内环钳位式新型五电平逆变器系统

在交流电动机调速领域,多电平变换器的应用越来越广泛,在各种多电平拓扑结构中,二极管钳位型多电平拓扑结构在中低压领域的应用最为广泛。但是随着电压等级的升高,开关数量的增加,钳位电容电压的平衡问题也成为该结构突出的难题。本文提出了一种新颖的内环钳位式新型五电平逆变器结构,该结构基于传统的二极管钳位型五电平拓扑结构,在其内环悬浮电容节点上接入一组独立的直流电压源,通过最优控制的算法,实现了五电平拓扑结构中所有钳位电容电压在全负载范围内稳定可控。本文对所提出的五电平拓扑结构进行了仿真及实验研究,仿真和实验结果验证了新方案的可行性。本文提出的方法为二极管钳位型多电平结构解决电容电压平衡问题提供了一个新颖的思路,对该结构的深入研究具有重要的实用意义。     

一种通用的基于预测控制的二极管钳位型变流器载波调制均压策略

直流电容均压控制是二极管钳位型变流器的主要问题。本文以三电平二极管钳位型变流器为例,提出了一种通用的二极管钳位型变流器的载波调制均压策略。该均压策略通过在载波调制器的调制波中注入优化的零序电压来平衡各直流电容的电压。首先,给出了所注入零序电压的通用表达式,分析了零序电压对三电平二极管钳位型变流器中点电位的控制机理;其次,提出了一种基于预测控制的均压算法,计算所需的优化零序电压。仿真和实验结果表明,本文所提均压方法可有效控制三电平二极管钳位型变流器的中点电位,并可方便地扩展到更多电平数的二极管钳位型变流器。     

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。     

二极管钳位型MMC电路的均压控制策略

为解决传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)均压系统中直流电压传感器较多、控制电路复杂的问题,将二极管钳位拓扑应用到MMC中,并提出了适用于该拓扑的电容电压均衡控制方法。该拓扑通过在各子模块电容正极加装钳位二极管,为直流电容提供单向钳位通路,从而实现MMC各桥臂子模块电容电压从上到下依次减小,简化了系统电路及其控制方法。最后,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了11电平二极管钳位型M M C拓扑仿真模型,结果表明该拓扑具有电容电压自排序功能,电容电压均衡效果良好。     

基于多电平变换逆变电路的拓扑分析

多电平变换逆变电路是一种新的、用于“清洁电力电子装置”的变换电路。本文指出实现多电平变换逆变电路的关键问题之一是电平钳位,并以此为依据将现有的多电平电路拓扑结构进行了分类。文中分析了基于“二极管或电容钳位”和“使用独立直流电源钳位”的两类典型多电平路拓扑结构的优缺点,并在现有的“混合单元多电平逆变电路”单元结构基础上提出了一种新的、使用不同电压比的控制方式。     

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。     

三电平ANPC变换器SVPWM优化控制方法

有源中点钳位型拓扑是一种能够克服传统的二极管钳位型和电容钳位型拓扑缺点的新型多电平拓扑。在对三电平有源中点钳位型变换器工作状态进行分析的基础上,对各开关管通态损耗和开关损耗进行了研究;提出一种空间矢量的优化控制算法,该算法在维持了空间矢量调制方法的直流电压利用率高及有效控制中点电压平衡等优点的同时,有效控制了每相开关管的损耗分布平衡,防止了热量的过分堆积,并且降低了传统有源中点钳位变换器算法复杂度,减少对温度采样电路数量的要求;最后搭建了三电平有源中点钳位型变换器仿真和实验平台对控制策略的有效性进行了验证。     

混合钳位型四电平和五电平逆变器拓扑结构和控制策略

为了提高传统二极管钳位和飞跨电容多电平变换器的电平数并减少钳位器件的数量,同时避免五电平有源中点钳位拓扑中开关器件的直接串联,提出一种混合钳位四电平逆变器拓扑及其扩展五电平拓扑结构。为实现悬浮电容和母线中点电压的平衡控制,提出一种改进的载波移相PWM策略,通过微调PWM脉冲占空比实现悬浮电容和母线中间电容的平衡控制。在此基础上为实现上、下母线电容电压的平衡控制,提出一种基于最优零序电压注入的平衡控制策略。研制了一台实验样机并通过实验验证了该拓扑及控制策略的有效性和可行性。     

