多电平变换器拓扑结构和控制方法研究

多电平变换器作为一种应用于高压大功率变换场合的新型变换器，其电路拓朴结构和PWM控制方法是当前的一个研究热点。基于电平箝位方式对多电平变换电路进行了分类，比较了“二极管或电容箝位”和“使用独立直流电源箝位”两类典型多电平电路拓扑结构的优缺点，并将现有的多电平PWM控制方法根据其优缺点进行了比较，指出了其适用范围。     

基于混和箝位技术的四桥臂多电平变换器的研究

二极管箝位型多电平变换器由于电容电压的平衡问题而在五电平以上很难在工业中推广应用，混和箝位技术为解决此问题提供了新的思路。该文在分析现有的基于混和箝位技术变换器的背景下提出了基于混和箝位技术的四桥臂多电平变换器。文中对四桥臂逆变器的电容电压平衡机理和PWM控制方法做了详细的阐述，从分析中可以看出混和箝位四桥臂多电平变换器不仅使得电容电压的平衡变得更加简单，箝位开关的工作频率可以高于主开关而使得系统的损耗减小，而且系统成本由于少用很多有源开关和电容而大大降低，是一种成本和性能兼得的好拓扑。最后，通过仿真和实验证明了该拓扑的有效性。     

单相三电平PWM整流器双环控制系统的研究

为了得到单位功率因数、较低的电流谐波和较小的电压开关应力,对单相二极管箝位型三电平PWM整流器的双环控制系统进行了研究.中点电压平衡问题是三电平变换器的一个固有问题,因此针对单相三电平变换器进行了深入分析,并提出了一种中点电压平衡的Bang-Bang控制方法.仿效直流电机的转速电流双闭环控制,建立了三电平PWM整流器的双环控制模型,通过工程设计获得了良好的稳态和动态性能,保证了输入电流正弦化和单位功率因数.实验结果验证了控制方案的正确性和可行性.     

零电压开关PWM组合式三电平变换器的箝位策略

零电压开关(zero-voltage-switching,ZVS)PWM组合式三电平变换器利用变压器的漏感(或外加谐振电感)和开关管的结电容可以实现开关管的ZVS,但在副边整流二极管存在反向恢复引起的电压振荡和尖峰。为了解决该问题,该文将2种基本箝位网络应用于该变换器中,提出一族箝位策略;在这些箝位策略中选择出2种可行的方案,不仅有效地消除在三电平模式和两电平模式下副边整流管的电压尖峰,同时保留原有变换器的所有优点。该文分析了引入箝位网络后变换器的工作原理和特点,并进行了实验验证。     

NPP结构新型五电平变换器

针对二极管中性点箝位五电平变换器直流侧串联电容电压平衡困难问题,提出了一种中性点可控(NPP)五电平变换器。该拓扑的每相电路都由两个结构相同的NPP三电平变换器组合而成,与传统的中性点箝位五电平变换器相比,具有模块性强、电容电压平衡容易等优点。首先详细地分析了其基本原理和工作模态,然后介绍了其空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法和电容电压平衡控制算法,最后通过实验验证了电路的可行性和控制算法的正确性。     

二极管箝位型三电平PWM整流器中点电位平衡模糊控制研究

分析了三电平变换器中点电位不平衡的原因,详细地讨论了空间矢量控制方法中不同矢量对中点电位的影响;提出基于控制因子的模糊控制器,用模糊控制策略自适应地改变控制因子的大小,实现三电平二极管箝位型PWM变换器直流侧两电容电压的平衡。这种方法不需要额外的硬件开销,用软件就能实现。最后文中在实验样机上实验,三相三电平电压型PWM整流器实现了高功率因数,结果验证了该平衡控制方法的可行性和有效性。     

基于三电平拓扑的电力电子变压器研究

提出一种改进的基于三电平拓扑的电力电子变压器(PET).输入级、隔离级与输出级结构分别采用二极管箝位式三电平PWM整流器、零电压开关半桥三电平DC/DC变换器和两电平逆变器.与两电平PET相比,可在有效提高输入电压等级的同时降低开关损耗.针对变压器各环节结构特点设计了控制方案,并在配电系统环境下对其进行了建模和仿真.仿...     

