一种高性能低成本的中压异质器件混合型模块化多电平变换器及其控制策略

针对少子模块数的中压模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)装置损耗、成本等指标难以综合提升的问题,该文提出一种基于Si基绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)和SiC基金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)混合的模块化多电平变换器,简称异质器件混合型模块化多电平变换器(heterogeneous device hybrid MMC,HDHMMC)。HDHMMC由全Si IGBT的低频模块和Si IGBT与SiC MOSFET混合的高频模块组成。针对此拓扑提出一种特定的高低频混合调制策略,充分发挥Si IGBT通态损耗低、SiC MOSFET开关损耗低的优势。此外,详细分析了高低频模块的能量波动机理,并针对高低频模块直流侧电容电压不稳定问题提出一种特定的稳压策略。仿真和实验结果验证了HDHMMC拓扑及其调制、稳压策略的可行性。最后,将HDHMMC与现有MMC拓扑进行损耗与成本对比,证明所提拓扑可以更好地平衡成本、效率、功率密度等性能指标。

面向输出性能优化的高低频混合型模块化多电平变换器及其调控策略

为破解中压模块化多电平变换器(MMC)输出性能提升与降本、增效难以有效兼顾的问题,该文提出一种基于高低频混合的新型MMC(NMMC)拓扑。NMMC每个桥臂包含1个由异质交叉连接模块(HCCM)构成的高频子模块和N-1个半桥变换器构成的低频子模块。HCCM的高频桥臂采用SiC MOSFET器件,而HCCM的换向桥臂及低频子模块均采用Si IGBT器件。针对NMMC拓扑,该文采用高低频混合调制策略,充分发挥了SiCMOSFET器件开关损耗低、Si IGBT器件通态损耗低的优势。此外,针对高频子模块提出一种特定的电容电压平衡策略,并详细分析高频子模块的工作状态。进一步地,仿真及实验验证了所提拓扑结构、调制策略、均压策略的可行性和有效性。最后,将所提拓扑与现有MMC拓扑在器件成本和运行损耗方面进行综合对比,证明所提拓扑可以更好地平衡装置的成本及效率指标。

一种拓展模块化多电平变换器的光伏系统稳定运行范围的谐波补偿调制策略

由于阴影遮挡、损坏等问题,基于模块化多电平变换器的光伏系统中存在光伏(PV)输出功率不平衡的现象,会使高输出功率PV对应的子模块过调制。谐波补偿调制策略是解决该问题的一种常见方案,通过向高功率PV的子模块中注入谐波而避免子模块过调制,低功率PV的子模块(称为正常子模块)则需要补偿数量相同、相位相反的谐波,使桥臂内的谐波相抵消而不会造成桥臂电压和电流畸变。然而,在PV功率严重不平衡时,为了避免高功率PV的子模块过调制,现有谐波补偿调制策略需要注入的谐波过大,会超过正常子模块的补偿范围,使正常子模块出现过调制,导致桥臂电压和电流畸变,影响系统的稳定运行。该文提出一种新型谐波补偿调制策略,在高功率PV的子模块不发生过调制的前提下避免正常子模块过调制,保证系统的稳定运行。同时,该文对不同谐波补偿调制策略稳定运行范围进行了定性和定量评估,表明所提谐波补偿调制策略能在更多PV功率不平衡工况下稳定运行。通过仿真与实验验证谐波补偿调制策略在模块化多电平变换器光伏系统中的可行性与理论分析的正确性。

模块化多电平变换器改进两段式模型预测控制

基于有限控制集的模型预测控制应用于模块化多电平变换器(MMC)时通常会暴露出计算复杂与交流侧输出电流严重失真等问题。提出一种双矢量优化谐波电流模型预测控制策略,即改进两段式模型预测控制,可减少开关状态组合计算量,进一步优化交流侧输出电流。推导了MMC离散数学模型,并构建无权重因子的代价函数,通过计算实际电流与参考电流包围的最小面积重新定义同一周期内两阶段开关信号的占空比,并引入一种附加冗余子模块的方法抑制桥臂环流,接着提出一种败者树多路归并排序算法均衡电容电压。在MATLAB/Simulink平台搭建三相23电平MMC仿真模型验证该策略的有效性。相比于两段式模型预测控制,所提策略的交流侧输出电流跟踪更加精准,谐波畸变率更小。

