飞跨电容型多电平整流器载波重构调制策略

针对飞跨电容型多电平整流器存在众多冗余开关状态的特性及飞跨电容的电压平衡控制需求,提出一种通用的载波重构调制策略。该策略通过构造多段锯齿形载波来增加调制自由度,在保持与载波同相层叠调制策略相同的线电压谐波性能的同时,还具备载波移相调制策略的飞跨电容电压自平衡特性。仿真与实验结果验证了所提调制策略的有效性。

基于MPC的耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器功率均衡解耦控制策略

耦合电感功率变换器因耦合电感阻抗、电感值等参数差异易导致功率不均衡。针对耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器,提出一种基于模型预测控制(MPC)的功率均衡解耦控制策略。通过对变换器原理进行分析,建立基于电感电流解耦的数学模型,得到包括电感电流和飞跨电容电压等6个控制变量的解耦控制方法。在此基础上,提出基于MPC的功率均衡解耦控制策略。同时,为降低MPC算法的运算负荷,根据解耦控制模型重构模型预测价值函数,实现各控制变量独立动态寻优,使系统能在稳定控制输出电压及飞跨电容电压的同时,实现两相耦合电感的功率均衡控制。最后,通过理论分析及实验对所提策略进行有效验证。

适用于大型海上风电的谐振型飞跨电容式模块化升压变换器

随着海上风电发电容量的增大与离岸距离的增加,全直流型海上风电系统的优势越发明显。高压DC-DC变换器是该系统的核心部件,承担直流升压与输电的关键功能。对此,该文提出一种适用于大型海上风电的谐振型飞跨电容式模块化升压变换器,不受大功率中频高压变压器制造工艺的限制,无变压器结构使其能工作在更高频率,减少内部无源器件,实现轻量化。在高升压比应用场景中,变换器内部大部分功率器件为二极管,可节省控制单元,并降低成本。与电流连续模式相比,当内部二极管半桥工作在电流断续模式时,该变换器能在仅增加少量通态损耗的前提下实现内部功率器件的软开关。此外,该变换器采用准方波调制时,电流断续模式能避免内部串联二极管承受高dv/dt。最后,通过样机实验验证了该变换器拓扑的可行性与参数设计方法的正确性。

一种带飞跨电容的单相光伏逆变器

非隔离型逆变器存在的漏电流会增大系统损耗、产生安全隐患。研究了一种带飞跨电容的新型单相光伏逆变器,由5个开关管、一个飞跨电容和一个滤波器构成,结构简单,易于实现。逆变器交流侧与直流侧共地,可完全消除漏电流。针对该新型单相光伏逆变器,采用一种改进的单极性SPWM技术进行控制,优化了各开关管的控制逻辑,所有开关管只在半周期内高频调制,有利于减少开关管损耗。搭建了逆变器的仿真模型和实验样机,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

基于PI控制的飞跨电容均压环研究

光伏发电占我国发电总量的比重越来越大。飞跨电容多电平拓扑能够有效减小电感体积,因此在高功率密度、高效的场合具有应用前景。但飞跨电容逆变器实际运行中,会出现飞跨电容电压不均压的情况,不仅会使电路失去倍频效应,还会使开关管两端的电压应力不均衡,造成损坏。选择七电平FCML作为实验对象,将基于PI控制的均压环拓宽至七电平FCML中,搭建了一台3kW的样机验证了基于PI控制的均压环均压效果的有效性。

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。

一种混合型飞跨电容三电平Boost装置研制

为适应“双碳”政策驱动下光伏系统朝着高电压等级、高功率密度的发展方向,设计并研制了一款易于软启动的混合型飞跨电容三电平Boost装置(HFCBC)。该拓扑使飞跨电容兼具了从光伏侧和母线侧软启动的能力,降低了过压过流风险。其次,基于状态空间平均法建立了系统小信号模型,设计了带有超前补偿的控制器。最后,搭建了250W的原理样机,验证了所提方案的合理性。

