具有低开关频率的三电平有源前端变换器模型预测控制

研究了一种具有低开关频率的三电平有源前端变换器AFEs低开关频率有限控制集模型预测控制LFCSMPC策略。该策略在一个控制周期内,同时施加有效电压矢量和零电压矢量。同时,引入降低平均开关频率控制目标项,并基于该目标函数求得有效电压矢量的最优作用时间,从而将带有最优作用时间的开关状态直接作用于功率变换器。该方法在兼顾控制性能的同时有效地降低功率器件平均开关频率,实现了低开关频率下的三电平AFEs高效运行。仿真结果表明,该方法在实际工程应用中具有一定的价值。

具有低开关频率的三电平有源前端变换器模型预测控制研究（英文）

针对中压大功率(medium voltage-high power,MV-HP)应用领域中功率变换器的高开关频率将导致功率损耗较大及效率较低的状况,研究了一种具有低开关频率的三电平中点钳位有源前端变换器(Neutral point clamped-active front-end converters,NPC-AFEs)有限控制集模型预测控制(Finite control setmodel predictive control,FCS-MPC)策略。该策略通过坐标变换构建静止α-β坐标系下三电平NPC-AFEs的预测模型,引入降低平均开关频率的控制目标项。该方法在兼顾控制性能的同时有效地降低了功率变换器的平均开关频率,实现了低开关频率下三电平NPC-AFEs地高效运行。仿真结果表明了该控制策略的有效性。

三电平双有源混合全桥DC-DC变换器最小回流功率控制

三电平双有源混合全桥(H-TLFB)DC-DC变换器通过引入三电平桥臂提高输入电压范围.针对该变换器在传统双重移相控制下具有较大的功率回流、较高的电流应力等问题,提出一种最小回流功率控制策略.首先分析H-TLFB DC-DC变换器功率传输特性,比较变换器在两种不同工作模式下回流功率值的大小,并根据回流功率与电压比、移相比、传输功率的数学关系,计算出回流功率达到最小时对应的最优移相比,并设计相应优化控制策略.与传统双重移相控制策略相比,最小回流功率控制策略下的回流功率可以在全功率传输范围内达到最小值,并且在一定的电压比范围内,回流功率、电流应力可以同时得到优化.最后,通过实验验证设计控制策略的正确性和可行性.

基于周期组合序列调制的三电平双有源桥均压策略

应用在双极性直流微电网(BDC-MGs)的三电平双有源桥(TL-DAB)变换器,在匹配多类型不平衡负载运行时,输出侧正负母线电压的不平衡将影响系统稳定运行。该文首先分析不平衡负载工况时TL-DAB变换器输出侧上、下端口分电容电压的不均衡原因,并提出一种基于功率传输与电压均衡的周期组合序列调制策略。该均压策略无需附加额外电路和储能器件,仅通过改变功率传输的周期数及单周期内端口电平脉宽占比,便可实现输出侧上下端口传输功率的差额分配以达到分电容电压的均衡。仿真和实验结果表明,在上下分电容负载极不平衡工况下,相对于传统对称调制策略,该文所提均压策略可以将电压不均衡度从12%降低至1%以下。

一种新型双向三电平倍流LCL-T谐振直流变换器

随着蓄能锂电池恒流充电方式的普及,针对双向车载充电机中传统电压源直流变换器不具备自然恒流输出问题,提出一种新型双向三电平倍流LCL-T谐振直流变换器,其由LCL-T谐振结合三电平级联中性点箝位有源桥构成。由于耦合变压器级联的特殊方式,有源桥各子桥臂可独立或并行工作,据此可设计不同的调制方式控制谐振腔输入电压,建立变换器一倍、二倍准恒流模式。为实现双向功率传输特性一致,谐振腔器件参数采用对称设计,进而研究了一种受归一化频率fn、品质因数Q控制的LCL-T谐振准恒流输出,并考虑无功功率控制和实现开关管零电压开通,设计满足给定准恒流输出精度的输出工况筛选算法。最后通过所搭建的仿真平台和实验样机证明所提变换器在各模式下均能实现给定精度内的准恒流输出。

