Study of the EAST Fast Control Power Supply Based on Carrier Phase-Shift PWM

EAST （experimental advanced superconducting tokamak） fast control power supply is a high-capacity single-phase AC/DC/AC inverter power supply, which traces the displacement signal of plasma, and excites coils in a vacuum vessel to produce a magnetic field that realizes plasma stabilization. To meet the requirements of a large current and fast response, the multi- ple structure of the carrier phase-shift three-level inverter is presented, which realizes parallelled multi-inverters, raises the equivalent switching frequency of the inverters and improves the per- formance of output waves. In this work the design scheme is analyzed, and the output harmonic characteristic of parallel inverters is studied. The simulation and experimental results confirm that the scheme and control strategy is valid. The power supply system can supply a large current, and has a perfect performance on harmonic features as well as the ability of a fast response.

单相级联型多电平变换器直流纹波电压分析及抑制策略

级联H桥型多电平变换器采用移相变压器+整流供电时具有功率因数高、输出电压谐波含量低等优点,在大功率工业领域范围内得到了广泛应用。传统的调制算法都以假设直流母线电压恒定为前提,然而在直流侧会出现低频纹波并被调制和传输到负载,导致输出电压波形畸变。目的为了探讨级联H桥单元供电侧存在大量直流纹波电压导致输出负载电压波形畸变的问题,方法本文首先采用双重傅里叶理论分析直流纹波电压,在此基础上引入一种直流纹波前馈补偿策略,通过测量每个级联H桥的直流侧实际输入电压除以电压基准值并与传统载波信号相乘,进而与调制电压进行载波移相调制;同时采用矢量控制,通过FFT变换虚拟出无功电压,以获得更快的收敛速度、更高的稳定性和更小的振荡。结果仿真和实验结果表明,所提调制算法和控制策略可有效抑制负载电压中的低次谐波,减小输出电压波形畸变,实现逆变电源的快速动态响应和无稳态误差控制。结论实验结果验证了本文所采用的调制策略和控制策略的可行性与合理性。

级联半桥拓扑直流直挂储能装置的设计

随着海上风电、光伏等新能源的大规模建设,产生了直流输电、交直流互联和储能的应用需求。目前储能技术的研究和应用主要集中于交流储能领域。模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based battery energy storage system,MMC-BESS)虽然在交直流互联的同时,实现了储能的功能,但电池中流过的工频、二倍频等脉动电流成分对电池寿命有潜在影响,且传统的模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)换流站的改造成本高。本工作提出的直流直挂储能装置将换流和储能分离,电池电流仅为直流和高频脉动成分,工况对电池友好,且直流直挂储能系统需要电池单体数量仅为MMC-BESS的1/6,成本低。对直流直挂储能装置的拓扑结构及工作原理进行分析;对级联子模块的数量和参数进行设计;基于载波移相调制,推导直流纹波电流,进而对并网电感参数进行设计;建立直流直挂储能装置的数学模型,推导控制模型,根据控制框图进行功率控制。最后,通过仿真和样机实验,验证该半桥拓扑级联型直流直挂储能装置设计的可行性及正确性。实验证明,该设计和控制方法效果良好,对高压大容量直流直挂储能装置的设计有一定参考价值。

三电平降压型DC/DC变换器的建模与控制

三电平非隔离DC/DC变换器具有高效率、高功率密度、低成本等优点,广泛应用于新能源储能领域。此处分析了三电平降压型DC/DC的工作原理,推导并建立了系统的小信号模型,采用载波移相控制。同时,针对高压侧电容中点电位不平衡问题,采用了一种电容电压平衡控制策略。最后,对所采用的变换器控制策略进行了仿真,并在一台60 kW样机上得到验证。

全移相双有源全桥直流变换器的瞬态电流偏置抑制策略

针对双有源全桥(DAB)直流变换器在功率突变时产生的电流偏置问题,该文提出一种新的瞬态直流偏置抑制策略。首先,以基于全移相调制的双有源全桥直流变换器为研究对象,分析DAB变换器产生直流偏置的原因及危害。然后,在全局电感电流应力最优结果的基础上,对功率在四个工作区域突变时产生的瞬态直流偏置问题进行详细分析,推导各种电流突变情况下的直流偏置表达式,并据此提出一种新的过渡态引入方法,对于不同的功率突变状态可以得到统一的过渡移相角表达式,简化了控制过程。接着,根据所得过渡态结果,提出统一的载波调制方法,并对调制策略的适用性进行分析。最后,通过实验平台验证了所提方法可以有效消除功率突变时产生的电流偏置。

