单相光伏级联多电平逆变器漏电流抑制与功率均衡控制综述

单相级联多电平逆变器(CMI)因其可实现组件级最大功率点跟踪(MPPT)、组件可关断、多电平输出电压谐波含量低、集优化器与并网逆变器为一体的结构等优势,近年来在光伏并网系统的研究领域受到关注。以单相非隔离型独立直流母线结构的光伏级联多电平逆变器(PV-CMI)为研究对象,针对其存在的两个问题进行综述:一是因缺少隔离环节可能导致的漏电流问题:二是单相PV-CMI各单元间相互独立的直流光伏输入可能导致的功率不均衡问题。这两个问题对单相PVCMI的安全稳定运行造成了威胁,从而极大地限制了单相PV-CMI的推广和应用。文中分析了单相PV-CMI的基本原理和拓扑特点,分别就其漏电流与光伏功率不均衡两大关键问题,综述现有的研究方案并进行了总结。最后,展望了PV-CMI未来的发展趋势及其存在的技术挑战,为后续研究提供了参考。

一种级联H桥多电平逆变器故障诊断方法

为了诊断级联H桥多电平逆变器的开关管开路故障,提出一种基于载波层叠调制(LSPWM)技术的故障诊断方法,直接对H桥输出电压、负载电流和驱动信号的输出特性曲线进行分析。当部分驱动信号断开后,相应的电流和电压出现部分缺失和波动,从而推出故障情况下三者之间的对应关系。依据调制波和负载电流的方向,将系统运行分为4种工作模式,并在特定模式下诊断故障。对故障情况下负载电流过零处的特性曲线进行分析,用以识别H桥中对角开关故障。与现有方法相比,该方法扩展基于LSPWM下的故障范围为双管故障,诊断逻辑易于理解且不需要添加额外的硬件电路。通过仿真证明了所提故障诊断方法的正确性和有效性。

基于矩形区域分类的NPC型H桥级联五电平逆变器简化模型预测电压控制

为进一步提高中点电压钳制(neutral point clamped,NPC)H桥级联五电平逆变器的动态响应、降低控制器计算负担的同时确保装置低损耗运行,文中在电压矢量矩形区域分类的基础上,提出一种以满足动态响应和降低开关损耗为目标的两级优化模型预测电压控制策略。首先根据逆变器数学模型和期望电流进行目标电压矢量计算、修正,接着基于矩形区域分类对目标电压矢量进行定位;并以定位后的候选矢量为基础,设计了两级优化目标函数以输出满足要求的最优矢量。仿真和实验结果验证了该方法的有效性,与空间矢量脉宽调制以及传统模型预测电流、电压控制策略相比,该文所研究的两级优化模型预测电压控制策略,在确保逆变器动态响应的前提下既能降低控制器计算负担,还能有效减少器件开关损耗。

新型混合级联多电平逆变器拓扑及调制策略

为解决现有非对称级联多电平逆变器存在低压单元电流倒灌和输出电平数少的问题,提出一种基于开关电容电路的混合级联多电平逆变器。首先,在两单元非对称级联H桥型逆变器的低压单元中嵌入一个开关电容电路,有效避免了低压单元电流倒灌,且输出电平数得以增加。然后,为减少所提方案应用于三相系统时所需直流电源的数量,提出了用三电平中点箝位型或T型逆变器电路作为高压单元的三相混合级联多电平逆变器拓扑。之后,针对所提逆变器拓扑的特性,提出了含有移相载波和层叠载波的混合调制策略,在满足逆变器输出高质量正弦脉宽调制电压波形的同时,有效减小了开关电容电压纹波和开关器件的切换频率及开关应力。最后,通过实验验证了所提混合级联多电平逆变器拓扑及调制策略的可行性。

一种不对称级联H桥多电平逆变器通用的线性功率均衡方案

不对称级联H桥多电平逆变器由于级联各个单元的直流侧电源电压不同,出现级联单元之间功率分配不均衡问题,为此提出一种通用的线性功率均衡调制方案。功率均衡调制方案对高压单元导通角进行约束,对低压单元的载波进行纵向循环重构,实现了各个级联单元直流侧电源电压不同的情况下,使得逆变器可以在全调制度下保持各级联单元输出功率均衡的效果。并且在拓扑结构增加级联单元数时,调制策略也展现出优秀的通用性。同时该方案对低压单元进行的载波重构还能够使得各低压单元的开关管损耗保持一致,使各个H桥的开关管具有更为接近的温升,有利于逆变器选择合适的散热器。最后通过仿真与实验证明了方案的有效性。

级联型NPC-HB多电平逆变器功率均衡控制策略研究

针对级联型中点钳位全桥(neutral point clamped H-bridge,NPC-HB)多电平逆变器模块间存在功率不均衡的问题,通过详细分析传统基于载波层叠调制策略下模块输出功率与输出电压基波有效值之间的定量关系,提出一种改进型混合调制策略。该策略将载波层叠和移相相结合,不仅能够保证各个模块输出功率的均衡,而且可提高输出电压的等效开关频率,进而有效地降低输出滤波器的体积和成本。文中对模块间功率分布情况以及模块内部各个器件损耗分布情况进行分析,并搭建含两个级联NPC-HB九电平模块的实验样机。实验结果表明该调制策略能够有效解决级联系统中各功率模块之间的功率均衡问题。