T型三电平双有源桥变换器ZVS优化策略

当输入输出电压不匹配时,为了使双有源桥变换器(dual-active-bridge,DAB)在全功率范围内运行都能实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS),以T型三电平双有源桥(T-type three-level DAB,T3L-DAB)变换器为研究对象,与传统两电平DAB相比,该变换器引入了中间电平,增加了控制自由度。结合移相控制,提出了功率分段式ZVS(power segmented ZVS,PSZVS)优化方法,能够灵活控制电感电流的方向,实现了开关管在全功率范围内的ZVS。最后,在StarSim硬件在环实验平台和实物实验平台上进行了验证,实验结果表明,PSZVS优化方法在实现全功率范围内开关管ZVS的同时,兼顾了对电流应力和回流功率的优化。在低功率运行时,PSZVS优化下系统效率可达94.1%,而传统移相控制系统效率仅为82.5%。因此,所提PSZVS优化方法在提升系统效率方面是有效可行的。

三电平双有源桥变换器的新型控制策略研究

针对三电平双有源桥(TL DAB)变换器在电压不匹配及轻载条件下电流应力大、失去软开关特性、效率低的问题,提出一种基于四电平调制的新型控制策略。该控制策略包含两个控制自由度,分别为三电平桥内移相角和桥间移相角,引入桥内移相角后,三电平桥输出具有一定占空比的四电平电压。通过优化两个控制自由度,使TL DAB变换器在宽电压及全功率范围内具有更小的电流应力和更优的软开关特性,从而提升变换器在电压不匹配及轻载条件下的传输效率。最后,在小功率样机上验证了所提出控制策略的有效性。

三电平双有源全桥DC-DC变换器回流功率最小的移相控制

三电平双有源全桥(3L-DAB)DC-DC变换器在DAB拓扑中引入三电平桥臂,额外增加了一个控制自由度,增强了变换器调节的灵活性。采用传统移相控制时,3L-DAB会产生较大的回流功率,导致系统损耗增加,效率降低。针对这个问题,提出一种回流功率最小的移相控制策略。首先通过实时检测输入输出电压和电流,建立移相控制下3L-DAB的传输功率和回流功率的数学模型,推导出最小回流功率与移相角比例、电压比之间的关系。在此基础上,根据传输功率与电压比的范围变化,采用分段优化算法求解最小回流功率及其对应的最优移相角,根据最优移相角来进行移相控制的方法,称之为优化移相控制策略。将提出的优化移相控制与传统的移相控制对比分析,发现前者在宽电压比范围具有更小的回流功率和电流应力,从而提高系统效率。最后,通过实验验证分析的正确性和所提控制策略的有效性。

三电平ANPC变换器SVPWM优化控制方法

有源中点钳位型拓扑是一种能够克服传统的二极管钳位型和电容钳位型拓扑缺点的新型多电平拓扑。在对三电平有源中点钳位型变换器工作状态进行分析的基础上,对各开关管通态损耗和开关损耗进行了研究;提出一种空间矢量的优化控制算法,该算法在维持了空间矢量调制方法的直流电压利用率高及有效控制中点电压平衡等优点的同时,有效控制了每相开关管的损耗分布平衡,防止了热量的过分堆积,并且降低了传统有源中点钳位变换器算法复杂度,减少对温度采样电路数量的要求;最后搭建了三电平有源中点钳位型变换器仿真和实验平台对控制策略的有效性进行了验证。

带有有源前端的大功率双三电平变频器及其控制

论述了一种电网侧带有有源前端AFE(ActiveFrontEnd)大功率双三电平变频器DTLC(DoubleThree-levelConverter)的拓扑结构及控制方式。对电网侧有源前端AFE的数学模型及控制方法进行了研究并给出了仿真结果;对电动机侧两个中点钳位式NPC(NeutralPointClamped)三电平逆变器的串联结构、改进的SPWM控制策略、定子电压及计算方法进行了论述。仿真结果表明,该拓扑结构具有良好的输出特性和实用意义。