多电平变换器的一种参考电压矢量自校正策略

对于多电平变换器而言,常见的电路拓扑结构有二极管箝位型、飞跨电容型、级联H桥型和T型等,这些拓扑都有着较多的开关状态、控制目标和非线性问题,使得PWM调制的参考电压矢量指令出现偏差。本文首先从T型三电平变换器开始,在矢量空间中,总结死区时电压矢量偏差的计算规律,根据相应电压矢量的位置和幅值,得出了一种参考电压矢量指令的自适应校正方法。接着以四电平二极管箝位拓扑和T型五电平拓扑为例,对这一方法的应用进行分析。该方法可抑制器件的死区效应,并解决传统PWM脉冲整形时所出现的脉冲损失或饱和问题。本文通过设定电压误差与开关状态的关系函数,进一步得出这一方法的广义校正通式,实现了参考电压矢量指令的改良。实验结果验证了算法的有效性。     

二极管箝位三电平逆变器空间矢量PWM的仿真

在介绍二极管箝位三电平逆变器空间矢量PWM原理基础上,提出了一种三电平逆变器空间矢量PWM实现方法,并在MATLAB下建立了空间矢量PWM的仿真模型,根据三电平逆变器空间矢量PWM算法给出了二极管箝位三电平逆变器中电容中点电压的控制策略。仿真实验结果证实了所提出的空间矢量PWM方法是可行有效的。     

大功率直驱型风力发电系统拓扑结构对比分析

直接驱动型变速恒频风力发电系统需要采用全功率变流器,对应的大功率变流器单元可以有不同的拓扑结构,根据每种电路拓扑的特点,整个系统的控制方法都有相应的变化.对直驱型变速恒频风力发电系统基本拓扑结构进行了对比分析.比较了二极管箝位型、级联H桥型、飞跨电容型等直驱风力发电拓扑结构的优缺点、技术难点,以及实际应用中存在的问题.对比结果表明:飞跨电容多电平变换器的开关负荷不一致,飞跨电容均压难以实现;级联H桥多电平变换器需要独立电源,成本较高:虽然二极管箝位多电平变换器存在中点电位平衡问题,但可以通过适当的控制解决.因此,低成本、控制简单的二极管箝位三电平PWM整流器成为当前直驱型风力发电整流变换研究的热点.     

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。     

三电平并网变流器中点电压平衡控制技术研究

在将可再生能源转变的电能并入电网的过程中,必须满足单位功率因数、较小的电压开关应力,较小的电流谐波,及高压并网的要求。该文在二极管箝位型三电平并网变流器的双环控制系统基础上,通过有效选择冗余开关状态,解决了三电平变流器固有的中点电压不平衡问题。仿真结果验证了控制方案的正确性和可行性。     

A Sinusoidal PWM Method With Voltage Balancing Capability for Diode-Clamped Five-Level Converters

This paper presents a novel sinusoidal pulsewidth modulation control method with voltage balancing capability for the diode-clamped five-level rectifier/inverter system. A complete analysis of the voltage balance theory is given. The voltage balancing effects of the third harmonic offset injection to all three-phase voltages are discussed. The proposed control utilizes the offset voltage to regulate the average currents flowing into and out of the inner junction without affecting output line-to-line voltage. The voltage balancing was achieved by selecting proper offset voltages for both sides. A five-level experimental system is built up and used to prove the theory.      

三相混合钳位五电平PWM整流器的研究

二极管钳位型多电平PWM整流器由于其诸多优势得到广泛的研究与应用,但直流母线电容电压不均衡问题将其应用一直局限于三电平拓扑。针对这一问题,采用一种混合钳位五电平拓扑应用于PWM整流器,分析该整流器在特有的交替混合PWM调制方式下的电路工作模态,开关电容电路等效电容的计算及适用于该变换器的双环控制算法。实验结果表明,该五电平整流器实现了直流母线电容电压的均衡与稳定,有效抑制了交流侧输入电流的畸变,实现了功率因数校正。     

Modeling and Full Decoupling Control of a Grid-Connected Five-Level Diode-Clamped Converter