二极管钳位型多电平有源电力滤波器的仿真

由于功率器件耐压水平的限制,传统的2电平拓扑结构有源电力滤波器(APF)难以实现对高压非线性负载的谐波补偿.文中采用二极管钳位型多电平变换器,提出了其作为APF运行的方案.对该APF进行了理论分析,提出一种基于重复预测型观测器的无差拍控制方案.该方案采用重复预测型观测器,对指令谐波电流进行预测,可在相同的采样频率下提供更精确的谐波电流预测值,因而可以改善整个系统的控制效果.仿真结果表明该APF适用于高电压及大容量谐波补偿.     

SVPWM控制三电平逆变器

引言 工程实际中,待控制能量的规模越来越大,而在该过程中充当主角的功率器件所能承受的关断电压和通态电流能力却受到现有功率半导体器件制作水平的限制,促使人们从逆变拓扑结构方面展开研究以满足实际需要。自1980年日本学者A．Nabae提出三电平中点钳位式结构以来,三电平逆变器的拓扑结构主要发展有二极管钳位式、电容钳位式、单元电路级联式。与二电平逆变器相比,三电平逆变器的主要优点是：（1）器件相对于中间回路直流电压具有2倍的正向阻断能力;（2）同样功率等级的半导体开关器件,输出功率可以提高一倍,开关频率降低50％：（3）三电平拓扑把输出第一组谐波移频带移至二倍开关频率的频带区,提高了谐波频率,减小了滤波器的体积,同样控制方式下,三电平逆变器的输出谐波小。因此,三电平逆变器在高压、大功率领域得到了广泛的应用。     

单相级联多电平H桥整流器有限集模型预测电流控制

本文以基于电力电子变压器的高速列车牵引传动系统中的单相级联多电平H桥整流器为控制对象,以提升系统动态响应速度、减小网侧电流谐波含量为控制目标,提出了一种基于两矢量的有限集模型预测电流控制算法。首先,推导单相级联多电平H桥整流器的α-β静止坐标系下数学模型;然后,基于空间矢量调制思想,对单相级联多电平整流器进行基本电压矢量定义与空间扇区划分;在此基础上,建立包含最小电流误差的目标函数,通过对其求导实时计算出两个矢量的最优占空比,同时为了保证各模块直流侧电容电压的平衡关系,设计了选取冗余矢量的原则。与基于PI的瞬态电流控制算法相比,所提出的模型预测控制算法无需内环PI控制器,显著提高了电流内环的动态响应速度;最后,对所提算法与传统的瞬态电流控制算法进行硬件在环半实物实验对比研究,结果表明了所提算法的可行性与有效性。     

一种二极管箝位级联拓扑在直驱风电系统中的应用研究

随着风电机组单机容量的不断增大,多电平变流器的应用得到了广泛关注。采用的二极管箝住五电平级联H桥拓扑,结合了二极管箝位型多电平和级联H桥多电平的优势,需要较少的箝位二极管和独立直流电源,即可进一步提高输出电压等级,使用移相变压器和12脉波整流器作为输入电路,对其在使用多相永磁同步发电机的直驱风电系统中的应用进行了初步探索。基于拓扑提出了消谐波SPWM和载波相移SPWM相结合的调制方法,能够方便地对二极管箝位级联拓扑进行控制,可以进一步提高等效载波频率,降低器件损耗和滤波器体积。仿真和实验结果证实了所采用的拓扑及其控制方法的有效性。     

基于高频隔离的负序级联式补偿电路拓扑

提出了一种可以级联应用于高压场合的负序电流补偿电路拓扑。此电路通过内部相互耦合的高频隔离变压器进行负序能量交换,实现了对于三相四线制或者三相三线制中不平衡电流的补偿。这种拓扑克服了传统按照星型连接的电压型H桥级联构成的APF应用于高压系统中无法进行负序电流补偿的缺点,实现了相间能量交换,并且能够在单级和多级级联后均可进行无功,谐波和负序电流的补偿。系统通过三绕组变压器降低了直流侧电容电压的二次脉动,减小了所需电容量。文章通过对两级级联系统的仿真,证实了电路拓扑的可行性,所构建的小功率实验平台进一步验证了所提出方案的有效性。     

