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。     

单相级联H桥APF载波相移梯形波脉宽调制与电容电压平衡控制方法

针对电气化铁路谐波污染的电能质量问题,将载波相移梯形波脉宽调制CPS-TPWM(carrier phase-shifted trapezoidal wave pulse width modulation)策略引入到单相级联H桥多电平有源电力滤波器APF(active power filter)中,同时在单相级联多电平有源电力滤波器直流侧电容电压控制上采用内外层控制策略,以提高直流侧电压的均衡性和稳定性。结合数学分析,搭建3个单元模块的单相级联H桥多电平APF主电路和控制系统进行仿真验证。结果表明:所提方法能够有效抑制电气化铁路中的谐波电流,并且能提高各单元模块直流侧电容电压的稳定性和均衡性。     

基于开关电容的单电源升压型多电平逆变器

通过开关电容技术与非对称级联H桥的有机结合,提出一种具有升压能力的单电源多电平逆变器。分别在两个级联H桥的直流侧嵌入1个低压和1个高压开关电容单元,该逆变器使用4个电容器便可产生17种电平输出。在2个级联H桥之间添加一个双向开关,实现了两个开关电容单元同时由一个直流电源供电。由于输出电平数多,该逆变器在低频调制下便可减少输出电压的谐波含量和系统的开关损耗。此外,电容器在1个输出电压周期内多次被直流电源充电,使其电压自动实现平衡。文中采用最近电平逼近法对该逆变器进行调制,并对输出电压谐波和电容电压纹波进行详细分析,最后通过实验验证该逆变电路的可行性和理论分析的正确性。     

H桥级联型APF直流侧电压平衡三级控制

H桥级联型有源电力滤波器能够稳定工作的前提是各个直流侧电容电压均衡。由于各H桥单元的差异等原因,直流侧电压的不平衡不仅影响APF的谐波电流补偿效果,而且影响其安全运行。针对级联APF与电网之间的功率交换模型和补偿谐波电流的特征,通过控制APF输出五次零序电压来实现三相之间电压均衡、输出基波正序有功电流实现全局稳压。通过在相内每个H桥交流侧叠加有功电压矢量实现相内电压均衡,最终实现每一个直流母线电压的均衡稳定。同时H桥级联APF补偿谐波电流,降低网侧电流畸变率,低压环境下的仿真和实验结果验证了控制策略的有效性,为级联APF向更高电压等级场合的应用提供了基础。     

单相H桥级联型APF模型预测控制方法研究

针对单相H桥级联型有源电力滤波器(active power filter,APF),提出一种基于模型预测控制的单目标预测控制法。通过建立电流跟踪误差的指标函数,将输出电平作为控制变量,选取使指标函数值最小的输出电平,实现对参考电流的跟踪。结合改进的电压排序法,采用子模块电容电压的改进平衡控制策略,实现子模块电容电压平衡,并降低了器件的平均开关频率。对输出电流模型预测控制的稳态误差进行理论分析,探索了系统参数与系统补偿性能的关系。与传统控制方法相比,该方法无需考虑复杂的参数整定与权重系数设计,且具有计算量少与易于数字化实现等优点。搭建了H桥级联型APF仿真平台,仿真结果表明,APF系统可快速补偿中压大容量系统中的谐波电流,具有优越的动、静态性能。     

CPS-SPWM级联H桥APF直流侧电容设计

基于载波移相SPWM(CPS-SPWM)级联H桥的有源电力滤波器(APF)直流侧电容是其正常运行所必需的能量储存设备,该电容大小直接影响APF的谐波及无功补偿效果。这里在级联H桥APF主电路结构及CPSSPWM策略的基础上,建立单个H桥变流器的数学模型,结合开关函数的计算方法,通过分析调制信号、直流侧和交流侧电流三者之间的关系,从理论上推导出直流侧电流和电容电压在稳态下的数学表达式。由电容电压稳态时的脉动要求和直流侧电压控制的动态性能指标,给出直流侧电容参数的设计方法。最后,仿真和实验验证了该方法的可行性和有效性。     