This paper presents a novel approach to deal with the regulation of the dc-link capacitor voltages and ac-side currents in a grid-connected five-level diode-clamped converter. Due to the controllability problems of this topology, guaranteeing a solid current control and, mainly, a correct dc-link voltage sharing, represents a complex technical challenge. With the purpose of coping with it, an averaged model that describes the system dynamics at both sides of the converter is presented, assuming that a modulation strategy is integrated in the system to generate the switching sequence. In order to derive the proposed model, no restriction concerning the use of only the three nearest vectors to the desired voltage reference is taken into account. Then, several changes of variables are carried out in the model equations to obtain control input decoupling for control purposes, while reducing the complexity of the model as well. Finally, the voltage and current controllers are designed separately using different control inputs in a straightforward way. Neither auxiliary hardware nor complicated mathematical calculations are required to achieve the control objectives. The effectiveness and good performance of the system under the proposed control approach are validated by simulation results, suggesting that the five-level diode-clamped converter can be a solid solution as an interfacing system connected to the utility grid for, e.g., industrial drives or renewable energy applications.     

二极管箝位型四电平逆变器的中点电压平衡控制方法

二极管箝位型四电平逆变器具有开关器件少、输出电压高、结构紧凑、功率密度高的优点,在中压变频调速领域有很好的应用潜力。针对其母线中点电压平衡问题,提出一种新型载波交叠PWM调制策略,满足伏秒平衡原则。在此基础上进一步提出了一种可平衡母线中点电压的解耦控制方法,将3个母线电容的电压平衡控制分为2个解耦的控制目标:1)上、下母线电容电压的平衡控制;2)中间母线电容电压平衡控制。首先通过零序电压注入的方式实现上、下母线电容电压的平衡控制,其次通过微调PWM脉冲占空比的方式实现母线中间电容的电压平衡控制。研制了一台二极管箝位型四电平逆变器的小功率实验样机并实验证明了该调制策略以及电压平衡控制方法的正确性和有效性。     

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.     

T型H桥级联多电平变换器的改进型脉宽调制策略

针对T型H桥级联变换器的拓扑结构及其调制策略进行分析和研究,提出了基于载波移相脉宽调制(CPS-PWM)的改进型调制策略。以单极倍频CPS-PWM所得的虚拟五电平波形作为T型H桥的输出目标,结合T型H桥变换器输出不同电平时的开关模式,遵循"改变最少个数开关管状态来实现输出电平改变"原则,逆向推导T型H桥变换器的PWM信号,并在此基础上给出基于T型H桥单元级联多电平变换器的调制策略。搭建了基于T型H桥级联的单相静止同步补偿器(STATCOM)样机,分析了T型H桥上、下电容均压策略,最后通过仿真和实验结果验证所提调制策略以及电容均压策略的正确性和可行性。     

三电平矩阵变换器的电路拓扑与控制策略

多电平矩阵变换器(MMC)是在传统矩阵变换器(CMC)和多电平逆变器的基础上提出的一种新颖的电力变换装置,区别于以往将三电平矩阵变换器用两电平运行的调制策略,提出了三电平矩阵变换器的三电平运行调制策略,并可以推广到多电平。介绍了三电平矩阵变换器拓扑电路的生成,分析了构成拓扑电路的H桥开关单元工作状态,并详细地讨论了支路连接操作规律和开关单元操作规律。论述了基于空间矢量调制原理所产生的19个基本空间矢量及其构成的六边形空间矢量图,并提出了三电平运行时的调制策略。构建了Matlab/Simulink的三电平矩阵变换器的仿真模型,进行了仿真试验。仿真结果验证了调制策略的正确性,输出线电压形成5个电平的正弦波形,比传统的二电平矩阵变换器的输出波形更接近正弦波,谐波含量更低。     

三电平空间矢量脉宽调制整流器的简化控制算法

针对二极管箝位型三电平PWM整流器,根据其在同步旋转由坐标系中的数学模型,采用有功、无功电流解耦的双闭环控制策略,并提出一种简化的三电平空间矢量脉宽调制（SVPWM）及中性点平衡控制算法,解决了传统三电平SVPWM算法计算量火,难以实现实时控制以及中性平衡控制复杂的问题。仿真结果表明,摹于简化控制算法的二极管筘位型三电平SVPWM整流器直流电压稳定、功率因数高、交流侧电流谐波含量低、能量双向流动,可广泛应用于高压、大功率整流场合。