混合多电平变换器:一种新型高效的电压源变换器拓扑

本文提出了一种新型多电平电压源变换器拓扑。该拓扑是一种新型混合电路,它将有源功率开关(例如IGBT或者IGCT)的高开关性能和低损耗、高电压额定值的晶闸管结合起来。该混合多电平拓扑的主要优点在于:负载电流只流过工作单元的半导体。因而所有半导体仅仅在A C输出期间的某段特定时间是有源的,从而降低了传导损耗,获取了最大效率。本文以低压太阳能变换器和中压风力涡轮变换器为例,给出了损耗的计算结果。

基于准Z源网络的高增益模块化多电平谐振直流升压变换器

针对目前模块化多电平直流变换器(modular multilevel DC-DC converter,MMDC)在工程应用中轻型化、高增益等需求,该文提出一种适用于中小功率新能源接入场合和柔性直流输电系统的单向非隔离型高增益谐振MMDC拓扑及其调制与控制策略。其子模块电容和桥臂电感发生串联谐振,工作在谐振状态。所提变换器特点在于:1)由准Z源网络、上桥臂和下桥臂三部分组成,正常运行时,上、下桥臂投入子模块数恒定,以保证高压直流侧输出电压的稳定;2)结合提出的子模块交替投切调制策略,可实现子模块电容电压自均衡;3)变换器下桥臂大功率子模块可实现软开关运行,具有较小的开关损耗及电磁干扰。详细分析所提变换器的拓扑结构、工作模态、功率流动、控制和参数设计,仿真和实验结果验证所提变换器拓扑和控制算法的有效性。

并联多电平注入式电流源型变换器的新型拓扑

根据多电平注入交直流变换原理,设计了一种新的并联多电平注入式电流源型变换器拓扑结构,注入开关的导通电流为直流输出电流与电平数的比值。新型拓扑中每个注入支路单元由2个等效开关和1个独立电抗器构成;同一注入单元的开关交替通断;不同注入单元的开关采用状态遍历的开关控制方法,使处于通态的各单元开关平均分配直流输出电流。以三电平为例,对系统电压、电流波形及开关控制方法进行了论述,并在PSCAD/EMTDC软件环境下进行了仿真,分析与仿真结果表明了新型拓扑的良好特性。与现有的并联多电平注入式电流源型变换器拓扑结构相比,新型电路结构中注入单元开关器件的电流容量和开关通断时的电流变化率降低;各注入单元支路开关通态时间延长。

新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略

揭示一种新型多电平电压源换流器(voltage source converter,VSC),即模块化多电平VSC的起源与工作机制;介绍其子模块与VSC拓扑及相应工作原理;针对此新型换流器拓扑,并结合基于VSC的高压直流输电领域(high voltage direct current transmission system based on VSC,VSC-HVDC),提出一种基于幂和理论的改进型多电平基频开关调制策略。与通常策略中所使用的数字迭代技术,如"牛顿-拉夫逊"法相比,该文所提算法可显著简化运算、降低计算量,且能求出开关角的所有解;而通常算法仅能求出单一解,忽略了可能存在的其他解,最后进行了仿真验证。理论分析与仿真结果均说明关于模块化多电平VSC本质揭示的正确性及所提调制策略的优越性。

一种新型并联三电平注入式电流型变换器拓扑

提出了一种三相并联型自换相三电平注入式电流型交直流变换器拓扑结构,给出了开关控制方案和进行了工作原理分析,该拓扑结构的电路完全满足多电平谐波注入原理的要求。基于PSCAD/EMTDC软件环境进行了仿真,验证了文中提出拓扑和控制方案的可行性。新型三电平注入式电流型变换器结构方便拓展到多电平,与现有的并联多电平电流型变换器拓扑结构相比,处于开通状态的注入电路开关平均分配直流输出电流,降低了对注入支路开关器件的电流容量的要求和开关通断时的电流变化率,为主桥开关提供了可靠的零电流开关条件,省去了设计制造大容量多抽头电抗器的不便。

悬浮电容钳位多电平矩阵变换器拓扑与控制

矩阵变换器已广泛应用于中低压系统中,但在高压领域,矩阵变换器的使用受到了开关器件电压等级的限制。将矩阵变换器与多电平拓扑相结合,有望成为解决这一难点的重要手段。文中论述了多电平矩阵变换器的结构特点,重点研究了采用悬浮电容钳位实现多电平矩阵变换器的可行性以及悬浮电容电压控制策略,提出了完整的输出电压与输入电流的状态空间矢量调制策略。最后,通过仿真与样机实验论证了控制算法的可行性、可靠性和有效性。