级联多电平逆变器输出电压和电流采集方案研究与应用

模块化多电平逆变器因具有调制算法成熟、输出电压谐波特性好、电压变化率低以及在模块单元故障下继续维持工作等优点,使其在大功率高压逆变器中得到广泛的应用。首先分析了传统级联多电平高电压和大电流检测方案在实际应用中的缺点和可能给检测装置带来亚健康的隐患,然后提出级联多电平逆变器输出电压和输出电流检测方案,最后在所提方案的基础上详细设计了电压检测和电流检测电路的各项参数,并将该电路原理图应用在H桥单元级联多电平中间包感应加热电源上进行输出电压和电流参数检测试验验证。试验结果表明所提的电压检测和电流检测方案可以满足级联多电平逆变器输出参数检测的各项性能要求。

一种基于变压器的新型九电平逆变器

针对光伏并网逆变器,传统拓扑结构常采用先升压再逆变的结构,造成效率进一步提升受到限制且输出电压电平数较少。对此,提出了一种基于变压器的新型单相九电平逆变器。首先,详细地分析了所提逆变器的拓扑结构,并给出了各开关管在正、负半周期内的开关状态。为了突出所提拓扑的优势,将之与其他类似的九电平逆变器进行对比。同时,为使所提逆变器性能最优,将电平合成脉宽调制(LSPWM)技术应用至该逆变器。此外,还给出了具体的级联方案,使得所提拓扑可以通过级联的方式来提高逆变器的输出电压,亦或是增加输出电压电平的数量。最后,搭建样机并进行了实验,实验结果充分证明了理论分析的正确性以及该方案的可行性。

基于相移级联多电平逆变器的STATCOM研究

针对目前静态同步补偿器(STATCOM)存在的问题,提出了将级联多电平逆变器作为STATCOM的主拓扑,运用相移SPWM(PSSPWM)调制的解决方案,详细阐述了其工作原理和控制方法。MATLAB的仿真结果表明,它既能省去庞大笨重的变压器,减小功耗;还可以成倍提高等效载波频率,降低输出谐波含量,使级联逆变器拓扑成为STATCOM的首选。

采用波形合成法的级联型多电平逆变器谐波控制

为改善级联型多电平逆变器输出电压波形质量,对通过控制逆变单元开关角实现级联多电平逆变器谐波控制的方法进行了分析研究。针对解方程组法消除特定谐波中高次多变量方程组难于求解的问题,提出了一种波形合成消除特定谐波的方法。利用此方法可通过简单的三角公式递推计算获得实现特定谐波消除的开关角。依据理论计算结果进行的例证演示列出了开关角所有可能的取值情况,说明通过逆变器开关角的选择可同时实现输出电压中特定谐波的消除及基波幅值的调节。仿真与实验结果验证了该方法的可行性。

一种新颖的单电源级联型多电平逆变器

从经济性和功率集成角度提出一种单电源级联型多电平逆变器。该拓扑在保留了传统级联型多电平逆变器中单管耐压低、所需器件少、易于模块化的优点上,其直流侧仅有一个独立电源,其它电源可用电容代替。通过引入充电开关管组,电源可为电容频繁地充电,使电容电压在一定程度上保持恒定。独立电源和电容有效组合使得多电平逆变器稳定运行。详细地介绍单电源级联型七电平逆变器的工作原理及采用的载波移相调制策略;通过数学推导得到电容电压稳定性的影响因素,结果用于电容参数设计;充电损耗也进行了计算;控制系统通过TMS320LF2407A DSP和XC3S400FPGA数字化实现。搭建一台1 kW逆变器样机,验证了提出拓扑的可行性。

一种适用于混合级联多电平逆变器的LS-PWM方法

与传统的等压级联拓扑相比,混合级联多电平逆变器能以较少的功率器件和隔离直流电源,输出较多的电平数,在增加功率密度、减小体积和降低成本等方面具有明显优势,因此在中高压大功率领域具有较大的应用价值和发展前景。然而,当采用常规的混合调制方法时,在部分调制比区间内,低压单元存在功率倒灌问题,使得其直流侧电压持续上升。为了避免这个问题,低压单元直流侧需采用能量可以双向流动的可控整流器,这使得系统的复杂性和成本大大增加。该文提出一种单极性载波层叠脉宽调制方法,可以在任意调制比的情况下避免功率倒灌问题,因此低压单元直流侧仍可以采用二极管不控整流器。仿真和实验结果验证了该方法的可行性和理论分析的正确性。

级联多电平逆变器研究

介绍了带独立直流电源的级联多电平逆变器的拓扑结构 ,讲述了优化阶梯波宽度技术的基本原理 ,并对级联七电平逆变器进行了仿真分析和实验研究。

级联多电平逆变器在STATCOM的应用研究

随着多电平变换器在高压大功率方面的广泛应用,针对目前静态同步补偿器(STATCOM)存在的问题,提出了将级联多电平逆变器作为STATCOM的主拓扑,运用相移SPWM(PSSPWM)进行调制的解决方案,该方案既能省去庞大笨重的变压器,减小功耗;还可以成倍提高等效载波频率,降低输出谐波含量.文章详细阐述了其工作原理和控制方法,并通过MATLAB仿真实验验证了方案的可行性.

