A Novel Square-wave Pulse Rotation Modulation Strategy for Modular Multilevel Converters

悬浮直流电容电压的均衡问题是模块组合多电平变换器（modular multilevel converter,MMC）的关键问题之一。提出一种可实现MMC直流电容电压平衡的方波脉冲循环调制（square-wave pulse rotation modulation,SWPRM）策略,在保证合成的阶梯波输出波形不变的前提下,根据MMC的拓扑结构和工作原理,对传统方波脉冲列进行脉冲优化,并按照一定的次序和切换周期进行循环和判断反相调整,获得的循环方波脉冲列作为最终驱动脉冲用于实现对MMC的控制。实验结果表明,采用提出的方波脉冲循环调制策略无需任何电容电压控制措施,在较低开关频率下,实现了MMC各功率单元间有功能量的平均分配和直流电容电压的均衡。

A neutral-point potential balance control strategy for three-level inverter based on VSVPWM

The topology of diode neutral-point-clamped(NPC)three-level inverter is prone to neutral-point potential offset.When the sum of three-phase current is zero,the virtual space vector pulse width modulation(VSVPWM)scheme does not cause the neutral-point voltage offset,but it lacks the ability to balance the deviation.For this reason,a neutral-point potential control strategy combining virtual space vector modulation and loop width control is proposed.The neutral-point potential is balanced by introducing the distribution factor for the regions with redundant vectors.For other regions,the potential is controlled by selecting a suitable switching sequence.Meanwhile,the effect on the virtual vector modulation is reduced within the loop width by setting an appropriate loop width,thereby improving the balance effect.The simulation results show that the proposed method has a strong ability to control the offset and has excellent potential balance performance under the conditions of balanced load,unbalanced load and asymmetric capacitance parameters.

一种新型三电平变换器中点电压平衡调制策略

在大功率轨道交通装备领域中,三电平变换器因具有众多优点,在实际中得到广泛应用,但是也存在中点电压不平衡这一固有问题。为解决三电平中点箝位(NPC)型变换器存在的中点电压不平衡问题,减少输出相电流畸变情况,提高系统运行稳定性,文章提出了一种基于分析中点电荷量的双自由度新型中点电压平衡调制策略。该调制策略首先从数学分析的角度介绍了三电平变换器直流侧中点电压不平衡问题的原因;之后分析了在空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术中,电压矢量输出序列对中点电压的影响;最后基于上述分析结果,改进传统的电压矢量输出序列,并基于改进序列的特点提出了一种新的双自由度中点电压平衡调制策略,通过双自由度的平衡因子调节作用时间。理论上,所提出的新型调制策略具有更多可控电荷量,相较于传统方法具有更良好的控制效果;仿真和试验结果验证了所提的新型调制策略对中点电压的控制效果具有更好的快速性和稳定性。综上所述,文章所提的新型双自由度调制策略可更有效解决三电平变换器存在的中点电压不平衡问题。

T型三电平逆变器中点电位平衡电路及控制

直流母线电压中点电位不平衡是T型三电平逆变器的拓扑结构造成的固有问题。这里从T型三电平逆变器的拓扑结构出发,分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)中大、中和小矢量对中点电位不平衡的影响,针对中点电位不平衡,在电源侧并联一个半桥模块且中点与母线中点串联电感的平衡电路,然后对平衡电路被控对象进行建模与分析,推导出中点电压平衡控制框图,通过对上、下电容进行充放电控制,控制中点电位达到平衡,最后,搭建了T型三电平逆变器实验平台,进行了仿真和实验验证,实验结果验证了所提平衡电路和控制的有效性和可行性。

模块化多电平逆变电路的调制算法研究

针对永磁同步电机传统三电平逆变电路无法满足高压场景的问题,采用空间矢量脉宽调制算法对模块化多电平逆变电路进行调制分析,观察其输出电压波形。然后针对模块化多电平逆变电路各相之间容易出现环流现象,对电容电压平衡控制算法进行简化。在Matlab/Simulink中搭建模型仿真,观察和分析模块化多电平逆变电路的输出电压,实验结果验证了采用空间矢量脉宽调制算法对改善模块化多电平逆变电路的输出特性的有效性和简化后的电容电压平衡控制算法具有稳定性。

