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.     

高压大容量五电平变换器在RPC中的应用

针对电气化铁道电能质量存在的负序、谐波和无功问题,借鉴日本模式,提出了基于新型YNvd平衡变压器的电铁功率调节器RPC(railway static power conditioner)。为了适应牵引负荷高电压、大容量的需求,RPC主要由2个背靠背的单相二极管箝位型五电平电压源变流器构成,可以实现有功平衡、无功补偿和谐波抑制,使得牵引供电系统相对电力系统而言是一个三相对称纯阻性网络。此外还采用一种新颖的辅助稳压电路来解决二极管箝位多电平结构固有的直流侧电容均压问题。最后用Matlab/Simulink仿真验证了该方案的可行性。     

五电平逆变器直流侧电容电压的平衡与控制

多电平逆变器能产生多阶梯、低失真电压波形，特别适合于大功率高电压场合．而二极管箝位式多电平逆变器(DCMLI)因无需独立的直流电源来维持每级电压而备受人们青睐。然而，该逆变器存在直流侧电容电压的不平衡问题，因而还未能在有功功率变换中得到广泛应用。针对这一问题，本文提出一种电容电压动态平衡控制算法。该算法基于空间矢量脉宽调制法(SVPWM)，通过选取合适的冗余开关状态，控制电容电流，从而达到控制电容电压的平衡目的。仿真验证了该算法的有效性。     

三电平PWM整流器用于直驱风力发电系统

直驱型风力发电系统的风力发电机需要通过大功率交直交变流器即全功率变流器将风力发电机直接并网,而开关器件水平无法满足全功率变流器的要求,因此研究了二极管箝位三电平PWM整流器在直驱型风力发电系统中的应用。针对这一拓扑和直驱型风力发电系统的特点,采用基于PWM整流器模型的跟踪指令电压矢量的空间矢量脉宽调制(SVPWM)电流控制策略,使用龙格库塔解析法和Matlab仿真了负载从半载到满载变化时,三电平整流器直流电压的动态响应波形,交流侧电压、电流的变化趋势以及d-q坐标系下有功、无功电流分量跟随参考量变化的波形等。结果表明,该PWM整流器可有效抑制注入电网的谐波,减小交流侧的电流波形畸变;在负载突变时保持直流电压恒定,输出有功、无功可调且动态跟随性能较好。三电平PWM整流器作为全功率变流器的整流部分适合于直驱型风力发电系统的应用。     

二极管钳位型五电平逆变器高调制比高功率因数改进的均压方法

多电平变换器以其优良的性能而被广泛研究,其中二极管钳位型多电平存在直流侧电容电压不均衡的问题。二极管钳位型五电平(five-level diode-clamped converter,5L-DCC)基于目标函数优化最近三矢量空间矢量调制(space vector modulation,SVM)均压算法受调制比和功率因数影响,调制比小于0.5(简称低调制比)时可以实现全功率因数范围均压,而调制比大于0.5(简称高调制比)时,调制比越大,功率因数越低。提出一种5L-DCC高调制比高功率因数改进的矢量分解SVM调制均压方法,算法利用内六边形6个有效矢量4种冗余状态对电容电压的调节能力,解决了5L-DCC高调制比电压平衡受功率因数限制的问题。仿真与实验表明,改进的矢量分解SVM均压方法具有良好的均压能力。     

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。     

低调制度下二极管箝位型多电平 逆变器新型PWM控制方法

二极管箝位型多电平逆变器作为一种应用于高压大功率变换场合的变换器,其PWM控制技术是研究的核心内容之一。本文针对已有载波PWM方法中低调制度下电平退化的问题,提出了一种新颖的载波PWM方法,既便是在低调制度下,所有的电平都能够得到应用。仿真结果表明,这种方法可以提高二极管箝位型逆变器在低调制度下的器件利用率,使得逆变器在低调制度下工作于较高频率。     

基于TMS320F240的三电平逆变器SVPWM实现

在两电平的常规空间矢量PWM算法的基础上，给出了三电平空间矢量PWM算法，并提出一种改进的三电平空间矢量PWM调制策略来进行二极管钳位型三电平逆变器的控制，从而实现最小开关损耗。基于TMS320F240 USP实现了三电平逆变系统的数字控制，实验结果论证了该方案的可行性。     

二极管箝位式五电平变换器直流侧电容电压的控制

多电平逆变器能产生多阶梯、低失真电压波形，特别适合于大功率高电压场合。在多电平逆变器中，二极管箝位式由于具有不需要独立的直流电源、控制简单等优点倍受青睐。然而由于它存在直流侧电容电压不平衡问题，因而还未能够在有功功率变换中得到广泛应用。针对这一问题，文献中曾有研究，但牺牲了电平数（当输出电压较大时）。本文将逆变器和整流器结合使用，利用整流器和逆变器对直流侧电容共同作用，既控制了电容电压平衡，又增加了电平数，使谐波受到一定程度的抑制。文中采用MATLAB仿真验证了该方法的有效性。     

单相二极管箝位三电平逆变器死区时间补偿技术

针对调制过程中的死区时间导致逆变器输出电压和电流畸变、谐波含量增加等问题,提出一种简单可行的死区时间补偿策略。该策略在传统调制方法的"调制信号"与"死区时间处理"之间增加"死区时间补偿"。以单相二极管箝位三电平逆变器为对象,分析死区时间对桥臂输出电平的影响,根据桥臂电流方向选择延迟开关器件驱动信号的上升沿或下降沿来对死区时间进行合理补偿。相比于传统基于特定调制方式的死区时间补偿技术,该补偿策略简便易行并且与调制方式独立,能够灵活应用于各种不同的调制方式。在MATLAB/Simulink平台上建立仿真模型对该补偿策略进行仿真验证,并设计了基于可编程逻辑器件的死区时间补偿控制核心,搭建物理实验平台进行实验验证。仿真和实验结果验证了所提策略的有效性。