阶梯波合成级联型多电平逆变器功率均衡策略

首先指出在波形质量要求相同的条件下,Ⅲ型级联多电平逆变器所需级联单元个数最少。接着讨论了3种级联多电平逆变器功率均衡问题,指出I型级联单元数低于7时,宜采用循环脉冲实现功率均衡,高于7时,宜采用调整开关角的方式实现功率均衡;Ⅱ型级联多电平逆变器只能通过调整开关角实现功率均衡,由于开关组合方式冗余,Ⅱ型存在多组功率均衡方程组,而通过计算发现,2单元Ⅲ型级联多电平逆变器无法实现功率均衡。最后通过一台单相容量为2kVA的原理样机对3单元Ⅱ型级联多电平逆变器的均衡策略进行了实验验证。

级联型逆变器的新型简化多电平空间矢量调制方法

传统多电平空间矢量调制(space vector modulation,SVM)方法需要大量的矢量选择等复杂运算,级联数目较高时,算法变得异常复杂而难以实现。该文借鉴载波移相调制的思想,提出一种新颖的基于两电平SVM的简化多电平SVM方法。将各级H桥逆变器施加相同幅值和相位的电压矢量,而将各自的电压矢量更新时间相互错开,进而形成相应的多电平输出电压波形。每个采样周期只需依据两电平SVM算法计算一单元的主、辅电压矢量及其作用时间,计算量与级联数目无关,进而显著简化了算法难度,并增强了可扩展性。三单元情况的仿真和实验结果证明了所提出方法的正确性和可行性。

级联型多电平逆变器中的谐波控制

级联型多电平逆变器中,逆变器模块单元数越多,输出波形质量越好,但模块数的增加也同时意味着成本的增加。本文分析了最小模块单元数级联型多电平逆变器在高频应用中的谐波控制问题。通过求解器件开关角方程,给出了模块电源电压比值不同时开关角的选择范围及输出电压基波幅值的调节范围,并依据输出电压谐波畸变率与基波幅值关系,总结了模块电源电压比值的选择原则。仿真与实验结果证明了理论研究的正确性与可行性。

级联型多电平逆变器线电压谐波优化的SVPWM策略

级联型多电平逆变器采用载波移相控制可以自然实现各H桥单元功率均衡,开关管开关次数保持一致,而采用同相层叠控制可得到谐波含量更小的线电压,但各H桥单元功率不均衡,开关次数也不一致。本文提出一种结合同相层叠控制和载波移相控制二者优点且实现简单的空间矢量调制策略。通过对电压矢量进行重新组合划分,可以将多电平空间矢量控制算法简化为多个两电平空间矢量的移相叠加。对载波进行重构,可以实现输出线电压谐波更小,同时各H桥单元功率自然实现均衡,开关管开关次数达到一致。搭建了一台三相4.5kW的级联型五电平逆变器,对所提出的SVPWM策略进行了实验验证,实验结果表明所提出的空间矢量调制策略的有效性。

级联型多电平逆变器的功率均衡控制策略

该文针对级联型多电平逆变器的几种调制方法,包括阶梯波调制法、特定谐波消除脉宽调制法和载波空间排列SPWM法,提出了一种新的功率均衡控制策略。该策略利用级联型多电平逆变器相电压冗余的特点,通过以1/4输出周期为单位互换各个H桥单元的输出电压波形,实现了各个H桥单元在一个输出周期内的功率均衡。与现有的功率均衡策略相比,新的策略可以在一个输出周期内达到功率均衡,并具有控制简单,H桥单元功率波动小的优点,同时满足对效率和波形的要求。该文以三单元七电平级联型逆变器为例,对上述功率均衡控制策略进行了理论分析和仿真验证。

级联多电平逆变器空间矢量调制算法零序电压分布及优化算法

逆变器输出电压中的零序分量在电机中形成共模电压,它通过寄生回路产生的共模电流会损坏电机轴承、造成绕组绝缘的破坏以及产生电磁干扰。本文在将常规dq0坐标旋转45°后的新坐标平面中,研究了空间矢量对应的零序分量的分布规律。结果表明,只要适当地减小调制系数,逆变器输出电压矢量的零序分量幅值就可以小于一定的限制值。基于该规律,提出了一种将级联型多电平逆变器输出零序电压幅值的相对值限制为1/3的空间矢量调制算法。仿真和实验结果表明,该调制方法对零序电压的抑制是有效的,并且计算简单、易于实现。