高速磁浮背靠背三电平ANPC变流器中点电压偏移机理与协同控制策略

高速磁浮交通牵引变流器采用24 MVA背靠背三电平有源中点钳位拓扑,其中两台整流器和两台逆变器共用直流母线。该文分析整流侧和逆变侧在不同功率因数下中点电压(neutral point voltage,NPV)偏移机理及不同电压矢量对NPV的具体影响。据此,针对高速磁浮逆变器并联和串联两种模式,建立NPV偏移模型,得到在调制比和功率因数同时变化时NPV的可控区域。为在全速范围保证NPV平衡,提出一种基于平移调制波的协同控制策略。为减轻整流器功率因数和调制比对NPV的影响,采用一种具有相电压半波对称性的载波脉宽调制,并证明其具备NPV自平衡能力。仿真和硬件在环实验表明,所提策略具有NPV恢复到平衡状态所需时间短、可控范围大等优点,可在高速磁浮全速工况下保证NPV平衡。

基于开关电容的单输入升压型七电平逆变器

针对现有多电平逆变器存在拓扑结构复杂、开关器件总电压应力高和串联电容电压不平衡的问题,提出了一种新型的开关电容七电平逆变器。通过同相层叠脉宽调制策略,合理地控制开关管使得三个电容器与直流电源串并联分时运行,实现了三倍升压增益的七电平输出。该逆变器采用单个直流输入电源,不仅具有结构简单、器件少、升压能力强和电容电压自平衡等优势,并且负载端不采用逆变H桥来改变输出电平极性,从而降低开关器件的总电压应力。分析了逆变器的拓扑结构、工作原理、电容电压自平衡、调制策略、电容参数和电流应力,并从开关管数量、二极管数量、电容数量、总开关电压应力和升压增益5个方面与现有拓扑进行了比较分析,充分证明所提拓扑的实用性。最后实验结果验证了该拓扑的可行性。

I型三电平储能变流器设计

随着新能源发电的快速发展,新能源发电输出功率的间歇性和不确定性问题日益突出,为增强电网对新能源的消纳能力,设计了1台I型三电平储能变流器。在深入分析其工作原理的基础上,构建了数学模型并给出了恒流充放电控制策略。针对三电平储能变流器中点电位不平衡的问题,提出了带可变分配因子的空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)算法以实现对中点电位波动的快速响应。样机实验结果表明,在恒流充放电控制策略下,样机在并网工况下具有良好的稳态和暂态性能,所采用的带可变分配因子的SVPWM算法能快速抑制中点电位波动且抑制效果明显。

基于开关电容和飞跨电容的十七电平逆变器

为减少在输出电平较多时开关电容多电平逆变器的器件数量,提出一种将开关电容与飞跨电容相结合的十七电平逆变器。结合逆变器工作原理,设计相应的调制策略和电压平衡策略,并优化关键电路参数,对开关电容、飞跨电容等3个电容值进行分析设计。该逆变器由开关电容升压单元和T型飞跨电容单元构成,使用3个电容器以及14个开关管实现了十七电平输出和2倍升压,且由单个直流电源供电。与其他十七电平逆变器相比,所提逆变器结构简单,同时避免高压逆变H桥的使用,且在开关数量、总开关电压应力、电容器数量等方面具有较大优势。最后,对该逆变器的稳态和动态性能进行实验验证和仿真验证。验证结果表明,所提拓扑具有较高的转换效率,实验测量范围内最高达到98.4%,且具有较好的并网工作性能。

变虚拟空间矢量的三电平NPC变换器中点电位平衡控制策略

在多电平变换器研究领域,三电平中点钳位逆变器目前是一种研究比较广泛的一种拓扑结构,但是此拓扑结构容易造成中点电压偏移问题。基于理论上虚拟空间矢量的调制方法可以实现分压电容中点电压平衡控制,因此,为增强中点电压平衡的控制效果,提出调节虚拟中矢量中点电流和分配正、负小矢量作用时间的中点电压平衡控制方法。相对虚拟空间矢量脉宽调制算法和混合式调制算法来说,所采用的可变虚拟空间矢量控制算法简单、实用,能实现三电平NPC变换器中点电位平衡控制。