有源前端型三电平逆变器中点电位平衡的一种控制策略

由三电平有源前端(AFE)和三电平逆变器构成的中高压变频器在能量再生,功率因数,输入和输出谐波方面具有良好的性能.在这种变频器中,为了实现直流侧中点电位平衡控制(NPB),以往的方法都要对逆变控制采用的SVPWM算法进行调整,这不可避免地会增加逆变输出谐波.本文提出一种无需调整SVPWM算法而只在变频器前端解决NPB问题的策略,避免了逆变输出谐波的增加,使负载电机旋转磁场具有较为理想的圆度.文中介绍了这种NPB的基本原理,对在前端控制与在逆变侧控制的输入和输出性能进行了比较分析.仿真实验研究结果证明了该控制策略的正确性和有效性.

混合三电平DAB变换器软开关分析与多目标优化调制技术研究

该文以混合型二极管箝位型三电平双有源桥(neutral point clamped hybrid three-level dual active bridge,HN3L-DAB)变换器为研究对象。相比于两电平DAB变换器,HN3L-DAB的三电平结构引入中间电平,增加了控制自由度,从而更灵活地控制电感电流。文中首先分析NH3L-DAB的工作原理,推导出各器件动作时的电感电流值以及各工作模式的功率传输函数。在此基础上,针对一类输入高电压、输出大电流场合的应用需求,结合NH3L-DAB变换器的软开关特性,提出了高效率多目标优化调制策略,旨在同时减小导通损耗和开关损耗,兼顾实现高电压侧零电压开通、大电流侧零电流关断、降低电感电流有效值。最后搭建实验平台进行实验,在不同工况下验证三电平DAB变换器拓扑方案的可行性和多目标优化调制策略的有效性。

三电平有源滤波器直流侧电压控制方法

建立了三电平有源滤波器数学模型并提出了其直流侧电压的闭环控制策略。在电压外环中采用PI控制维持直流侧电压恒定。在电流内环中,从空间矢量PWM调制方法的角度出发,对中点平衡问题进行了仔细研究,总结了各种空间矢量对中点电压平衡的影响。然后针对三电平APF,提出了一种简单的中点电压平衡控制策略。该方法只需检测各相电流和中点电压波动的方向,对小矢量进行取舍实现中点电压平衡控制。同时,并没有增加系统的开关损耗和输出电压的du/dt。仿真结果证明了这种控制策略的正确性。

适用于二极管钳位型三电平有源滤波器的母线电压数字控制方法

传统两电平有源电力滤波器(active power filter,APF)由干功率开关耐压水平和载流能力的限制,难以实现对高压大容量非线性负载的谐波补偿。在高压大容量系统中,二极管钳位型三电平变换器得到了广泛的应用。对三电平APF进行研究,提出一种母线电压闭环数字控制策略。在同步旋转dq坐标系下,将三电平APF母线电压控制系统分为电压外环和电流内环2部分。在电压外环中,采用自适应滤波器求出直流侧电压平均值,采用PI控制器产生有功指令电流维持直流侧电压恒定。在电流内环中,针对三电平APF直流侧中点电位不平衡问题,从空间矢量PWM调制方法的角度出发,对中点平衡问题进行仔细研究,提出一种简单的中点电压平衡控制策略,只需检测各相电流和中点电压波动的方向,对小矢量进行取舍实现APF中点电位平衡控制。实验结果表明了所提出算法的正确性和有效性。

T型三电平400 Hz三相APF预测无差拍重复控制

针对在400 Hz航空电源系统中,为了提高电能质量而采用有源电力滤波技术,但因系统基频高且存在延时而出现的补偿效果不佳的问题,结合延时对补偿效果的影响分析,提出一种预测无差拍重复控制策略。首先,为提高系统在动态情况下的反应速度引入预测电流控制,在加快动态响应的同时减小系统稳态误差。其次,为解决电流控制及采样的各一拍延时问题,对参考补偿电流进行“两拍预测”。此外,为消除补偿电流的周期性控制误差,在电流控制环内嵌入重复控制。稳态和动态仿真中,该综合控制策略表现出比传统控制更优的补偿效果和动态性能。为了进一步验证该策略的有效性,实验在T型三电平400 Hz三相APF平台上进行。实验结果表明,该控制策略可以将400 Hz系统中网侧电流THD从10.5%降低到3.13%。

