性、多变量、强耦合的系统,对其建立精确的数学模型比较困难.文中采用了非线性鲁棒控制技术,该技术将配置非线性结构替代极点配置进行控制系统的设计,依靠期望轨迹与实际轨迹之间的误差大小和方向来实施非线性反馈控制,它对混合电力滤波器的数学模型要求并不高.数字仿真结果表明,该控制技术能较好地控制混合电力有源滤波器,并具有较好的动态特性和较强的鲁棒性.     

变电站谐波抑制与无功补偿的大功率混合型电力滤波器

阐述了一种用于高电压变电站谐波抑制与无功补偿的大功率混合型电力滤波器。该系统包括无源滤波器和有源滤波器两部分，其中有源电力滤波器能同时补偿大容量变电站的功率因素和电流谐波。文章提出了大功率混合型电力滤波器的一种配置，讨论了其工作原理，给出了无源滤波器的设计和有源滤波器的谐波电流注入分析。阐述了有源滤波器中基于DSP的数字控制器。最后，仿真结果和实际工程应用都证明这个系统有着良好的无功补偿和谐波滤波性能。     

新型三相混合不对称九电平逆变器研究

该文提出了一种混合不对称三相九电平逆变器，这种新型的多电平逆变器将不对称五电平逆变器与传统的两电平全桥逆变器级联在一起而获得的。该文对这种逆变器进行了分析，提出了一种新型混合不对称调制方法，并对单相中每个模块的输出电压的频谱和不对称五电平模块的直流母线电容电压不平衡问题进行了分析。文中进行了瞬时反馈数字控制器的设计，最后给出仿真分析和实验验证结果。     

一种具有自修复功能的多电平变换器拓朴

从提高复杂多电平变换器的可靠性出发，提出了一种具有类似生物系统自修复功能的多电平变换器拓扑。电路拓扑工作原理的分析结果表明，该拓扑在正常工作情况下所有开关管均承受单位电平的电压应力，并且以较少的飞跨电容实现每个电压电平的自动平衡。该拓扑不需要任何复杂的中点电位平衡电路或控制措施。文中详细分析了电路中开关管故障对多电平变换器系统运行和器件电压应力的影响。分析结果表明，当某些开关管出现短路或断路故障时，通过简单的软件重构改变驱动信号，利用冗余开关状态组合，电路仍能得到所有电平的正常输出和直流侧电容的电压自平衡，真正实现了原有功能的自修复。整个多电平变换器系统的可靠性由此提高。文中以五电平变换器为例进行了分析研究，并通过仿真实验进行验证。     

基于自适应智能控制的混合有源电力滤波器复合控制

在考虑了有源滤波器的输出滤波器的基础上，建立了并联混合型有源电力滤波器的电气模型，提出了一种基于自适应智能控制的混合有源电力滤波器复合控制方案。其中对谐波电流比例系数采用神经元自适应PID控制算法，根据电网参数的变化自动调节PID控制器的参数：对谐波电压比例系数则采用基于自适应神经网络的解耦控制，仿真和工程应用都表明采用这种复合控制混合有源电力滤波器能达到较好的滤波效果。     

一种用于高压混合有源电力滤波器的复合控制方法

针对一种适用于高压交流系统的混合有源电力滤波器结构,提出了新的复合控制方法,较好地满足了谐波补偿控制系统稳定性和补偿精度的要求。该方法能精确补偿事先指定的若干次负载谐波电流,同时能削弱泄漏到系统中其余次数的谐波电流,并可以阻尼滤波器支路和系统阻抗间可能的谐振。该方法滤波效果好,实现简单,适用于高压交流系统的谐波补偿。仿真和实验结果证明了复合控制方法的有效性。