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。     

基于级联H桥换流器的APF-STATCOM的控制与调制

有源滤波器(APF)和静止同步补偿器(STATCOM)在电力系统应用中都是独立开来,分别进行谐波抑制和无功补偿。将APF和STATCOM功能结合起来,以级联H桥换流器构成APF-STATCOM装置,同时实现无功补偿和谐波抑制。在分析级联H桥APF-STATCOM拓扑及其工作原理的基础上,提出了一种简单有效的控制策略;针对级联H桥换流器各子模块间的电容电压均衡问题,采用最近电平逼近调制(NLM)并提出了一种适用于级联H桥换流器的电容电压均衡控制策略。利用PSCAD/EMTDC对36级联H桥APF-STATCOM进行了建模仿真,结果验证了该控制策略和电容电压均衡控制策略的可行性和有效性,并表明所提出的电容电压均衡策略能有效避免H桥模块IGBT不必要的频繁开关,减少器件的开关频率。     

一种新型模块化多电平换流器电平数倍增方法研究

文章提出了一种新型的模块化多电平换流器拓扑结构。在传统模块化多电平拓扑结构的基础上,用3个新的子模块替换掉原桥臂上的一个常规子模块,新子模块电容值为常规子模块电容的2倍。并且提出了相应的控制策略,新子模块电容电压为传统子模块电容电压的一半,可以将桥臂电压的电平数由N+1提高至2N+1。并在此基础上采用改进型最近电平调制策略,最终将交流侧相电压电平等级提高至4N+1。同时在MATLAB/Simulink环境下,根据提出的拓扑结构和控制策略搭建了系统仿真模型。仿真结果表明,该方法在子模块较多的情况下能有效降低硬件成本、提高供电质量。     

Research on high voltage DC transmission system optimal control based on MMC

In high voltage direct current (HVDC) transmission system, modular multilevel converter (MMC) is not satisfactory to maintain the balance of the capacitor voltage and doesn’t have the DC side fault ride-through capability. This paper presents that the MMC bridge arm consisting of half bridge module and clamping double sub module in series can reduce the loss of steady state operation and the amount of components. The repetitive predictive control is proposed to suppress the circulation current and balance the capacitor voltage based on the topology of MMC. A related model is built in the PASAD/EMTDC software environment and a repetitive predictive control strategy is developed. The simulation results show that the proposed system not only has the DC side fault ride-through capability, but also carries out the capacitor voltage balancing task and minimizes the circulating currents.     

Research on Combined Multilevel Converter Topologies

提出了以减少多电平变换器中筘位器件的数量为目的的拓扑生成原则,并基于该原则,研究了适用于中压场合的2类新型多电平拓扑。其中一类是通过组合传统的二极管箝位型或飞跨电容型拓扑与两电平桥臂得到的组合型拓扑;另一类是飞跨电容型拓扑的新型组合策略,它考虑了开关管数量和电容电压平衡之间的折衷。这2类新型拓扑都能以较少的器件输出较多的电平数,因此提高了系统可靠性,降低了成本。但是这2类拓扑的缺点是,某些器件需要承受大于1倍的单个电平电压,所以它们更适合于中压高性能的应用场合。仿真和实验结果验证了新型拓扑的有效性。     

Modular-structured resonant converter for multilevel converters in micro grids

In this work, an isolated modular resonant circuit with effective voltage regulation is presented as front-end for multilevel inverter system to interface renewable sources of energy with micro grid. Inputs of each module of the converter are connected to low-voltage DC sources. Modular-structured module outputs may be linked in sequence or parallel to attain the desired DC link capacitor voltage for multilevel inverter. The proposed converter overcomes imbalance in the capacitor voltage of diode-clamped inverter structure. Interleaved phase shift of 90° is supplied among the gate pulses of all four modules that minimizes the input-side current ripples. An effective zero voltage switching (ZVS) is achieved over wide load range using duty cycle and frequency-duty cycle double control method to improve system performance at light load condition. Adopting powder core magnetics and low forward voltage insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) reduces magnetic and conduction loss. A 12-kW prototype of the designed modular resonant converter was verified by experimentation with a different-level diode-clamped inverter structures.