单相中点箝位开关电容多电平逆变器及其控制

提出一种单相电压源中点箝位开关电容多电平逆变器,该逆变器利用直流母线箝位电容对电源电压进行分割,通过控制电源与电容的串并联实现逆变器多电平输出,并且可以通过扩展进一步提高逆变器的输出电平数量和电压增益。为实现电容的电压平衡,同时降低其电压纹波,逆变器的调制过程考虑了开关的冗余状态,且开关管之间互补工作,调制策略简单。对所提逆变器的工作原理、调制策略、电容电压及相关参数进行了详细分析,并给出了拓扑结构的扩展方法。最后,分别通过仿真和实验,对所提逆变器的稳态性能和动态性能进行了验证。     

多电平逆变器通用电容电压平衡优化算法

针对二极管箝位型多电平逆变器电容电压难以控制的问题,分析了一种简单的多电平逆变器等效模型,用于预测结点电压偏差,提出了一种多电平逆变器电容电压平衡优化SVPWM(space vector pulse width modulation)算法。该算法通过预测不同开关状态下直流侧结点电压偏差,建立目标函数并对其寻优,在每个开关周期选取最优的开关组合达到结点电压平衡。理论分析和试验结果表明,该算法适用于任意电平逆变器电容电压平衡的控制,解决了三电平逆变器电容电压平衡的问题,但在三电平以上的逆变器受调制度限制。针对三电平以上高调制度下电容电压失衡的原因进行了分析,并给出了解决方法。仿真和实验验证了算法的正确性。     

一种Buck型高频隔离三电平逆变器

针对传统Buck型高频隔离两电平逆变器在高压大功率场合中开关管电压应力大的不足,研究并设计了一种Buck型高频隔离三电平逆变器。该Buck型三电平逆变器电路拓扑具有功率开关管电压应力小,输出交流电压波形质量好,谐波含量少等特点。在提出逆变器拓扑的基础上,对其工作原理进行了详细的叙述,并设计了基于电压瞬时值反馈的闭环控制策略。该控制策略可以很快地响应输入电压与输出电压的变化。最后基于Saber搭建仿真模型仿真验证拓扑的正确性,并在实验室制作了一台1 k W的样机,对理论分析结果进行了实验验证,实验结果验证了该Buck型高频隔离三电平逆变器的正确性和实用性。     

一种十开关低漏电流三相逆变器的研究

为了解决非隔离光伏发电系统的共模漏电流问题,本文提出一种十开关非隔离逆变器拓扑(H10拓扑)。该拓扑在传统三相桥式逆变器的基础上增加了正直流母线隔离开关和负直流母线隔离开关,来实现逆变器交流侧与直流侧的隔离,从而增加漏电流流通回路阻抗。并且在逆变器直流侧引入3个钳位电容,使输入电压分为0、1/3、2/3和1四个电位点,并在1/3和2/3电位点加入两个钳位开关,使逆变器共模电压可钳位于直流输入电压的1/3或2/3,从而减少共模电压的脉动,降低系统漏电流。并且利用共模电压和开关状态构造此逆变器的逻辑控制信号。设计了一台三相600W原理样机,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。     

新型电压自均衡开关电容多电平逆变器

为了使用更少的器件实现更多的输出电平,同时解决传统多电平逆变器开关器件在高电压下工作时,其电压应力较大,容易损坏的问题,提出一种新型单电源开关电容多电平逆变器拓扑。该开关电容逆变器拓扑通过研究开关电容技术与级联H桥逆变器的结合,采用脉宽调制的方式经过逻辑组合进行调制,实现了高效的电压增益和电平输出。在保证电容电压自均衡的前提下,仅使用单个直流电源输入,产生三倍电压增益的七电平输出。然后,为了进一步拓展该逆变器的应用范围,介绍所提逆变器的扩展结构,并简要分析其工作模式。同时与其他类似拓扑进行对比,证明该拓扑优势。最后为了验证理论分析的正确性,设计了仿真和实验样机,对逆变器的性能进行了详细测试。     

一种新型混合式单相多电平逆变器的研究

为了提高多电平输出电压的电平数以获得更高质量的输出电压,这里提出了一种新型单相十三电平逆变器拓扑。在分析所提拓扑工作原理的基础上,对悬浮电容电压的平衡控制策略进行了研究。为了解决直流母线电容电压平衡的问题,在直流侧添加了基于滞环比较控制策略的均衡控制电路。最后,通过仿真和实验验证了该拓扑的可行性以及控制策略的有效性。     

一种改进的九电平高频逆变器

高频交流配电系统因具有暂态响应快、高功率密度、容易实现电气隔离、可实现无线功率传输等优点逐渐替代传统直流配电系统。现有高频逆变器存在使用多个输入源、开关器件多、硬件成本高、电路复杂、电路参数设计困难等缺点。提出一种改进的九电平高频逆变器,开关器件少,电路结构简单。该结构通过开关电容技术实现九电平输出,并对输出波形进行傅里叶分析,采用特定谐波消除法减小输出谐波。详细分析了逆变器的工作原理并设计相关参数。最后,通过仿真和实验验证了该逆变器的可行性。     