具备零电流开关与谐波抑制的电流源型变换器新拓扑

为了克服传统电流源型变换器(current source converter,CSC)交流侧需要加装大容量交流电容器作为缓冲装置的缺点,将直流电流分配电路与传统并联式12脉波CSC相结合,研究了一种可以省去交流电容器并能有效抑制谐波的并联式7电平电流注入式电流源型变换器拓扑。该拓扑具有以下特点:通过开闭直流电流分配电路中的开关元件,将直流电流变换成2路幅值相同、相位互差30°、6倍于基波频率、7电平阶梯形周期变化且具有零值区间的三角波注入电流,两主桥开关元件在注入电流的零值区间内进行切换,实现了零电流开关(zero current switching,ZCS);变换器交流侧不需要配置大容量交流电容器,降低了设计成本,提高了系统的可靠性;主桥开关频率为50Hz的前提下,利用7电平阶梯形三角波注入电流可增加交流输出电流的电平数,改善了电流波形的谐波特性,使交流输出电流近似正弦波。另外还详细分析了新拓扑的工作机理,在PSCAD/EMTDC平台进行了仿真研究,搭建了实验平台,通过实验验证了理论分析的正确性和可行性。结果表明,所提出的新拓扑性能优良,结构简单,具有实用价值。

两种混合多电平变换器拓扑结构控制策略的分析

提出了一种以是否共享中间直流电压源为依据的新的多电平拓扑结构分类,并给出了两种相应的拓扑结构。这两种拓扑结构结合了GTO耐压值高和IGBT开关频率快的优点,并对它们分别采用工频调制和PWM调制策略,既可以减小系统开关损耗,降低EMI,又可以提高电压等级。其中不同电压比的混合拓扑结构还可以在相同直流电压源的情况下,增加输出电压电平数量。最后对这两种拓扑结构和控制策略进行了比较和分析,同时给出了一些在实际设计中应该注意的问题。

一种采用无源辅助网络的ZVZCS三电平DC-DC变换器

提出一种采用无源辅助网络的零电压零电流开关(ZVZCS)三电平DC-DC变换器拓扑,其中各开关管电压应力为输入电压的一半,并且能够在宽负载范围内实现各开关管的软开关。副边的无源辅助网络不仅能为滞后管创造零电流关断条件,而且还可抑制变压器副边整流后电压的过冲。本文详细分析了此变换器的工作原理及开关管实现软开关的条件,并通过实验样机验证了理论分析的正确性及此拓扑的可行性。

三电平软开关直流变换器典型拓扑分析

在分析了传统三电平软开关直流变换器中存在的问题的基础上,探讨了现有各种改进拓扑的运行特性及其优缺点,指出软开关并不能解决传统三电平变换器中存在的所有问题,谐振变换器取代软开关技术将是今后的一个研究方向此外。

基于多段式零序电压逼近的HANPC多电平变换器优化控制方法

多电平变换器具有器件承受开关应力小、低du/dt及输出谐波性能好等优点,广泛应用于高压变频调速、新能源发电及电力系统等中高压大容量电能变换场合。针对一种新型混合有源中点箝位型(hybrid active neutral point clamped,HANPC)多电平变换器存在零序电压求解误差较大,造成相电压电平跳变频繁及上下母线电容纹波过大的问题,提出一种多段式零序电压逼近的优化控制方法。首先探讨了不同开关状态及相电流对不同位置电容电压的耦合影响,给出了悬浮电容及中点母线电容均压控制方法;在此基础上,将零序电压求解问题转换为优化问题,同时考虑线性调制范围的约束,避免过调制及减少相电压跳变的情况。通过仿真及实验表明,所提方法适用于不同负荷及不同调制比,可以平滑电压参考信号并减少电平跳变的情况,进一步减少了上下母线电容电压的波动幅值,为其在中高压场合的应用提供了参考。

模块组合多电平变换器的环流模型

模块组合多电平变换器是应用于高压大功率电能变换领域的优秀拓扑之一,具有高度模块化、输出波形谐波含量少、无需工频变压器等优点。然而环流的存在使得模块组合多电平变换器的桥臂电流发生畸变,提高了器件的额定电流容量,进一步增加了系统成本。本文提出了模块组合多电平变换器的环流模型,将环流的作用等效为两个电流控制的电压源(CCVS),推导了环流和直流母线电流的定量关系,并结合实际系统特点对该关系式进行了修正。最后本文分析了环流中存在低频分量的原因,分析结果同时表明了模块组合多电平变换器适用于需要实现三相负序平衡的场合。

