Capacitor Pattern H-Bridge Multilevel Inverter (CPHMLI) Using Phase Diposition Pulse Width Modulation for Grid Applications

This work presents an implementation of an innovative single phase multilevel inverter using capacitors with reduced switches. The proposed Capacitor pattern H-bridge Multilevel Inverter (CPHMLI) topology consists of a proper number of Capacitor connected with switches and power sources. The advanced switching control supplied by Pulse Width Modulation (PDPWM) to attain mixed staircase switching state. The charging and discharging mode are achieved by calculating the voltage error at the load. Furthermore, to accomplish the higher voltage levels at the output with less number of semiconductors switches and simple commutation designed using CPHMLI topology. To prove the performance and effectiveness of the proposed approach, a set of experiments performed under various load conditions using MATLAB tool.

High Voltage Pulse Power and the Technics for the Capacitor Power-Storage Type

Lower hybrid wave （LHW）, electro cyclotron （EC） and neutral beam injection （NBI） etc. are the important methods of auxiliary heating. They would be devoted to the HL-2A tokamak step by step. In order to satisfy the debug of each system and the need of the experiment, the system should be equipped with high voltage pulse power （HVPP） according to the requirement.

一种两倍升压五电平开关电容逆变器

开关电容型逆变器具有使用单直流电源输入、电容电压自均衡、输出谐波含量低以及高电压增益的优势。本文提出一种新型五电平逆变器拓扑,该拓扑由1个直流电源、2个浮动电容、1个电感以及4对互补开关管构成;采用多载波层叠调制策略实现开关电容与输入电源的分时串并联运行;实现了2倍电压增益、五电平输出以及电容电压自均衡;通过增加电感抑制了开关电容充电时存在的脉冲电流,降低了开关管的电流应力。此外,逆变电路中没有单独二极管器件,使得该电路具有能量双向流动的能力,扩展了电路的应用范围。本文详细分析了电路的构成及工作过程,仿真及实验结果验证了所提出的逆变器具有可行性。

基于电流应力优化和6脉波调制的双有源桥AC/DC变换器控制策略

针对双有源桥(dual active bridges,简称DAB)AC/DC变换器,该文提出基于电流应力优化和6脉波调制的双有源桥AC/DC变换器控制策略.DAB和三相逆变器(three phase inverter,简称TPI)是双有源桥AC/DC变换器的两个关键单元.对DAB采用电流应力优化,对TPI采用6脉波调制.仿真实验结果表明:相对于单移相(single phase shift,简称SPS)调制策略,该文策略的电感电流的峰值更小,即能更有效地降低电流应力.因此,该文所提策略具有优越性.

基于双电容器耦合和线性补偿的高稳定度平顶脉冲强磁场调控系统分析与设计

平顶脉冲磁场具备脉冲磁场强度高和稳态磁场稳定度高的双重优势,是现代物理科学研究的重要工具。为满足脉冲场核磁共振、I-V测量等科学实验对平顶脉冲磁场高稳定度的需求,该文提出基于双电容器回路耦合放电和线性补偿的平顶磁场调控方案。为此,理论分析双电容器回路耦合放电过程,建立配置主/辅回路电容电压和放电时序的优化方法,基于IGBT有源区的流控特性,设计线性调节补偿回路和前馈反馈相结合的控制器,研制与主磁体解耦的1 T补偿磁体,对双电容器回路耦合放电产生的背景磁场进行高精度调控,最终实现了强度为45.2 T、持续时间为8 ms以及稳定度为0.02%的平顶脉冲磁场,满足相关固态核磁共振等科学实验需求。

全膜脉冲电容器电热老化分析

全膜脉冲电容器是脉冲功率系统的重要储能单元,其寿命影响着整个系统的可靠性。在脉冲工况下,全膜脉冲电容器的失效多为突发失效,且寿命的分散性较大。为探究全膜脉冲电容器老化失效机理,开展了其寿命试验及电场与温度场的仿真。利用LTD基本放电单元(Brick)实验腔体对电容器进行寿命测试并获得失效电容器,分析了失效电容在不同故障形式下的失效原因,并利用有限元分析软件对电容器局部“电场易畸变”区域进行了电场仿真,说明上述区域存在的畸变电场是发生绝缘介质击穿的主要原因;对电容器进行温度场分析,发现电容器温度与充放电频率成正相关,温度最高点位于电容器几何中心处附近,在充放电频率较低时,电容器温升不明显,说明在较低充放电频率下,电容器绝缘介质老化以电老化为主,而非热老化。