输入输出共地型三电平Buck/Boost变换器飞跨电容电压自平衡分析

输入输出共地型Buck/Boost变换器中飞跨电容的平衡机理是变换器正常运行及飞跨电容电压控制的关键。在实际应用中,飞跨电容虽然具有一定的自平衡作用,但是其平衡能力与多种因素有关。在现有的文献中,针对Buck/Boost变换器飞跨电容的自平衡能力与哪些因素相关的问题尚未有深入的分析。因此,基于输入输出共地型Buck/Boost变换器,建立高次谐波模型,定量分析飞跨电容具有自平衡能力的原因;在谐波模型基础上,更进一步分析驱动误差、变换器回路交流阻抗、母线电容、负载电阻及飞跨电容对于飞跨电容平衡能力的影响,指出变换器回路交流阻抗是实际应用中飞跨电容具有自平衡能力的主要因素。最后,在实验平台上对相关分析进行实验验证。

基于定频MPC的飞跨电容储能双向直流变换器低频波动功率抑制策略

为抑制直流母线低频波动功率对储能系统的影响,以飞跨电容双向直流变换器为研究对象,提出基于单目标定频模型预测控制(model predictive control,MPC)低频波动功率抑制策略。为降低传统MPC算法的运算负荷,通过对变换器数学模型进行分析,提出一种单目标定频MPC控制算法。该算法仅需通过电感电流单目标约束函数,即可实现对系统电流及双端飞跨电容电压的控制,无须对两端飞跨电容电压进行独立寻优,极大地降低了计算量。为实现对储能系统低频波动功率的抑制,引入低频波动功率抑制算法,通过与所提MPC算法的融合,使最终控制方案能够在实现储能控制目标的前提下,具备低频波动功率抑制能力,且保持良好的动态性能。通过搭建小功率实验平台对所提控制策略的有效性进行了验证。

基于光伏逆变器的飞跨Boost电路参数设计方法研究

针对1500 V电压等级的组串光伏逆变器升压环节,文章开展基于飞跨Boost电路的最优参数计算研究。基于主流光伏电池板的规格要求,确定所设计飞跨Boost电路的输入输出参数。根据飞跨Boost工作原理,首先开展功率半导体模块的选型与校核计算;然后在电路工作极限点分别计算最小输入滤波电感、输入滤波电容和飞跨电容等参数,并提出动态控制策略;最后通过仿真表明基于飞跨Boost主电路参数设计方法的有效性和准确性,为1500 V电压等级的组串式逆变器提供了一种升压电路的设计方法。

船用690 Vac基于飞跨电容三电平的Buck/Boost双向变换器的预充电控制策略

[目的]针对基于飞跨电容三电平的船用690 Vac双向变换器,为使其能稳定启动并过渡到正常工作状态,必须对飞跨电容进行预充电,因此提出适应于飞跨电容三电平的基于单管控制的预充电策略。[方法]控制基于飞跨电容的三电平外管的通断,对飞跨电容进行高效、快速预充电控制。[结果]将预充电控制策略应用于690 Vac双向变换器,Buck模式于1 s,Boost模式于5 s内完成飞跨电容的预充电,预充电结束后飞跨电容电压保持为高压侧电压的一半,输入侧电容电压保持为输入侧电压。[结论]经过试验验证,所提出的基于飞跨电容的三电平外管通断控制的预充电策略可应用于690 Vac双向变换器装置,不需要外加预充电功率器件,既简化了拓扑,又确保飞跨电容的可靠、快速预充电。

基于SPBO-RF的飞跨型逆变器故障诊断

开关管故障在并网逆变器中普遍存在,然而现阶段对开关管的故障诊断率低,在检测精度方面仍有提升空间,基于此,提出一种故障特征识别方法。该方法利用经验模态分解(EMD)算法进行故障特征提取,然后用学生心理优化算法(SPBO)优化随机森林(RF)的树深和树数目两个重要的超参数来进行故障特征识别。该方法兼具SPBO和RF的优点,可进行多管故障诊断并提高收敛速度和精度。最终仿真结果表明,所提方法的故障诊断率可达98%,对比其他方法,所提方法具有更好的诊断效果,验证了所提算法的有效性。