低载波比调制下的MMC-UPFC电容电压减频效应

低载波比(载波频率与基波频率之比)的载波移相调制策略可有效降低MMC-UPFC的开关损耗,但会导致“减频效应”造成电容电压谐波频率明显降低,严重削弱电容电压均衡策略的控制效果。根据电容电压谐波频率随载波比降低的规律,定量分析了低载波比调制下MMC-UPFC电容电压的减频效应,明确了低载波比与电容电压低频波动、子模块电容不稳定充放电状态和子模块间电容电压不均衡间的内在联系及其发生机理;在此基础上,提出一种基于RBF神经网络的减频效应抑制策略,通过检测电容电压的谐波分量进行最优载波比选择和电容电压控制。最后以苏州南部500kV UPFC示范工程为参考进行仿真,证明了MMC-UPFC电容电压的减频效应的存在性以及抑制方法的有效性。

三相线电压级联多电平变换器原理及仿真研究

级联多电平变换器以其良好的性能在电力电子变换领域有着广泛的应用,但目前仅有单相串联结构,不易直接应用与三相系统。为研究三相线电压级联多电平变换器,结合单元串联多电平变换器原理,提出了一种三相线电压级联多电平变换器的拓扑结构及其相应的控制方法,并进行了仿真研究。结果表明,这种模块化的结构构具有提升电压等级、降低总谐波次数THD的功能,与单元串联多电平变换器相比,能够节省开关管个数及独立直流电源个数,适合在高压大功率场合使用。

多电平并联型复合电流扰动发生器

提出一种新颖三相并联型复合电流扰动发生器的主电路拓扑,由背靠背H桥模块构成。其中,一侧换流器采用H桥级联方式接入系统,用以提高电压等级,另一侧换流器采用单相多绕组变压器并联方式接入系统,用以提高电流容量。级联H桥模块和脉宽调制整流H桥模块都采用三角载波移相控制,提高逆变器等效开关频率,降低整流侧开关纹波电流。从理论上分析了低频正弦波调制扰动电流、谐波电流、无功电流和功率因数调节。最后,设计制作了一套低压400V/100kVA复合电流扰动发生装置样机。实验结果证明所提出的主电路拓扑和控制策略是有效可行的。

级联型多电平变频器的一种改进PWM调制法

本文简单介绍级联型多电平变频器的拓扑结构及其通常采用的载波移相控制的工作原理,根据它的优缺点,提出了一种新型的适用于级联型多电平变频器的改进PWM调制策略,阐述该策略的原理,并给出了其系统的实现方法。使用MATLAB软件对该法进行建模和仿真,结果表明新方法比载波移相法具有更好的控制效果。基于级联型高压变频器平台进行了实验,采用TMS320F2812 DSP,FPGA和PLC实现系统的数字控制,实验结果论证了该方法的可行性。

一种新型四象限多电平变流器

提出了一种新型四象限多电平变流器拓扑结构,由级联H桥型整流器、中频变压器和级联H桥型逆变器三部分构成。建立了变流器的能量传输模型,提出了相应的控制方法和调制策略;分析了输入侧变换器的输出电压模型,给出了相应的调制算法流程。阐述了各中频H桥的工作相位的作用,即达到了控制各电容电压平衡的目的,实现了变流器的四象限运行。实验结果验证了拓扑结构和控制方法的正确性。所提变流器拓扑结构省去了传统的工频变压器,降低了变换器体积和重量,可以应用于高压大容量场合。

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。

MMC模块电容电压波动分析与均衡控制研究

针对模块化多电平变流器(MMC)各子模块(SM)电容电压不平衡问题,对载波移相调制(CPSM)下相应SM电容电压均衡控制策略进行了研究。首先介绍了MMC的拓扑结构,分析了其工作原理;其次为分析MMC SM电容电压的波动和内部环流的基本成分,以双载波移相调制策略为出发点,对电容电压波动和环流进行了数学分析;在此基础上将SM电容电压和上下桥臂电流作为反馈信号,提出了电容均衡控制策略;最后通过仿真建模和实验室环境下搭建的小功率单相MMC实验系统,验证了所提控制策略的正确性和有效性。

