模块化多电平矩阵变换器电容电压纹波稳态分析

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrixconverters,M3C)是一种新型的基于级联H桥的直接交-交变换器拓扑结构,可用中/高压功率频率变换场合,但其应用范围受H桥子模块直流侧电容纹波电压的限制。从能量守恒角度研究M3C子模块电容电压的一般性波动规律,导出稳态条件下电容纹波电压与M3C输入/出频率、功率因数、电压比值等参量之间的定量关系。对各参量对纹波电压的影响程度进行理论分析并得出下列结论:电容纹波电压中一般含有输入/输出频率的二倍频、差频及和频4种频率成分,在几种特例中仅包含3种频率成分;电容纹波电压幅值对输入/输出频率比值变化非常敏感,当输入和输出频率彼此接近或一个趋近于零时,纹波电压幅值会逐渐变得很大,导致M3C无法正常工作。仿真计算验证了理论分析的正确性。     

模块化多电平矩阵变换器低频控制方法

模块化多电平矩阵变换器(MMMC)在低频甚至零频率运行时,低频纹波电压与输出频率成反比,导致模块电容电压波动过大而影响MMMC安全运行。为解决该问题,提出一种MMMC低频控制方法。该方法外环采用层次化电容电压平衡控制,并基于能量交换规律将输出二倍频纹波电压当做有用成分,与电容电压直流分量共同参与平衡控制,最后,通过复合控制器实现MMMC相间平衡和低频纹波抑制的双重控制;内环采用各桥臂电流独立控制,避免了复杂的解耦变换和内部环流产生。该方法适用于输出零频率的特例工况。通过半实物实验验证了所提控制方案的可行性、有效性以及优良的动静态特性。     

十七电平变换器无悬浮电容电压传感器控制

针对非隔离十七电平变换器悬浮电容电压采样电路设计复杂、传感器体积大,硬件成本高等问题,提出了一种改进型无悬浮电容电压传感器控制方法。首先,对十七电平变换器的拓扑结构及工作原理进行了详细分析,并给出了十七电平单载波脉宽调制(PWM)策略的实现方式。然后,通过实时采样输出相电压与母线电容电压,提出了一种悬浮电容电压估算算法,从而实现了无悬浮电容电压传感器的控制。最后,通过仿真与实验验证了所提方法的正确性和有效性。     

扩展模块化多电平矩阵变换器低频运行范围的控制方法

模块化多电平矩阵变换器(M~3C)电容电压各频率纹波幅值与对应频率成反比。当M~3C低频率连续运行至输出/输入频率比接近1/3时,差频(输入频率与输出三倍频之差)电容电压波动幅值趋于无穷大,导致M~3C难以正常运行,也阻断了输出二倍频纹波电压的连续抑制。提出一种基于电容电压分层解耦控制和桥臂电流独立控制的M~3C控制方案,电压外环通过直接反馈控制输出相间的输出二倍频纹波电压(或瞬时功率),并闭环实现电流指令重构,消除了1/3频率比及其附近的不连续工作点,提高了M~3C低频率连续运行的频率范围。最后通过半实物实验验证了该方法的有效性。     

模块化多电平矩阵变换器输入输出频率相近时低频运行控制策略

提出了一种模块化多电平矩阵变换器(M3C)输入输出频率相近时的低频运行控制策略。方案采用桥臂电流反馈控制,实现输入输出侧电流和内部环流的三重控制,并约束内部环流不影响输入输出侧;电压外环采用层次化电容电压控制策略,包括M3C总电容电压控制、输入输出侧相间平衡控制以及桥臂间平衡控制,其中桥臂间平衡控制通过叠加高频环流及零序电压实现,并引入PR控制器实现差频纹波的闭环抑制。该方案适用于输入输出侧频率相同的特例工况。通过OPAL-Rtlab半实物实验验证了该方案的可行性和有效性,以及优良的动静态特性。     

新型模块化多电平变换器电容电压波动规律及抑制方法

模块化多电平变换器以其结构模块化、不需要变压器以及易于扩展到高电平等优点,成为近年来研究的热点.本文针对一种新型的模块化多电平变换器拓扑研究了其悬浮电容电压波动规律.首先从半桥臂的输出功率入手,分析了其功率脉动和一个周期内的能量变化,给出了电容电压波动幅值表达式.针对电容电压在低频下波动较大的问题,提出了一种电容电压波...     