中点箝位型三电平逆变器中点电压低频振荡抑制方法

对于三电平逆变器中点电压低频振荡问题,传统正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)控制一般不具有中点电压平衡控制作用。该文基于不连续脉宽调制(discontinuous pulse width modulation,DPWM)的基本原理,提出了一种半周期动态调节的DPWM(dynamic half carrier-cycle regulative DPWM,DHCR-DPWM)中点电压平衡控制方法。该DHCR-DPWM控制方法通过控制载波周期内某相桥臂开关不动作,使得正负小矢量作用时间相等,实现对中点电压低频振荡的抑制,控制中点电压平衡。与传统SPWM控制相比,该方法能够提高输出波形质量和系统效率。在基于STM32F407-CPLD的二极管中点箝位型三电平逆变器实验平台上进行了实验验证,实验结果验证了理论分析的正确性和方法的有效性。

基于零序电压注入与调制波分解的三电平脉宽调制策略

对三电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)与零序电压注入正弦脉宽调制(SPWM)进行了对比分析,以线电压坐标系空间矢量图和开关周期窗口移动图解释了两种调制方式在占空比和矢量序列上的关系。从零序注入SPWM与SVPWM的内在联系出发,本文探讨了基于零序分量注入与调制波分解的三电平脉宽调制策略。该调制策略无需SVPWM复杂的矢量分解,即可实现最小开关损耗、最优波形质量抑或是中点平衡等任一控制目标,并可在多控制目标间转换,具有极高的灵活性,实现简单,可大大降低编程难度与程序运行时间。

自平衡电子电力变压器

提出一种基于级联多电平结构,具有自平衡能力的电子电力变压器(A-EPT),其高压侧采用单相全桥级联技术,低压侧采用交错并联技术,并根据其结构特点提出一种简单有效的控制方案。在该控制方案中,通过采用载波移相技术提高了等效开关频率和输入性能;通过引入相移补偿信号,避免了级联模块间的直流电压不平衡问题。对所提出的A-EPT进行建模和仿真,并与常规变压器的运行状况进行对比分析。仿真结果表明:A-EPT能够很好地实现当变压器任何一侧系统出现电压或电流不平衡时,另一侧系统仍然能够自动保持本侧系统的电压或电流平衡,并且调节过程短,比常规变压器具有更好的性能。

新型模块化多电平变流器的控制策略研究

针对轻型直流输电系统(VSC-HVDC)的应用,基于新型的模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,简称MMC)结构,建立了MMC变流器系统的电磁暂态模型,分别研究了MMC变流器的装置级控制和系统级控制。其中装置级控制实现了对MMC变流器的多电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制和直流侧电容电压平衡控制;系统级控制利用基于反馈线性化的非线性控制器,实现了对系统有功功率和无功功率的解耦控制。通过仿真软件PSCAD/EMTDC对所述控制方法进行了验证,仿真结果证实了控制方式的可行性。

60°坐标系下三电平逆变器SVPWM方法的研究

对于中点箝位三电平逆变器,传统的空间矢量脉宽调制方法需要进行大量的三角函数运算及扇区判定,增大了控制器的计算工作量。为解决这一问题,该文研究一种基于60°坐标系的空间矢量脉宽调制方法。该方法采用正(负)小矢量首发的七段式调制技术生成所需的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)波形,同时,根据负载电流方向及上、下电容(C1、C2)电压的大小,利用正、负小矢量对电容中点电压的不同作用,通过改变电压调整系数对正、负小矢量的作用时间进行调整,进而降低电容中点电压的不平衡程度。仿真结果表明,该方法可省去扇区判断过程,缩小计算工作量,维持电容中点电压基本平衡。