九边形模块化多电平变换器的解耦模型与控制策略

九边形模块化多电平变换器(N-MMC)是一种具备多端口、低频性、高可靠性等特点的AC-AC变换器,在海上风电领域应用前景广阔。但是,九边形变换器存在不同频率的电气分量强耦合的问题。为此,该文提出了一种九边形变换器的解耦方法。首先,根据九边形变换器的拓扑结构,分析了其桥臂电压、电流的关系,建立了九边形变换器的解耦模型;然后,在此基础上推导了PI控制策略和非线性的无源控制(PBC)策略;最后,在Matlab仿真平台和RT-Lab半物理平台上进行了多种工况的仿真和实验验证,对比了解耦后采用PBC控制、PI控制、未解耦直接采用准比例谐振(QPR)控制的效果,验证了所提解耦模型与PBC控制的可行性与优越性。

基于模块化多电平变换器的光伏发电系统

模块化多电平变换器具有较高的功率因数、较低的输出电流谐波含量、较便捷的功率和电压等级扩展方法、较高的可靠性等优点,因而广泛应用于新能源发电领域。为此介绍一套由光伏电池阵列、储能电池、直流变换器、模块化多电平变换器等构成的光伏发电系统以及四种运行工况。然后介绍了变步长扰动观测法的最大功率跟踪技术,储能电池的充放电控制技术,模块化多电平变换器及其控制技术。通过仿真验证了模块化多电平变换器的光伏发电系统四种运行工况的可行性以及各单元控制策略的有效性,同时可以通过储能电池进行功率平衡控制,从而维持输送到电网的功率平衡。上述光伏发电系统及其控制技术为新能源发电领域提供了技术保障。

基于新型混合多电平变换器的车载供电系统

采用蓄电池和超级电容的储能单元是车载供电-驱动系统中的重要部分。此处提出了一种新型的混合级联型多电平充放电电路拓扑结构,储能单元的连接方式不再是传统的直接串并联,而是由每个桥臂单独控制储能单元后进行级联。将传统的均压电路和充放电控制电路合并为一个电路。由于每个储能单元是独立控制的,所以能够实时实现电压均衡,既能保护储能单元,也能提高储能单元的利用率。该电路拓扑输出为多电平电压,可以减小逆变器输出的电压变化率对电机绝缘的影响,并且谐波含量少,提高控制性能。分析了电路拓扑控制策略,并以铅酸蓄电池为例进行了实验,实验结果验证了该新型储能系统拓扑的合理性和优越性。

基于级联式多电平变换器的静止无功补偿器拓扑研究

电力系统实时无功补偿对提升电能质量至关重要,传统的无功功率补偿常采用大容量的电抗器、电容器,体积大、重量大、效率低。静止无功补偿器采用全控开关器件构成,具有可控,动态响应速度快,损耗低,效率高的优点。以单相H桥为级联单位串联而成的级联式多电平变换器可通过对各个H桥进行移相控制,输出多电平波形,提高输出电压正弦度,降低谐波含量,减小滤波器的体积,且具有扩展性强,适应性强,实现容易等优点。介绍了级联式多电平变换器的拓扑与工作原理及适用于该变换器的基于三角载波移相技术的PWM调制策略,通过降低开关管的开关频率,提高系统的效率。最后搭建了仿真模型验证了该拓扑与调制策略的有效性。

基于半桥子模块构成的模块化多电平变换器研究

模块化多电平变换器(Modular multilevel converter,MMC)适用于中高压应用场合,具备损耗小、传输效率高、开关频率低、开关损耗低、输出谐波少等优点。研究以半桥子模块构成的MMC的工作原理以及其调制策略,并以MATLAB/simlink仿真软件为平台搭建仿真模型,仿真结果表明,最近电平逼近调制策略能够实现MMC输出谐波含量低的电压。

模块化多电平变换器分数阶PIλ环流抑制策略

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)内部环流增加系统功率损耗,加剧桥臂电流畸变。针对传统PI环流控制器存在鲁棒性较差、控制精度有限等问题,将分数阶PI^(λ)控制器应用于MMC环流抑制。首先,对MMC工作特性进行分析,阐述环流产生机理。其次,研究分数阶PI^(λ)控制结构,并设计MMC分数阶PI^(λ)环流抑制策略。然后,采用经典频域法优化分数阶PI^(λ)控制器参数,并对分别采用传统PI和分数阶PI^(λ)控制器的系统环流控制性能进行对比分析。最后,在相同条件下,通过对采用上述两种环流抑制策略的MMC系统,分别在电源扰动、直流侧电压阶跃和三相不平衡工况下进行仿真研究。结果表明,分数阶PI^(λ)环流抑制器的抗电源扰动性和环流抑制能力均优于传统PI环流抑制器,更适用于MMC此类的非线性系统的控制。

