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。

改进型零电压开关PWM三电平直流变换器

该文介绍了改进型零电压开关脉宽调制三电平直流变换器(ZVS PWM TL 变换器),该变换器是将传统的 ZVSPWM TL 变换器的变压器和谐振电感位置互换,使得变压器与滞后管相连。改进后的变换器箝位二极管在一个周期中只导通一次,同时零状态谐振电感电流较小,有利于提高变换器的效率,占空比丢失也减小。该文详细分析了该变换器的工作原理。为了防止变压器直流磁化,一般在变换器中加入隔直电容,该文分析了隔直电容与变压器或谐振电感串联时对电路工作的影响,确定一种最佳方案,并通过实验验证理论分析的正确性。

单一次绕组电压源型全桥多输入变换器

全桥多输入变换器可以实现多个输入源同时或分时向负载传输能量,但每一路输入均需要一个一次绕组。随着输入源数量的增加,一次绕组的数量也相应增加,使得变压器的制作变得很困难。本文根据脉冲电压源单元组合原则,将非隔离脉冲电压源单元组合进行串联或并联组合,直接替代单输入全桥变换器的输入源,获得了一簇单一次绕组电压源型全桥多输入变换器。该类变换器仅需要一个一次绕组,变压器结构非常简单,易于制作。本文以两个Buck型脉冲电压源单元组合串联构成的单一次绕组双输入全桥变换器为例,分析其工作原理和控制策略,阐述脉冲电压源单元组合和主变换器中开关管开关时序对滤波电感电流脉动的影响,最后通过原理样机进行实验验证。

基于自耦变压器的多电平注入式电流源型变换器

多脉波整流技术对于减小电网谐波有着重要意义。传统的隔离型多脉波整流器由于隔离变压器体积和容量大而受到限制,本文提出了基于自耦变压器的多电平注入式电流源型变换器,在减小网侧电流谐波的前提下,有效地减小了变压器的等效容量和体积,并在直流侧引入新型注入电路,令主桥开关能够完全实现零电流切换。通过分析新拓扑的工作原理,给出了系统的数学模型,对直流侧电压、交流侧电流特性和系统各部分容量值进行了详细分析,并与传统自耦型12脉波变换器进行了对比。通过仿真验证上述结果的正确性,证明该系统的实用性和经济性。

电网电压不平衡时电压源型变换器的参数设计

实际电网常有三相电压不平衡现象发生,严重影响大功率电压源型变换器(VSC)的稳定运行能力,在VSC参数设计时应予以充分考虑。已有研究表明VSC参数选取与电网相电压幅值有关,文中对此分析了表征电网电压不对称状况下的不平衡度与相电压跌落深度的关系,提出了基于电网电压不平衡程度的VSC参数设计方法。给出了与不平衡度、系统容量等具有工程实际意义的相关参数的解析表达式,并通过仿真验证了所提出的参数设计方法的合理性,为VSC的参数选择提供了工程实用算法。

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。

一种改进型零电压开关PWM三电平直流变换器的研究

介绍了一种带输出饱和电感的移相零电压开关PWM三电平直流变换器,与传统的零电压三电平比较,它具有在较宽负载范围内实现零电压软开关;减小副边占空比丢失;减小输出二极管的寄生振荡及电压尖峰等特点实验样机表明,该电路整机效率高,采用电流峰值控制后,系统的稳定性高,易于实现中大功率DC/DC变换。

电流源型半桥变换器启动冲击及开关管关断电压尖峰问题研究

针对电流源型半桥变换器存在的启动冲击电流过大以及开关管关断电压尖峰问题展开研究与分析。在介绍电流源型半桥变换器稳态工作原理的基础上,分析了电流源型半桥变换器开关管关断电压尖峰产生的原因以及启动冲击电流过大的原因,针对这两个问题提出了改进措施,增加了有源吸收电路,并给出了启动时的控制方法。最后搭建了一台28 V输入/180 V输出、250 W的电流源型半桥变换器样机进行了实验研究,研究所提出的电路改进措施和控制方法的可行性。