感应子脉冲发电机容性整流系统瞬态特性分析

基于放电电感模型全面地分析了感应子脉冲发电机容性整流系统的瞬态特性,厘清了此整流系统存在的全部四种工作模态。推导出各模态之间的临界电压值,以及换流延迟角度和重叠角度的计算式,建立了瞬态模型,并用阀对阀电路仿真和试验结果验证了所提理论计算的准确性。阐明了电路中各模态对充电过程的作用,分析了电路的等效形式,揭示了充电电压与电机电势(EMF)幅值的设计原理。研究结果表明:电路可以看成直流电源串联一个等效换流电抗和等效瞬态换流电感对电容器充电的形式;整个充电过程中起主要作用的是模态1和模态2;合理的充电电压设置值应介于1.3倍~1.5倍发电机相电势幅值之间。

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。

HT-6M托卡马克加热场脉冲电源的设计

HT-6M托卡马克装置重建是为响应“一带一路”倡议的中泰合作国际项目,加热场脉冲电源的作用是击穿和产生等离子体,其电源方案采用电容储能脉冲放电形式。为计算出满足要求的电源参数,对加热场脉冲电源放电过程进行数学分析,并根据电源设备的工作参数,设计并研制了电源的核心器件。为验证电源放电过程的理论分析,研制了一套小型电容储能脉冲电源,证明理论分析正确性的同时,对电源大功率固态断路器进行关断实验。

基于平均值模型的感应子脉冲发电机电容器重频充电系统分析

基于平均值模型对感应子脉冲发电机电容器重频充电系统进行了研究。分析了次暂态磁链在充电过程中的变化规律,以及次暂态磁链的变化对充电性能的影响。仿真和计算结果表明,次暂态磁链在充电过程中逐渐变小。当充电时间与发电机的电磁时间常数相当时,充电过程中次暂态磁链下降会导致充电电压明显降低,因此必须考虑次暂态磁链变化的影响。进一步研究了具有恒流控制功能的励磁电源对充电过程中调节作用的影响,并指出为了降低发电机对绝缘性能的要求,在重频充放电脉冲模式下励磁电流应该采用逐渐上升的方式。

储能电容无机电介质薄膜研究进展

无机电介质薄膜相对有机电介质材料具有更高的工作温度范围,相对无机块体陶瓷材料又有更高的击穿场强和储能密度,因而近年来受到研究者的关注.从无机电介质薄膜材料的5种类型:顺电薄膜、铁电薄膜、弛豫铁电薄膜、反铁电薄膜和线性电介质薄膜,分类综述了过去10余年这个领域优化其储能性能的手段与思路,从不同尺度归纳无机电介质薄膜的储能改性策略,最后展望发展趋势,如应用场景的挖掘、能量效率与能量密度的平衡和多尺度改性等.

磁阻型电磁发射器剩余能量回收电路的仿真与实验

对于传统磁阻型电磁发射器,驱动线圈中的剩余电流会对弹丸产生反向电磁力,这会直接影响弹丸出口速度和发射效率。针对这一问题,提出了一种具有剩余能量回收功能的磁阻型电磁发射器驱动电路。通过在电容放电支路设置调节电感,使放电完成后的电容产生反向电压,对晶闸管施加逆流脉冲使其自然关断,以切换电流流通路径来实现驱动线圈中剩余能量到电容器中的转移。回收的能量被储存在电容器中,可作为磁阻型电磁发射器下一个工作周期的初始储能,减少了电容预充电时间。对提出的剩余能量回收电路的工作原理进行了介绍,并与传统电路进行了仿真与实验对比。仿真与实验结果表明:此电路可以迅速回收驱动线圈中的剩余能量,减少了能量损耗,消除了反向电磁力,提高了弹丸出口速度与发射效率。

一种MV级峰化电容一体化电容分压器的研制

峰化电容器由于结构紧凑一般采用间接测量其承受的电压,而峰化电容电压的直接测量一直是难以解决的问题。为了解决该问题,以峰化电容器为基础,研制了一种新型结构的电阻补偿式自积分型峰化电容一体化电容分压器。其次,根据分压器的新型结构分析了峰化电容一体化电容分压器的理论分压比,给出了理论分压比计算公式,分析了影响低频响应的因素并进行了电路仿真验证。同时,开展了方波标定实验,得到了两个探头的分压比及响应时间,且探头响应时间均小于6.2 ns。此外,为了得到更准确的分压比并验证正常工作状态下该一体化电容分压器分压比的稳定性,进行了高压在线标定实验,得到了1#探头分压比为11 071,2#探头分压比为15 148。且在更高电压等级下,该电容分压器探头的测量相对误差较小,分压比稳定性良好。

Effect of Frequency on Degradation in BOPP Films Under Repetitively Pulsed Voltage

Operating conditions of film capacitors are complex,and the problem of film insulation failure caused by repetitively pulsed voltage is becoming ever serious.Degradation of the film under repetitively pulsed voltage cannot be accurately evaluated by the average breakdown electric field.In this paper,the effects of pulsed electric field and pulse repetition frequency on the breakdown in biaxially oriented polypropylene(BOPP)films are investigated.Three phases of BOPP degradation are proposed based on the voltage amplitude,i.e.,maintenance(M),decline(D),and near-zero(N).Evolution of the BOPP film from degradation to breakdown at different frequencies is presented.Meanwhile,transition of discharge mode and elemental composition of the film are analyzed.Experimental results show continuous heat generation under repetitive microsecond pulses is the dominant factor for degradation of BOPP film.The number of applied pulses and the repetitive stressing time decrease exponentially with increase of frequency.This research can be contributed to the safe and reliable operation of capacitors.