新型串联混合型模块化多电平变换器及其控制策略研究

近年来,模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)因具有模块化的结构特点,在柔性直流输电领域受到广泛关注。随着电压等级的提升,传统MMC拓扑的子模块数成倍增加,装置成本及体积大幅提高。为实现MMC的轻型化设计目标,提出一种串联混合型MMC(series hybridMMC,SHMMC)拓扑,对其工作原理进行介绍,并推导其数学模型。同时,针对相单元内部所存在的释能过电流问题展开讨论,设计适用于SHMMC拓扑的控制策略。MATLAB/Simulink仿真及样机实验研究结果表明该拓扑正确可行,且具有较好的输出特性及内部特性。在直流侧电压相同的情况下,所提SHMMC拓扑相较于传统MMC拓扑子模块数更少,在保障良好输出特性的前提下损耗更低,且无需设置桥臂电抗器,有利于降低装置体积,有效实现了轻型化设计目标。

基于Si和SiC器件的混合型级联多电平变换器及其调控优化方法

针对现有级联型多电平变换器器件多、损耗大、功率密度低等问题,该文提出一种基于Si和SiC器件的混合型级联多电平变换器(HCMC)拓扑结构。HCMC由全Si IGBT器件的中性点钳位(NPC)型三电平单元与由SiIGBT、SiCMOSFET器件混合的级联H桥(CHB)单元串联构成。针对此拓扑提出一种特定的高低频混合调制策略,充分发挥SiC MOSFET开关损耗低、SiIGBT通态损耗低的优势,并对NPC单元直流侧电压和CHB单元子模块数进行优化设计。此外,为解决子模块电容电压不平衡问题,提出一种轮换均压控制策略。最后,在6kV系统无功补偿工况下进行仿真和实验,验证了HCMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将HCMC和现有级联型多电平变换器进行综合对比,证明了所提拓扑在保证输出性能的条件下大大降低了运行损耗。

一种改进的CHB多电平变换器PWM调制策略

级联H桥CHB(cascaded H-bridge)多电平变换器是中压大功率电机驱动系统最广泛采用的拓扑,传统LS-PWM和PS-PWM不能很好地兼顾输入、输出电流的谐波性能,对比了CHB多电平变换器在这两种调制策略下的输入和输出THD,分析了两种方法下输入、输出波形产生区别的本质原因,进而探讨了一种局部载波移相PWM调制方法。该方法吸收了两种调制方法的优点,发挥PS-PWM调制时模块功率均衡和网侧输入电流谐波低的特点以及LS-PWM输出电能质量好的特点。最后,搭建了三相七电平CHB变换器实验平台,对局部载波移相PWM调制策略进行了验证。

模块化多电平变换器的电容电压卡尔曼滤波预测方法

为避免子模块电压互感器发生故障对直流配电网模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)安全可靠运行造成威胁,需为MMC配置备用测量装置。工程上通常为所有子模块配置备用电压互感器以保证高可靠测量,但使得硬件结构较为复杂。为此,文中提出一种适用于中高压MMC测量系统备用模式的电容电压卡尔曼滤波预测方法,并融合快速模型预测控制(fast model predictive control,FMPC)策略提升电能变换稳定性。首先,为各桥臂仅配置一个电流互感器,无需任何电压互感器,并构建卡尔曼滤波观测器,提出卡尔曼滤波预测方法;进而根据电容电压预测值建立FMPC目标优化函数,确定桥臂最优电平数和子模块投切情况,在保证MMC输出电流和环流跟踪性能及电容电压预测准确性的前提下,显著简化测量系统硬件结构。最后,搭建21电平仿真模型和三电平实验平台,通过多个算例和工况验证所提方法的可行性和实用性。

基于改进NLM的模块化多电平变换器在船舶岸电系统中的应用

随着船舶功率需求的不断增加,船舶岸电系统也从低压岸电系统向高压岸电系统发展,基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)设计6.6 kV/60 Hz的船舶高压岸电系统。针对传统最近电平逼近调制(nearest level modulation,NLM)策略下MMC输出电压质量低、环流谐波含量大及船舶岸电系统稳定性差的问题,提出采用改进NLM策略、无差拍环流抑制策略和虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制技术相结合的新型控制方法。对所设计的MMC-VSG船舶岸电系统模型和控制方法进行仿真。仿真结果表明,所提出的控制方法能有效提高船舶岸电系统的电能质量,且系统稳态性能和动态性能良好,可为船舶高压岸电系统的设计提供一定的参考。