用于系统直流电压控制尺度暂态过程研究的电压源型并网变换器幅相运动方程建模与特性分析

随着电压源型并网变换器(voltage source converters,VSCs)的大量使用,新型储能元件--直流电容在现代电力系统中已广泛分布。装备各直流电容在系统暂态过程中的能量积累与能量交换,可能引发系统出现与直流电容状态量(即直流电压)动态尺度相近的暂态稳定问题(文中称作直流电压控制尺度暂态稳定问题)。关于此,目前的文献在装备层面针对VSC直流电压的暂态行为及其控制优化进行了一些分析,但缺乏对多台VSC装备并入系统后因相互作用所引发的系统层面直流电压控制尺度暂态问题的研究。而认识VSC并网装备直流电压控制尺度下的暂态特性是研究现代电力系统相应尺度暂态过程及稳定性的基础。该文基于VSC完整矢量控制策略(包括直流电压、锁相及端电压控制等),应用幅相运动方程的建模方法建立适用于VSC直流电压控制尺度暂态特性分析的暂态模型。该模型为如何描述VSC并网装备相对电网的暂态特性提供了一种新的视角,使电气工程师可以像理解熟悉的同步机一样去理解VSC并网装备。最后,在Matlab/Simulink中验证了所建模型的正确性,并基于该模型分析了VSC对不同功率扰动的开环暂态响应特性及其与同步机暂态响应规律的异同。

弱电网下电压源型变换器静态稳定性分析

电压源型变换器(Voltage Source Converter,VSC)作为新能源发电的并网接口广泛地应用于电力系统。以单台VSC经线路阻抗并入无穷大电网为例,推导弱电网下VSC功率输出特性。基于VSC系统阻尼转矩模型得出阻尼系数直接决定系统静态稳定,同步系数通过影响阻尼功率相位间接影响系统稳定。根据阻尼功率与同步功率之间的相位关系解释了VSC系统静态失稳机理,并且利用Bode图研究了系统参数与运行工况对系统稳定性影响。结果表明,电流环比例增益越低、锁相环带宽越窄或无功功率运行不合理,VSC系统将面临静态失稳风险。同时在Matlab/Simulink中搭建VSC并入弱电网模型,验证了理论分析的正确性。

含多电压源型变换器型电力电子设备的互联电网广域阻尼控制

随着众多电压源型变换器型电力电子设备接入电力系统的渗透比逐步增加,形成了含多变流器的电力电子化互联电网.本文针对多电压源型变换器型变流器的无功调制特点,利用多变流器无功调制能力设计广域阻尼控制策略,为互联电网提供阻尼并抑制低频振荡.首先,对多电压源型变换器型变流器控制环节构成进行介绍,研究并构建了多电压源型变换器型变流器通用性模型;其次,分析了多变流器无功调制阻尼贡献机理;最后提出多变流器广域阻尼控制策略,利用多电压源型变换器型变流器无功环节的模糊控制来对互联电网功率振荡进行抑制.通过构建多电压源型变换器型变流器算例仿真,结果表明,该方法可为系统提供阻尼,有效抑制区域间振荡,增强电力系统的稳定性.

基于空间电压矢量的有源中点箝位型五电平逆变器母线中点电压平衡问题的研究

有源中点箝位型五电平(active neutral-point-clamped five-level,ANPC-5L)变换器与三电平相比,具有输出电压等级较高、输出功率更大、电流谐波含量较低等特点,在高压大功率领域具有较高的研究价值。以ANPC-5L变换器作为研究对象,采用空间电压矢量脉宽调制控制算法,通过分析ANPC-5L变换器的单相拓扑结构及其工作原理,针对不同开关状态下的ANPC-5L变换器的母线中点电压的波动模型进行研究分析,得出了平衡母线中点电压偏差的公式及ANPC-5L变换器中点电位的平衡域曲线。以此为基础,提出一种有效平衡中点电压的控制方法,通过选择参考电压矢量所在三角形的开关序列及同时控制复用矢量的作用时间之比,实现了悬浮电容电压与中点电压的解耦和平衡控制,最后通过实验进一步验证了控制算法的正确性和有效性。