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。     

新型模块化多电平DC-DC变换器拓扑及其工作机理分析

针对目前模块化多电平DC-DC变换器拓扑结构及其主要采用的交流平衡控制方法所带来的问题,基于直流控制思想,提出了一种新型模块化多电平DC-DC变换器拓扑。通过重构一种全桥子模块结构,每个子模块电容同时包含两条充放电路径,相邻子模块间通过形成局部的并联支路实现电容间电能传递和电容电压自平衡,避免了子模块电容在单向直流电能变换导致的电压失衡。通过对变换器的平衡机理及其基本工作原理分析、仿真实验验证,结果表明所提出的变换器在直流控制方式下能够稳定运行,子模块电容电压具有自平衡能力,变换器电压变比范围大,具有适用于不同应用场合直流输配电的应用潜力。     

模块化多电平变换器模型预测控制

模块化多电平变换器以其优越的性能在中高压大功率电能变换场合得到了广泛的研究和应用。推导了模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的离散状态方程,针对MMC多输入多输出的非线性特性,提出一种基于有限控制集合的简化模型预测控制,可以有效减少模型预测控制所需的循环计算和预测值计算次数。所提模型预测控制由最优输出电平求解和电容电压平衡控制两部分组成。首先求取满足交流电流和环流控制要求的桥臂输出电压电平,并以此电平及其邻近的电平为有限控制集合,考虑上下桥臂电容电压之和与之差的控制,求得桥臂输出电平最优解;电容电压平衡控制则由电压预测值排序法实现,用电压增量表示附加的开关动作,修正电容电压预测值后再进行排序,实现电压平衡控制并降低平均开关频率。在PSCAD/EMTDC中搭建MMC时域仿真模型,仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

采用多绕组高频变压器的新型多电平变换器拓扑及控制策略

提出了一种新型的采用多绕组高频变压器的多电平变换器拓扑。高频变压器与传统的工频变压器相比,在实现隔离的同时可以减小体积和重量。该变换器可以直接实现高压交流-高压交流的变换,也可以实现高压交流-多个低压交流或者直流的变换。通过电路拓扑的改变可以很容易改变输入和输出的电压等级,以适应不同的应用需求。变压器的各个绕组可以通过共同的磁场来实现功率和电压的平衡,不需要额外的功率和电压平衡算法。根据需要,变换器输出可以接不同功率、不同电压等级的负载,应用灵活、容易实现故障冗余。该新型电路拓扑模块化好,控制策略简单,具有很好的应用前景。仿真和实验结果验证了该拓扑及控制策略的可行性。     

悬浮式电容空间用三电平直流变换器拓扑研究

提出一种基于悬浮式电容空间用三电平直流变换器的拓扑,通过增加开关器件和电容箝位功能,降低了开关器件电压应力,有利于变换器工作在更高电压等级。同时给出DC/DC变换器升压和降压工作原理,实现了能量双向流动,并在此基础上完成了悬浮电容电压平衡控制策略,保证了输出电压稳定工作的同时箝位电容电压维持不变。最后搭建了悬浮电容DC/DC变换器实验平台,验证了拓扑的正确性和控制策略的有效性。     

基于载波移相控制的单元串联多电平变频器的分析研究

简单介绍单元串联多电平变频器的拓扑结构和载波移相控制的工作原理,提出了3种不同的方法生成H桥功率模块的PWM开关信号,并分析在各个控制方式下输出电压波形和谐波成分的不同。使用MATLAB软件进行系统仿真,分析在调制比M降低时对输出相电压、线电压和电流的影响,以及谐波含量和谐波总畸变率(THD)的变化。     

具有高传输比的矩阵变换器结构研究

矩阵式交-交变频器具有无中间直流环节,可以任意调频,能量双向流动的诸多优点。但目前的矩阵变换器电压传输比多数只能达到0.866,限制了实用化进程。该文设计的泵式矩阵变换器结构,可以任意调节矩阵式变换器的传输比,从机理上解决了矩阵式变换器的传输比低的问题。     

A New Cascaded Multi-level Inverter Topology with Reduced Number of Components and Charge Balance Control Methods Capabilities