基于电容电压波动补偿的混合型模块化多电平变换器

为了降低模块化多电平变换器的电容体积,文中提出一种基于电容电压波动补偿混合子模块的模块化多电平变换器。首先,介绍所提混合型模块化多电平变换器的系统结构与减小电容体积的机理,同时对混合子模块的投切原则进行详细分析;然后,通过分析混合子模块内部不同电容的能量波动,给出所有电容的容值设计方法,并与传统的半桥型模块化多电平变换器进行对比;最后,通过仿真与实验验证了所提方案的有效性。结果表明,文中提出的混合型模块化多电平变换器能够以较低的开关器件成本,大幅度提高电容能量利用率,降低模块化多电平变换器子模块电容的体积,实现系统功率密度的提高。

一种新型串联单链式模块化多电平变换器

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)是中压直流配电网中应用较为广泛的拓扑结构,但是庞大的开关器件数量、较多的子模块数量导致成本增长与损耗增加,设备体积与空间限制等因素制约了MMC的进一步发展。为解决这些问题,该文提出一种串联单链式模块化多电平变换器(series single chain-link MMC,SSC-MMC),4组由半桥子模块组成的桥臂经串联接入直流端口,桥臂连接处引出交流端口,在交流输出侧经隔直模块抵消直流偏置电压,从而产生三相交流电压。该拓扑相较于传统三相MMC可减少2/3的子模块数量,从而降低变换器的制造成本与体积。该文详细给出SSC-MMC的运行原理,提出SSC-MMC的控制策略与调制策略,并对拓扑结构中的关键参数进行分析设计。对SSC-MMC与常见传统MMC及SMMC的拓扑结构从多个方面进行对比分析。最后利用Matlab/Simulink对SSC-MMC进行仿真验证,并制作样机进行实验测试,仿真与实验结果验证了该文拓扑的可行性与控制策略的有效性。

矿用级联多电平变换器输出谐波特性研究

级联多电平变换器能够提高电网稳定性、改善电能质量,并且具有功耗低的优点,因而广泛应用于煤矿电网的谐波抑制和无功补偿。然而,由于脉宽调制策略不同,级联多电平变换器输出电压谐波、电流纹波等不同,导致级联多电平有源电力滤波器谐波抑制能力降低。针对此问题,分别采用载波相移和交替反向载波层叠脉宽调制策略研究变换器输出电气特性。研究表明,基于载波相移的多电平变换器输出电气性能优于载波层叠。在MATLAB/Simulink平台上搭建级联多电平有源电力滤波器模型,仿真表明抑制后的3、5、7次等谐波的谐波含量远低于IEEE519谐波标准。

基于深度学习的多电平变换器故障诊断教学案例研究

为适应电力系统对高压、大功率及改善电能质量的需求,多电平变换器的电平等级不断提升,其电路结构日趋复杂。电路中半导体功率开关器件的增加不可避免地增加了系统故障的风险。因此,多电平变换器的故障诊断逐渐成为电力电子可靠性研究领域的关注焦点。大数据和人工智能技术的普及推动了基于数据驱动的多电平变换器智能故障诊断技术的发展。为此,设计了针对多电平变换器智能故障诊断的教学案例,基于嵌套式中点可控型五电平变换器,结合特征工程和深度学习算法,实现对变换器开关器件故障的检测和定位。此综合案例将人工智能和电力电子领域紧密结合,帮助学生深入理解理论知识和研究方法,提高工程实践应用能力,培养科研素养和创新精神。

多电平变换器连续集模型预测控制研究

为解决有限集模型预测控制(FCS-MPC)下变换器输出波形频谱发散、纹波过大的问题,在此提出一种基于矢量分析的连续集模型预测控制(CCS-MPC)策略。该策略采用通过多个基本状态矢量实时合成目标矢量的方式,实现了四开关状态变换器的无差拍控制。同时由于单周期内各矢量作用时间可通过几何方法简便求得,因此该策略便于现有微处理的实现。与FCS-MPC相比,新型CCS-MPC策略能够在不显著增加计算负担的前提下获得优异的频谱特性。该策略在100 kHz氮化镓(GaN)三电平飞跨电容(FC)变换器上进行了实验验证。实验结果显示,与FCS-MPC相比,新型CCS-MPC下变换器的电感电流总谐波失真(THD)降低了60%以上。