高压大功率双串联谐振多级电压式DC-DC变换器的研究

基于多电平理论,提出一种高压双LC串联谐振DC-DC变换拓扑。开关管零电压开通,损耗减少,开关频率提高;控制谐振网络作用电平进而间接控制变比,设计出适用于双LC串联谐振网络的二极管钳位网络,增大最高输出变比;结合频率控制,实现多级电压输出,具有BUCK-BOOST特性。电压调节更加灵活,适用于直流大功率变换场合;采用频率控制,避免了如传统BOOST变换器中,由于开关导通与关断时间不均匀而引起的损耗和温升过大等问题;通过MATLAB仿真并经过实验验证,证明了该拓扑的正确性。

一种混合9电平电压源逆变器及其变频脉宽调制

介绍了一种应用于中高压变频调速装置的9电平输出电压源逆变器,逆变器的主电路由2种不同拓扑结构的逆变电路组成,分别使用不同参数的开关器件实现,可以综合利用阻断电压高的器件和开关速度快的器件的优点。分析了逆变器主电路的拓扑结构及特点,研究了主电路的开关模式后提出了一种基于载波调制的适合于任意电平数目混合逆变器的PWM(脉宽调制)算法,最后仿真研究了混合9电平逆变器在变速驱动场合中的应用,并验证了算法的有效性。对线电压的频谱分析表明,混合9电平逆变器有很好的输出波形,输出谐波含量少,在高频段输出线电压的总谐波畸变率小于5％,输出电压的dv/dt小,可用于驱动大容量的中高压异步电动机。

级联H桥注入多电平变换器门级触发单元的设计

设计了一种应用于高压大功率的级联H桥电压注入电压源型多电平变换器拓扑结构的门级触发单元,分析了开关模式选择、电网同步、沿状态判断等在实现中需要注意的关键问题,并以在静止同步补偿器中的应用为背景做了仿真研究,结果证明了基于注入式多电平变换器的门级设计具有较好的稳态和动态响应特性。

多电平矩阵变换器的控制策略研究

提出了一种新颖的多电平矩阵变换器,介绍了其拓扑结构、工作原理和空间矢量调制技术。维持变换器内开关单元中点电容电压恒定和选择适当的控制策略,能在变换器两侧合成期望的可控正弦输入/输出电压。最后,对多电平矩阵变换器进行了仿真,验证了变换器的良好性能。

新型单相五电平电压源逆变器

为了改善传统多电平逆变器电路结构复杂的问题,利用较少的功率器件实现尽可能多的电平输出,提出一种新型单相五电平电压源逆变器。新型电路扑结是在传统的单相H桥型电压源逆变器的基础上,增加了两个单向功率开关,利用6个功率开关在交流侧就可以产生5个不同的电平输出。在分析电路拓扑工作原理和6种工作模式的基础上,给出了简单的PWM控制策略。实验结果验证了电路拓扑及其控制方法的有效性。

基于混合模块化多电平变换器的中压变频器设计

模块化多电平变换器(MMC)被广泛应用于高压直流输电领域,但其在中压变频调速系统中应用时存在电机低转速时电容电压波动较大的问题。针对该问题,本文设计了一种新型混合MMC拓扑结构,基于此设计的中压变频器能显著降低电容电压波动,尤其是在电机较低转速运行时。此外,新型拓扑不会引入共模电压,从而无绝缘和轴承电流问题,同时电流应力在整个转速范围内将保持在限值内,故设备效率较高。基于新型混合MMC拓扑的工作原理,设计了相关控制器。最后,搭建了变频器原理样机进行了相关试验,试验结果验证了所提出新型混合MMC拓扑的性能。

三相Buck型三电平AC/AC变换器

提出三相Buck型三电平AC/AC变换器的电路拓扑结构,研究其电路工作原理,并给出控制策略以实现输出电压和飞跨电容电压的联合控制。相比于两电平变换器,三相Buck型三电平AC/AC变换器的开关管数量加倍,并增加了3个飞跨电容,但各开关管的电压应力均降低为原来的1 2,故适用于高输入电压大功率应用场合。仿真结果证明了三相Buck型三电平AC/AC变换器及其控制策略的可行性和理论分析的准确性。

基于PSCAD/EMTDC的三电平电压源型STATCOM的仿真研究

根据STATCOM的基本原理,分析和推导了其数学模型。根据其数学模型,利用PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件建立了三电平静止同步补偿器STATCOM的仿真模型。采用SPWM调制方式和PI调节的控制策略来控制系统的直流侧电压的稳定和输出无功功率的大小,并对其进行了仿真。仿真结果证明采用此种控制策略能够达到控制要求,也说明了三电平电压源型STATCOM可以很好地补偿无功功率,提高功率因数,有效地改善电能质量。