基于SiC器件的三电平ANPC牵引变流器损耗分析

在大功率牵引变流器中,采用具有开关速度快、耐高温、开关损耗低等诸多优势的SiC器件替代Si器件,并构建基于SiC器件的三电平ANPC变换器,可以大大减轻变流器的散热系统负担,有助于实现牵引系统轻量化,提升变流器的功率密度和整体效率。对4种三电平ANPC变换器拓扑(2种SiC+Si的混合型三电平ANPC拓扑、全SiC型三电平ANPC拓扑和全Si型三电平ANPC拓扑)及适用于不同拓扑结构的调制策略进行了详细的分析。结合4种拓扑工作于各自最优调制策略下的换流过程,对不同拓扑的功率损耗和热平衡特性等方面通过仿真验证进行了定量分析比较。结果表明,全SiC型三电平ANPC拓扑损耗分布最均衡,工作效率最高;2-SiC混合型三电平ANPC拓扑在保证性能的基础上成本更低,可以作为采用SiC器件的牵引变流器的一种较高性价比的选择。

基于二极管钳位三电平的有源电力滤波器

基于二极管钳位型三电平主电路,研究了电路结构和谐波补偿的工作原理,给出了三电平有源电力滤波器的控制方法,包括基于瞬时无功功率理论的ip、iq运算方式、有功无功解耦控制策略、预测谐波电流控制,并采用单电感辅助均压电路对两电容进行均压,最后使用MATLAB\Simulink仿真验证了该电路应用在谐波补偿的可行性。

三电平APF直流侧电容电压控制研究

为了提高三电平有源电力滤波器(APF)的动态补偿性能,针对影响APF补偿性能的直流侧电压平衡问题,提出一种基于零序电压注入的直流侧中点电位平衡控制方法,建立了该方法的控制模型,揭示了控制输入的零序电压分量作为一个控制自由度对中点电位的影响。分析了中点电压不平衡的根本原因,并给出一种基于符号滞后判断的中点电位平衡控制算法。三相正序参考电压指令采用无差拍控制方法产生,最后采用SVPWM控制方法产生脉冲信号。通过对系统的仿真和实验,验证了该控制方法的有效性和实时性。

采用特定消谐PWM的三电平AFE系统设计

在三电平有源前端(TLAFE)整流器上实现了特定消谐脉宽调制(SHEPWM)。介绍了SHEPWM方法的原理;给出了TLAFE的电压、电流双闭环控制结构;构建试验样机系统,对理论分析做了试验验证。试验结果表明,在试验条件下,采用SHEPWM调制的TLAFE系统,其输出电压谐波主要分布在23次及以上。配合适当设计的输入滤波器,在网侧电流性能接近的情况下,SHEPWM所需滤波器无功器件显著小于传统载波PWM,有效降低了系统的成本和体积。

三电平ANPC-DAB的零电压软开关特性与损耗均衡方法

采用多电平电路来构建双有源桥(dual active bridge,DAB)直流变换器可实现更高的电压等级与功率密度及更好的性能。基于半桥有源中点钳位型(active neutral point clamped,ANPC)三电平电路构建半桥ANPC-DAB电路,通过分析开关状态切换过程中零电压开通(zerovoltage switching,ZVS)的软开关特性,得出使全部12个开关管实现ZVS开通的条件。在此基础上,通过分析零电平开关状态对损耗分布的影响,提出一种能够有效改善开关管损耗分布的调制方法。为验证DAB的损耗分布及效率,对半桥ANPC-DAB建立损耗模型,对开关管的损耗分布及DAB的效率进行仿真分析。最后,通过1.5k W的实验样机完成实验验证。仿真与实验结果表明,所提出的调制方法在全部开关管实现ZVS的同时,有效地改善了功率器件的损耗分布。