In this article, a new basic unit for cascaded multi-level inverter is proposed. This inverter is able to increase the number of output voltage levels and reduces the number of power electronic devices. To generate all voltage levels at the output, five different algorithms to determine the magnitude of DC voltage sources are suggested. This inverter is compared with conventional cascaded multi-level inverters. The comparisons show that the proposed topology needs fewer DC voltage sources and power switches, less variety of the magnitude of DC voltage sources, and smaller amounts of blocked voltage by switches. As a result, the installation space and total cost of the inverter decrease. As it is impossible to use charge balance control methods for the asymmetric cascaded multi-level inverters, the developed topology based on the proposed cascaded inverter–the sub-symmetric topology with the usability of charge balance control methods–is proposed. A new algorithm is proposed to determine the magnitude of DC voltage sources. In addition, full-wave and half-wave charge balance control methods are applied in the proposed developed topology. The accurate performance of the proposed topology by applying charge balance control methods is verified through the simulation and experimental results of an 81-level sub-symmetric inverter.     

矩阵式变换器的控制系统研究

在研究双电压控制策略和四步换流策略基础上,提出了改进的双电压控制策略和变步长四步换流策略,以方便、可靠地实现控制策略并改善输出质量.改进的控制策略简化了开关组合,减少了系统计算量;变步长的换流策略既充分保证了可靠性,也减少了换流时间.这里详细介绍了双电压控制算法的推导过程,针对其存在的窄脉冲问题给出了分析过程和处理方法...     

多电平Buck变换器的解耦控制与闭环设计

多电平直流变换器利用飞跨电容使得输入电压在串连的各开关管之间均分，以降低开关管的电压应力。但该变换器是一个多输入多输出，强耦合的非线性系统。该文建立了多电平Buck变换器的小信号模型，并采用一种新提出的控制方法将该变换器解耦成多个单输入单输出系统，然后进行控制闭环的设计。论文采用三电平Buck变换器进行了实验验证。实验结果表明，所建立的小信号模型是正确的，基于该模型设计的补偿网络可以使变换器具有较快的动态响应。实验结果也表明输出电压闭环和飞跨电容电压闭环是相互解耦的。     

Line-to-line Voltage Space Vector Modulation for Neutral-point Clamped Multi-level Converter with DC-link Capacitor Voltage Balancing Using Redundant Vectors

This article presents space vector modulation of line-to-line voltage for the three-phase neutral-point clamped n-level converter with DC-link capacitor voltage balancing using redundant vectors. The developed modulation strategy is based on an equivalent matrix structure of the neutral-point clamped n-level converter. The relation between the 3 × (n – 1) switching functions of the matrix converter and gate signals of transistors of the neutral-point clamped n-level converter is given. A line-to-line space vector modulation strategy for a matrix inverter is used to obtain the switching function. For one switching function, there is more than one combination to produce each output voltage. Thus, redundancies of different switch configurations for generation of intermediate voltages are used to limit the deviation of capacitor voltages. The gate signals of the neutral-point clamped n-level converter can be calculated by inversing the modeling parts. Here, line-to-line voltage space vector modulation for a neutral-point clamped n-level converter is designed without using a Parks transform. Moreover, n × (n – 1) redundant vectors are used for DC bus voltage balancing. To highlight the performances of the developed modulation strategy, simulation results are given for five- and seven-level neutral-point clamped converters. Experimental results are given for a neutral-point clamped three-level converter.     

一种新颖的双桥矩阵变换器控制策略

矩阵变换器是一种AC/AC变换器,它具有正弦输入电流、正弦输出电压、能量双向流动及体积小的优点,但存在着控制方法复杂,开关器件和保护元器件太多的问题.近年来提出的双桥矩阵变换器具有矩阵变换器的优点,同时其控制方法更简单,所用开关元件数目更少.论述了双桥矩阵变换器的原理,讨论了变换器的PWM控制策略以及基于线电压符号的换流方法,提出了整流级、逆变级单独控制,整流级开关频率为10kHz、逆变级开关频率为2kHz的新颖双桥矩阵变换器方案,给出了仿真和实验结果.     

一种优化的抑制矩阵变换器共模电压控制策略

分析了共模电压和过电压脉冲的产生机理,针对输出线电压上的过电压脉冲问题对矩阵变换器(MC)传统的减少共模电压的调制策略进行了优化,通过调整4个有效矢量的占空比实现减少共模电压的同时也有效消除输出线电压上过电压脉冲。实验验证了优化后的空间矢量控制策略的有效性和可行性。