一种高动态性能的级联型有源电力滤波器

基于级联H桥多电平拓扑的有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)的研究越来越广泛。本文针对级联型APF系统的动态性能进行了研究。首先分析了电网电流反馈控制动态响应慢的原因和理想情况时的动态响应,在此基础上提出了一种提高系统动态性能的方法,该方法的特点是:稳态时,系统的控制策略为电网电流反馈控制,负载突变时,系统采用复合控制策略。文中进一步详细阐述了其实现方法,并对级联APF直流侧电容电压均衡控制的原理及其硬件实现进行了描述。仿真和实验结果表明,采用该方法的级联APF具有较高的稳态和动态补偿性能。     

悬浮电容混合级联式多电平逆变器的研究

在传统的级联式多电平变换器的基础上提出了一种混合主从级联式变换器。该变换器由一个传统的非对称三电平H桥和一个对称的H桥级联构成。非对称H桥作为主变流单元由直流电源直接供电;而对称的H桥作为从变流单元由一个悬浮电容提供能量。与传统的级联多电平变流器相比,在输出相同电平的情况下需要较少的器件。文中详细分析了该拓扑的工作原理和悬浮电容电压平衡的方法,并在Matlab/Simulink中进行了仿真分析。最后制作了一台实验装置,并通过现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）对该实验装置实现了实时控制,通过仿真和实验结果的对比,验证了理论分析的正确性。     

用于配电网故障消弧的级联H桥多电平变换器设计及仿真

将级联H桥多电平变换器用于配电网单相接地故障的消弧,不仅能够满足配电网高电压大功率的要求,同时其良好的输出波形特性能够满足故障电流全补偿的要求。本文对该变换器进行设计,确定主电路参数,选择合适的控制策略并对其进行建模,同时采用悬浮电容为级联H桥多电平变换器提供直流电压,因此设计直流侧电容电压稳定电路,最后通过PSCAD/EMTDC对设计结果进行仿真验证。     

载波调换调制技术在级联多电平SAPF中的应用

电容电压不平衡是影响级联H桥多电平并联有源电力滤波器(SAPF)安全可靠运行的关键问题。通过分析载波相移调制技术(CPS-SPWM)对直流侧电容电压的影响,提出了一种基于控制直流侧电容电压平衡的载波调换调制技术,确立了双电压环与电流环结合的三闭环SAPF控制策略。这种调制方式算法简单、易实现,能在较小开关频率下实现较好的补偿效果的同时,有效地解决级联H桥多电平SAPF直流侧电压平衡问题。仿真和实验证明,该载波调换调制技术是有效、实用的,能对直流侧电容电压平衡起到良好的控制效果。     

基于级联多电平的有源滤波器直流侧电压平衡控制

为了减小电网中非线性负载带来的谐波电流对电网质量的影响,针对基于H桥的有源滤波器装置中直流电容电压问题,提出一种新的控制方法。将控制模块分成模块均值电压控制器和直流母线电压控制器两个部分,通过调节每个H桥之间的有功功率交换和有源滤波器同电网间有功功率的交换来实现直流电容电压的平衡控制。利用该方法对八个单元H桥级联的并联型有源滤波装置进行Matlab/Simulink仿真,并基于FPGA+DSP实验平台搭建了三单元H桥级联样机。仿真和实验结果表明,基于级联多电平的有源滤波器直流侧电压平衡控制方法是有效和实用的。     