基于周期交错调制的飞跨电容九电平逆变器

经典的三电平逆变器存在电容电压不平衡、结构复杂等问题。而且从三电平提高到五电平或七电平,电路所需器件会急剧上升。通过H桥级联型多电平逆变器(MLI)则需要多个独立电源并带来开关器件电压应力大的问题。针对当前的问题和限制,此处提出了一种基于飞跨电容(FC)的九电平逆变器(9L-MLI),该拓扑仅需10个开关管、3个电容,即可实现九电平电压输出,同时在不添加辅助控制的前提下利用冗余工作模态和周期交错调制结合实现飞跨电容自平衡。并且拓扑输出端皆采用半桥结构控制极性翻转,有效地降低端侧开关管的电压应力。逆变器采用载波叠层脉冲宽度调制(PD-PWM)方法。最后,通过实验样机对所提出的9L-MLI的性能进行评估,验证了该拓扑的可行性。

用于高幅值陡脉冲测量的电容分压器特性研究

雷电冲击试验是电力设备电气绝缘材料测试的重要试验项目,具有上升时间快、幅值高的特点,对于高幅值陡脉冲电压的测量是其核心的技术。建立了400 kV雷电脉冲的试验平台,对脉冲电容分压器及其冲击响应特性进行研究,分析了电容器介质材料对其频率响应特性的影响。试验结果表明:脉冲电容分压器对雷电脉冲电压具有不同的频率响应,具体表现为测得的雷电电压波形波尾处发生不同程度的畸变,同时不同介质的脉冲电容分压器的刻度因数与理论计算值之间存在较大偏差。从介质理论出发,对试验现象进行了分析,研究结果为脉冲电容分压器的深入研究提供了理论和工程应用基础。

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。

重频大电流下金属化膜脉冲电容器温升累积效应研究

电磁发射技术中通常要求脉冲功率电源具有数十千安幅值、数毫秒脉宽的脉冲电流,并且具备重复频率连续发射能力。金属化薄膜电容器因其储能密度高、使用寿命长而被广泛应用于脉冲电源系统。根据脉冲电容器的结构及脉冲电源的工作模式,该文首先建立脉冲电容器的发热及散热模型;然后,在多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.6中建立瞬态温度场模型,并结合现有实验结果验证模型有效性,进而讨论重复频率脉冲放电应用中金属化膜脉冲电容器内部温升的累积现象。结果表明:在脉冲放电峰值1 kA、环境温度15℃、金属膜厚4 nm条件下,以12次/min的重复频率、30 s时间间隔连续工作10次后,脉冲电容器芯子最大温升为22.9℃。在此基础上,仿真分析环境温度、重复频率、脉冲电流峰值、电极厚度四方面因素对脉冲电容器温升的影响。该模型给出重频大电流下脉冲电容器内部瞬态发热规律,可为脉冲电容器合理运行和优化设计提供参考。

基于D-S证据融合理论的轨道电路补偿电容故障判决方法研究

在铁路信号系统动态检测数据中,地面轨道电路的补偿电容脉冲检测信号和轨道电路感应电压数据均可反映补偿电容的工作状态。针对单一来源数据进行补偿电容故障判别误报率高的问题,提出一种基于D-S证据融合理论的补偿电容故障判决方法。首先,针对补偿电容脉冲检测信号和轨道电路感应电压数据,提取出有效代表补偿电容状态的特征值,并基于该特征值进行正常/故障概率分配;其次,利用D-S证据融合理论,对单一判定结果进行融合,得到每个补偿电容的故障概率,从而实现补偿电容故障识别;最后,基于实际检测数据对所提方法进行验证。试验结果表明:相较于基于补偿电容脉冲或感应电压的单一来源数据故障识别方法,基于D-S证据融合理论的补偿电容识别准确率分别提升13%和5%,有效地提高了补偿电容故障识别准确率。

一种新型开关电容准谐振多电平逆变器

针对现有多电平逆变器充电过程存在电流尖峰和电压波动问题,提出一种新型准谐振五电平逆变器。简言之,采用载波层叠脉宽调制方案,将开关电容技术与传统五电平逆变器相结合,减小了前级承受的累加电平,实现了五电平输出;并在电容充电过程与串接电感谐振,消除了电流尖峰和电压波动,同时减轻了电容的发热问题,延长电路的使用寿命。最后,对所提结构进行了仿真验证,其结果证明了所提逆变器结构方案的正确性和可行性。