级联H桥SVG直流侧电容电压平衡控制方法

直流侧各模块电容电压的稳定控制是保证级联H桥静止无功发生器(static var generator,SVG)正常运行的重要条件。推导了级联H桥SVG与电网交换的有功功率数学模型,得出了相间与相内各模块吸收有功功率的关系,总结了相内各模块直流侧电容电压不均衡的原因。为解决由脉冲延时造成的级联H桥SVG直流侧电容电压不平衡,提出了在全局调制信号的基础上叠加一个与补偿电流同向的有功电压来动态调节各模块有功功率的方法,并运用有功–无功解耦全局控制策略保证SVG设备实时无功补偿。仿真结果验证了所提方法的有效性。

中压大功率负荷特性模拟装置的控制策略

提出一种新颖的三相并联型负荷特性模拟装置及其相应的主电路拓扑结构。该装置采用分相控制,其基波和谐波电流采用解耦控制,级联H桥模块采用三角载波移相控制,通过连接电抗器实现基波和谐波电流的注入及装置功率的调节。提出调节逆变器输出基波电压相角和幅值来调节注入系统的有功和无功功率,并给出装置有功和无功功率的数学表达式。分析装置在不同工况下的等效电路,得到系统电抗、基波连接电抗和谐波滤波电抗对装置注入电流精度的影响。对低频电流波动、电流谐波和功率因数调节分别进行仿真研究,仿真结果表明了主电路拓扑及控制策略对负荷特性模拟的可行性和有效性。

基于周期控制的载波移相策略研究

为了抑制系统内部网侧四象限变流器产生的高频谐波,减小对电网的谐波污染,防止产生车网高频谐振,提出一种基于周期控制的载波移相策略及实现方法。针对同一列车多个牵引系统之间无同步线的情况,提供一种以网压过零点为参考,通过微调PWM载波周期,实现准确且稳定的校正载波移相角的方法。通过Matlab/Simulink仿真及混合动力动车组牵引系统运行实验,验证该载波移相策略的可行性及有效性,为工程实践提供指导。

载波水平移相高压变频器实验研究

介绍了功率单元级联型高压变频器的拓扑结构和载波水平移相控制的工作原理,提出了利用现场可编程门阵列(FPGA)与DSP相结合实现多路SPWM脉冲的方法。该方法利用FPGA实时产生的多路脉冲对功率单元级联型高压变频器进行控制,并用示波器和互感器等对输出电压和电流波形进行了测试。实验验证了FPGA与主控制器相结合实时产生多路脉冲的可行性,以及基于载波水平移相功率单元级联型高压变频器具有优良的电压、电流等输出特性。

配电网中自平衡电力电子变压器控制策略研究

采用由三相H桥级联整流器,带双主动桥高频变压器和交错并联的单相逆变器组成的三级式自平衡电力电子变压器的拓扑结构。着重介绍了各部分的控制策略,高压级整流器采用分层控制并引入交换载波控制,双主动桥则采用了单移相控制,而单相逆变器采用准比例谐振控制,同时加入基于虚拟阻抗的下垂控制策略,以抑制电路环流。针对三相电压平衡和不平衡的不同情况,进行了仿真验证,结果表明电力电子变压器均可正常运行。

模块化多电平换流器的电容电压平衡方法

为解决模块化多电平换流器(MMC)在采用载波移相调制时的电容电压平衡问题,提出一种基于载波交换的平衡方法。该方法位于调制层,不改变子模块的调制波,既不影响输出电压波形,也不会产生额外的开关损耗。首先详述了MMC的拓扑结构、工作原理以及调制方式;分析了开关状态交换时可能会出现的4种情况,分别是存在上升沿时桥臂电流大于0或小于0和存在下降沿时桥臂电流大于0或小于0;给出了具体的电容电压平衡方法及流程图。实验结果表明,所提方法可快速有效地将桥臂的电容电压集中在参考值附近,且各路电压之间无大幅波动,具有很好的平衡效果。

高压变频矢量控制系统的仿真

以单元串联型高压变频器作为研究对象,根据载波移相SPWM和矢量控制的原理,建立了高压变频矢量控制系统仿真模型,并对其进行了仿真分析,结果证明了该系统具有良好的动态特性.

新型模块化多电平变换器的PWM控制

新型模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)通过子模块电压叠加输出高电压,输出电压谐波含量少,且无需额外的滤波器和变压器,十分适用于轻型直流输电系统中。由于MMC各桥臂级联多个子模块,各子模块中通过对直流储能电容器的双向PWM斩波输出需要的电压,这就需要对各子模块电容电压进行平衡控制。基于MMC的工作原理,提出了一种经过优化的载波移相SPWM调制策略和子模块电容电压平衡控制策略。通过PCAD/EMTDC仿真软件对所提出的控制策略进行了验证,证明了该策略的可行性和有效性。