负载不对称H桥级联APF直流电压平衡控制

H桥级联型有源电力滤波器(APF)在高压场合的谐波处理方面具有广阔的应用前景。三相三线制系统下负载不对称时,APF输出的基波电压和电流产生不同的有功分量分配至三相,再加上H桥各个模块的差异等原因,导致直流侧电压不均衡,影响APF的正常运行。通过对级联APF功率模型的推导,控制APF输出基波正序有功电流稳定全局电压、输出基波负序电流实现三相之间电压均衡。在全局稳压和相间均压条件下,控制各H桥交流侧输出补偿有功电压矢量实现相内电压均衡,最终将每个H桥直流电压维持在给定值附近,同时APF补偿谐波电流,降低网侧电流THD。在低压条件下的仿真和实验结果验证了所用方法的可行性,为级联APF向更高电压等级场合的应用提供了基础。     

井下1140V链式静止同步补偿器系统的设计研究

基于链节H桥单元模块,将多电平调制技术应用于链式静止同步补偿器（ STATCOM ）系统中,并对H桥模块关键参数进行分析与设计。同时,结合反馈解耦控制理论与APF控制技术,研究一种适合于煤矿井下无功和谐波综合电流质量补偿系统,对井下电网电能质量进行优化。最后,搭建1140V 链式STATCOM试验平台,实验证明STATCOM装置能够实现无功和谐波的综合补偿,补偿效果较好。     

DC–AC Cascaded H-Bridge Multilevel Boost Inverter With No Inductors for Electric/Hybrid Electric Vehicle Applications

This paper presents a cascaded H-bridge multilevel boost inverter for electric vehicle (EV) and hybrid EV (HEV) applications implemented without the use of inductors. Currently available power inverter systems for HEVs use a dc–dc boost converter to boost the battery voltage for a traditional three-phase inverter. The present HEV traction drive inverters have low power density, are expensive, and have low efficiency because they need a bulky inductor. A cascaded H-bridge multilevel boost inverter design for EV and HEV applications implemented without the use of inductors is proposed in this paper. Traditionally, each H-bridge needs a dc power supply. The proposed design uses a standard three-leg inverter (one leg for each phase) and an H-bridge in series with each inverter leg which uses a capacitor as the dc power source. A fundamental switching scheme is used to do modulation control and to produce a five-level phase voltage. Experiments show that the proposed dc–ac cascaded H-bridge multilevel boost inverter can output a boosted ac voltage without the use of inductors.      

4象限H桥功率单元PWM整流器的比例-积分-谐振控制

4象限H桥级联型多电平变换器的功率单元中,由于单相H桥逆变器的输出功率中含有2倍于输出电压频率的脉动分量,如果输入级的PWM整流器采用传统的控制策略,直流母线电压也将会含有该频率的脉动。在PWM整流器电压定向控制中,使用比例-积分-谐振(PIR)调节器控制电压环和电流环,抑制了直流母线电压的脉动,在小功率平台上的实验证明了该控制策略的有效性。     

含电容单元的级联H桥七电平调制策略

针对传统三单元级联H桥直流电源电压利用率较低的问题,采用电容替代其中利用率较低的直流电源,构成含电容单元的级联H桥逆变器。围绕该型逆变器的调制策略及电容选择等问题,在载波层叠式脉宽调制策略的基础上,利用冗余开关状态改进现有调制策略。通过采集电容电压和输出电流,切换调制模式实现电容充放电控制。分析电容电荷量在不同调制度下的变化,得到电容电压稳定到参考值所需要满足的条件。考虑到电容纹波电压不超过参考值10%的要求,并结合最大连续放电区间,计算出最小参考电容,使逆变器达到最优配置。通过仿真和实验证明了新型调制策略可对电容充电并具有良好的稳压效果。     

三相级联H桥型电力电子变压器电容值设计方法

针对三相级联H桥型电力电子变压器(PET),分析了输入侧瞬时功率波动特性,建立了其直流侧电容电压及中间级高频变压器原、副边电流的时域解析模型,并基于该模型提出一种PET电容值设计方法。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建三相级联H桥型PET仿真模型,并在功率模块测试平台进行实验验证。仿真及实验结果表明该解析模型可以准确地描述电容电压及变压器高频电流的波动特性,进而为主电路参数设计与控制系统设计提供研究基础。