二极管钳位型单相三电平逆变器空间矢量脉宽调制方法

对单相二极管钳位型对称三电平逆变器和一种新型单相不对称三电平逆变器两种拓扑进行研究,提出一种适用于这两种拓扑结构的单相三电平逆变器空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)方法。该方法将单相空间矢量图分为4个区间,根据伏秒平衡原理,利用区间内的两个电压矢量实现对输出参考电压矢量的合成。提出根据负载电流方向和直流侧电容电压偏差的大小,来调整正负小矢量的作用时间的五段式脉宽调制方法,实现单相对称三电平逆变器直流侧电容中点电位的精确控制,减小开关器件的频率。在该调制方法下,新型不对称逆变器允许开关速度较快的器件和耐压值较高的器件工作在一起,结合了这些开关器件的特点。对两种单相三电平逆变器进行分析比较,并在两种拓扑上对本文所提SVPWM方法进行仿真和实验验证。

电磁力平衡传感器的磁缸温度稳定控制方法研究

未温度补偿过的电磁力平衡传感器温度漂移达200×10-6 g/℃,远不能满足万分之一克及以上的电子分析天平计量性能要求。详细分析了电磁力平衡传感器磁缸温度变化对传感器输出的影响,根据传感器结构及热传递路径,设计了一种基于高精度数字温度传感器的温度检测模块;利用正弦波信号在线圈上做功发热但产生电磁力合力为零的特点,提出了一种基于脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)控制的电磁力平衡传感器磁缸温度稳定控制方法。该方法根据磁缸温度变化量以及加载物体质量大小,不断地调节PWM输出的占空比,控制正弦波信号导通时间,改变线圈的发热量,实时调节磁缸的热平衡。实验研究表明,基于电磁力平衡传感器的电子分析天平应用上述研究方法后,温度漂移降低至15×10-6 g/℃,有效地改善了传感器温度稳定性,大大降低了天平温度漂移补偿的难度。

级联式电力电子变压器混合脉宽调制谐波分析及均衡控制

针对基于级联H桥及隔离双向DC/DC变换器的电力电子变压器,提出一种混合工频和高频调制的混合脉宽调制(HPWM)策略。基于波形合成原理及双重傅里叶积分方法,对5电平级联H桥HPWM输出电压频谱表达式进行了理论推导,并与载波移相调制时输出电压谐波特性进行对比。结果表明HPWM输出电压波形仅含有基波与载波边带谐波,在不增加谐波总畸变率的同时可降低系统开关频率。为解决HPWM时各模块开关模式不对称造成的中间直流电压不均衡问题,提出一种前级级联H桥采用开关函数轮换控制与后级隔离双向DC/DC变换器电压反馈加前馈控制相结合的子模块均衡控制策略,有效确保子模块功率及电容电压处于相同的动态变化范围。仿真和实验结果验证了HPWM谐波分析的正确性及所提控制策略的有效性。

三电平逆变器空间电压矢量控制算法仿真研究

分析了三电平空间电压矢量调制基本原理,提出了一种首发矢量全部采用正小矢量或负小矢量的空间矢量调制(SpaceVectorMdulation,SVM)算法,给出了小三角形区域判断规则、合成参考电压矢量的相应输出电压矢量的作用顺序和(SpaceVectorPulseWidthMdulation,SVPWM)信号的产生方法,探讨了影响三电平逆变器中点电压平衡的主要因素,并推导了各合成电压矢量的作用时间。用归一法将其他5扇区全部划归一扇区计算。仿真实验结果证实了本文提出的空间电压矢量调制算法的有效性。

模块化多电平变换器全电平产生原理及电容均压策略

模块化多电平变换器每个桥臂有N个模块,根据调制方法的不同,输出可以产生N+1电平(基本电平)和2 N+1电平(全电平),文中研究了这两种输出的工作机理,以及对桥臂电感的影响,研究了电平产生、环流及电容电压控制之间的关系。在此基础上,针对载波重叠脉宽调制(PWM)策略,提出了一种基于PWM信号轮换的模块电容均压策略,该策略可以根据需要调整策略的执行时间,以减少因均压带来的开关状态变化。通过一个560V直流输入的实验和仿真平台验证了所提出均压策略的有效性。