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。

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。

多电平变换器中性点电压平衡控制的拓展型教学案例设计

多电平变换器是电力电子领域的重要研究方向。针对多电平变换器中性点电压平衡控制,设计了实验教学案例。由于涉及功率开关器件、拓扑结构、电路分析、变换器建模、调制与控制等知识,多电平变换器的学习要求学生具有一定的背景知识。对于广泛应用的中性点钳位型变换器,直流侧电容器的电压平衡控制是保障系统安全稳定运行的关键技术之一。基于嵌套式中点可控型五电平变换器,对其中性点电压平衡问题展开讨论。通过循序渐进的课程设置,让学生从原理到实践了解并掌握相关知识;鼓励学生进一步在拓扑结构、调制算法和控制策略等方面提出自己的优化思想和创新思路。

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。

基于等效开关电路模型的三重化线电压级联型变换器控制

线电压级联型功率变换器是一种以传统两电平六开关电压源型变换器为单元,通过线电压级联方式构成的多重化变换器。由于其具有易于模块化,扩展性强,所需隔离直流电源数少等优点,因此更适合作为网侧变换器用于风力发电系统。通过分析其工作原理与结构特点,提出一种载波移相空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略;并建立统一的等效开关电路模型;通过分析传统的采用集成控制思想所设计的控制系统的不足,从而提出一种改进的控制策略。该策略不仅具备集成控制的优点,且通过增加均压补偿控制环及负序电流抑制环,实现了对多重化变换器中各组成单元传输功率的控制,解决了因各单元传输功率不均衡而造成的直流侧电容电压不均等与交流侧三相线电流不对称等问题。实验结果表明了所提出的控制策略的正确性与有效性。

多电平电压源型逆变器的容错技术综述

随着逆变器电平数的增加,功率半导体器件数量随之增大,使得逆变器发生故障的概率增大,并将严重影响系统的安全可靠运行。目前,逆变器系统的可靠性分析与容错能力备受关注。首先归纳了电压源型逆变器常见的故障类型,主要对钳位型和级联型常用多电平电压源型逆变器的容错拓扑、调制策略及容错控制方法进行了归类和总结,最后讨论了多电平电压源型逆变器容错技术的研究方向和发展趋势。

单相二极管箝位三电平电压源型换流器谐波分析

电压源型换流器(voltage source converters,VSC)正常工作时会产生谐波,对电网造成污染。因此,有必要建立其谐波分析模型,分析谐波产生机理和相互作用规律。本文首先分析了单相二极管箝位三电平电压源型换流器时域下的数学模型且建立不同调制方式下开关函数的动态相量模型,并将单相三电平时域模型转化为动态相量谐波分析模型;然后基于龙格库塔法解得不同调制方式下,交流侧电流和直流侧电压各次谐波含量;接着,通过仿真分析,验证了所提出谐波分析模型的正确性;最后,通过分析单相三电平电压源型换流器的动态相量模型,揭示了交流侧电流和直流侧电压谐波产生的机理和相互影响规律。

基于EL模型的三电平电压型PWM整流器的无源与PI相结合控制方法研究

为了提高三电平电压型PWM整流器的性能,论文提出了基于EL模型的无源控制与PI控制相结合的控制方法。根据三相四线三电平整流器主电路拓扑结构,建立了dq坐标系下的EL模型。基于EL模型,采用注入耗散矩阵的方法,并与PI控制方法相结合,设计了无源控制器。该方法使整流器具有较低的谐波失真、单位功率因数等优点。仿真结果验证了基于无源与PI相结合设计的非线性控制器的可行性。