新型非隔离型三相三电平光伏并网逆变器及其漏电流抑制研究

在二极管中点钳位型逆变器(NPC)的基础上,提出一种新型非隔离型三相三电平光伏并网逆变器,并对其工作特性和漏电流特性进行研究。与NPC逆变器相比,新型逆变器的拓扑仅由十二个开关管和两个直流侧母线电容组成,比NPC逆变器少用了六个功率二极管,拓扑结构得到了简化。为抑制其漏电流,在分析共模电压和开关状态关系的基础上,改进了传统两电平载波调制方案,提出一种新型单载波调制方案。分别通过并网仿真、并网实验和感性实验,验证了所提出拓扑的可行性与新型单载波调制策略的有效性。     

不均匀升压的七电平开关电容逆变器

新能源接入电网需要更可靠的逆变器,针对现有多电平逆变器存在拓扑结构复杂和功率器件电压应力高等问题,提出一种不均匀升压的7电平开关电容逆变器。该拓扑结构由双电容开关模块和全桥电路组成,以较少的器件数量和低电压应力实现两倍增益的7电平输出。采用最近电平逼近法和基频调制策略控制开关管的导通顺序,实现电容与电压源的串并联。拓扑结构简单、开关损耗和电压纹波小,且满足电容电压自平衡和不均匀升压功能,极大地降低了电压谐波的畸变率,提高逆变器转化效率。最后对逆变器拓扑结构的工作原理、调制策略和电路参数进行了理论分析,并通过仿真和实验验证了该拓扑结构的可行性与有效性。     

新型低电压应力的电容自均衡七电平逆变器

针对传统多电平逆变器存在的功率器件电压应力高以及电容电压平衡困难的问题,提出一种七电平逆变器拓扑。采用同相层叠脉宽调制策略,研究了开关电容技术与传统多电平逆变器结构的结合,实现七电平电压输出。所提七电平逆变器后端不使用全桥结构得到负电平,开关器件的电压应力小;电容电压能实现自均衡,无需使用传感器检测电容电压,避免了复杂的控制策略和额外的控制回路;可以工作在不同调制因数下;可通过级联来实现更多的输出电平。讨论了逆变器的工作原理、调制策略以及器件电压应力,设计了仿真与实验样机对理论分析结果进行了验证。     

增强型Z源逆变器的直流链电压直接控制策略

增强型Z源逆变器与传统Z源逆变器相比不仅具有很强的升压能力,而且很大程度减小Z源网络电容、开关器件电压应力.但Z源逆变器现有控制策略是通过测量电容电压构建闭环间接控制直流链峰值电压,而Z源网络电容电压并不能准确反映直流链电压的动态特性.为了提高增强型Z源逆变器的直流链电压动态响应速度和控制精度,借助于数学建模,提出一种直流链电压直接控制的闭环控制策略,通过直接测量直流链峰值电压来提高系统的控制精度,采用电感内环、直流链峰值电压外环的双闭环控制提高了系统的动态响应速度,有效地抑制非最小相位特性对系统地影响.仿真和实验结果证明控制器对输入和负载扰动具有很好抑制能力.     

层叠式悬浮电容逆变器的新型PWM控制方法

采用多电平结构是逆变器实现高电压大容量化的有效途径。层叠式悬浮电容多电平结构可以大大减小电容器的尺寸,并且还具有控制灵活、电平数易扩展等诸多优点,因而倍受青睐,但是该逆变器也存在悬浮电容电压的平衡控制问题。据此本文提出一种新型的PWM方法,该方法不但能够有效控制电容电压的平衡,而且算法计算量小、便于数字化实现,能够保证功率器件的开关频率均衡,利用层叠式五电平逆变器,对该方法的有效性进行了详尽的仿真验证。     

内蕴电压平衡控制的飞跨电容逆变器的PWM方法

采用多电平结构是逆变器实现高电压大容量化的有效途径。飞跨电容逆变器因为只需要一个独立直流供电电源、电平数易扩展、控制灵活等优点而备受青睐，但是电容电压的平衡问题却制约其推广应用。针对此问题，该文提出一种内蕴电压平衡控制的PWM方法，该方法由直接PWM算法和基于最大单元电压偏差抑制的开关状态选择法则组成，前者是由给定的ABC坐标系下的参考电压来确定逆变器所需输出的电平电压、相应的作用时间及作用顺序；后者是确定逆变器的开关状态以产生已确定的电平电压，同时控制电容电压的平衡。该PWM方法理论上适用于任意电平的飞跨电容逆变器，它不但能够有效控制电容电压的平衡，而且还能够保证功率开关频率的均衡、便于数字化实现。该文给出了该方法的数字化实现原理。最后，基于飞跨电容五电平变频器对所提出的PWM方法，做了详尽的仿真分析和大量的实验验证。     

光伏逆变器中DC-link电容的选型计算

DC-link电容是光伏逆变器直流侧电路的重要组成部分,其设计选型对逆变器的性能、体积、重量及成本均有一定影响。以单级三相全桥拓扑的光伏逆变器为例,重点讨论了薄膜电容的额定电压、容量及纹波电流等参数所需满足的要求,进行了理论分析、计算和仿真,以期对实际应用中的电容选取提供参考。     

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.     

Improved “K” type seven-level switched capacitor inverter topology with Self-voltage balancing

This paper proposes an improved “K” type seven-level switched capacitor inverter topology. The proposed topology consists of eight active switches, one floating capacitor, and two dc-link capacitors. The floating capacitors are charged and discharged in each half-cycle to maintain the capacitor voltage with the same value of the input voltage. The floating capacitor voltage is self-balanced, and the output voltage is 1.5 times higher than the input voltage. To prove the superiority of the proposed topology, it is compared with the existing seven-level inverters in terms of maximum voltage stress on the switch and required the number of power components. The simulation and experimental validation are carried out for 1.6 kW, 50 Hz using a laboratory-based setup with a switching frequency of 5 kHz. The results are discussed highlighting the performance of the proposed topology for the dynamic load variations at different modulation indices. Both simulation results and experimental results have good agreement in terms of voltage balancing of flying capacitor.     

电容箝位型非对称H桥五电平逆变器 正弦脉宽调制控制

为简化多电平逆变器拓扑结构、提高性能,构建了电容箝位型非对称H桥五电平逆变器。提出一种新型的锯齿载波交错正弦脉宽调制(sine pulse width modulation,SPWM)策略,通过在每个载波周期内控制电容充、放电时间相等,保证电容电压平衡。采用锯齿载波,在扩展的三相系统中,控制任意两相电压相对应的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)脉冲对始终位于对应锯齿载波的起始(末尾)侧,消除了线电压中部分相邻“电平层”交叠的现象。对3种同类五电平逆变器及其对应的调制策略进行对比分析,构建的拓扑所用功率器件最少,等效开关频率为载波频率的2倍,电容电压平衡且波动幅度较小,线电压谐波含量最少。实验结果验证了该拓扑及其调制策略的正确性与有效性。     

一种单相级联H桥整流器电压快速平衡方法

无工频变压器牵引传动系统是实现高速动车组轻量化的有效方式与发展趋势,以解决其前端单相级联H桥整流器(CHBR)直流侧电容电压不平衡问题为研究目标,开展以实现负载严重不对称情况下直流侧电压快速平衡的控制方法研究。分析了已有典型直流侧电压平衡控制方法的缺点,提出了一种基于电压补偿分量注入的单极性载波移相脉宽调制(CPSPWM-VOI)算法,该算法易于扩展到多个H桥级联的情况。与已有典型直流侧电压平衡控制方法对比,该方法具有更快的直流侧电压平衡速度和更强的直流侧电压平衡能力。计算机仿真和半实物实验都验证了该算法的有效性及理论分析的正确性。     

电流型控制半桥逆变器直流分压电容电压偏差前馈控制技术

电流型控制半桥逆变器直流分压电容电压存在偏差,电容中点的电压偏移容易导致系统失控。文中分析了电流型控制半桥逆变器分压电容不均压产生的原因,并给出了电容中点电压偏移的理论值;针对电压电流双闭环瞬时值控制半桥逆变器,提出了电容电压偏差前馈控制方案。仿真和实验结果验证了采用该技术后,分压电容的直流偏差被消除,半桥逆变电路在各种情况下都可以正常工作。该方法为电流型控制半桥逆变电路的实用创造了条件,同样可应用于电流型控制半桥直／直变换器和直／交变换器。     

Bearing currents and shaft voltages of an induction motor underhard- and soft-switching inverter excitation

Bearing currents and shaft voltages of an induction motor are measured under hard- and soft-switching inverter excitation. The objective is to investigate whether the soft-switching technologies can provide solutions for reducing the bearing currents and shaft voltages. Two of the prevailing soft-switching inverters, the resonant DC-link inverter and the quasi-resonant DC-link inverter, are tested. The results are compared with those obtained using the conventional hard-switching inverter. To ensure objective comparisons between the soft- and hard-switching inverters, all inverters were configured identically and drove the same induction motor under the same operating conditions when the test data were collected. An insightful explanation of the experimental results is also provided to help understand the mechanisms of bearing currents and shaft voltages produced in the inverter drives. Consistency between the bearing current theory and the experimental results has been demonstrated. Conclusions are then drawn regarding the effectiveness of the soft-switching technologies as a solution to the bearing current and shaft voltage problems