飞跨电容多电平逆变器开关损耗最小PWM方法

该文在理论分析的基础上建立了飞跨电容多电平逆变器载波相移PWM方法和空间矢量PWM方法之间的联系,并以此为依据,提出了飞跨电容多电平逆变器开关损耗最小PWM方法。与传统的载波相移PWM方法相比,该方法使飞跨电容多电平逆变器每相输出在一个开关周期内有120°不开关区域;根据负载的功率因数角,通过调整注入的零序电压,使120°不开关区域最大程度地位于负载电流的最大处,因此该方法大大减小了开关损耗,提高了系统的效率。仿真和实验结果证明了该方法的正确性和可行性。

飞跨电容多电平逆变器的新型载波PWM方法

提出了飞跨电容多电平逆变器的一种新型PWM方法,该方法能够很好的平衡飞跨电容的电压。和传统的相移载波PWM方法相比,该方法的谐波性能得到了很大的提高,尤其是在低调制度下。采用该方法对飞跨电容三电平逆变器进行了仿真和实验验证,仿真和实验结果的一致性证明了该方法的正确性和可行性。

一种飞跨电容型多电平逆变器电容建压方法

提出一种飞跨电容多电平逆变器(flying capacitormultilevel inverter,FCMLI)的电容建压方法。FCMLI进入稳态工作前,各飞跨电容电压需有效充电至所需电平值,并保证该过程中,电压、电流应力不超过可承受范围。利用FCMLI原有高压输入及电路内蕴Buck电路建压的方法,不能满足电压应力的要求。利用电路自身构造以飞跨电容为输出的逆向Boost DC/DC变换器,在原输出侧新增低压电源输入,可对各飞跨电容进行高频脉宽调制(pulse widthmodulation,PWM)充电,且各飞跨电容建压严格依据电平大小次序进行,使器件电压应力始终不超出最小电平。电压、电流双闭环控制策略的使用,能同时控制电流应力。该方法在满足功能性与应力要求的同时,基本不改变FCMLI原有电路,新增硬件开销小,具有灵活适应性。以五电平情形为例进行仿真与实验,验证了以上分析的正确性。

内蕴电压平衡控制的飞跨电容逆变器的PWM方法

采用多电平结构是逆变器实现高电压大容量化的有效途径。飞跨电容逆变器因为只需要一个独立直流供电电源、电平数易扩展、控制灵活等优点而备受青睐,但是电容电压的平衡问题却制约其推广应用。针对此问题,该文提出一种内蕴电压平衡控制的PWM方法,该方法由直接PWM算法和基于最大单元电压偏差抑制的开关状态选择法则组成,前者是由给定的ABC坐标系下的参考电压来确定逆变器所需输出的电平电压、相应的作用时间及作用顺序;后者是确定逆变器的开关状态以产生已确定的电平电压,同时控制电容电压的平衡。该PWM方法理论上适用于任意电平的飞跨电容逆变器,它不但能够有效控制电容电压的平衡,而且还能够保证功率开关频率的均衡、便于数字化实现。该文给出了该方法的数字化实现原理。最后,基于飞跨电容五电平变频器对所提出的PWM方法,做了详尽的仿真分析和大量的实验验证。

飞跨电容多电平光伏逆变器共模电流抑制技术

以飞跨电容多电平光伏逆变器为研究对象,首先建立系统共模模型,在此基础上分析开关状态、系统共模电压和共模电流之间的关系,并分析得出在载波正向层叠、载波反向层叠和载波相移三种调制方案下,系统共模电压存在高频变化,然后提出一种新型载波调制策略,利用载波调制结合布尔逻辑运算,使不同工作状态下保持系统共模电压恒定,进而有效抑制共模电流得到。最后搭建基于TMS320F28335DSP+XC3S400 FPGA数字控制的飞跨电容多电平光伏逆变器样机,通过对传统载波方案和本文提出的方案进行实验对比分析,验证了提出方法有效性。

复合型级联双Buck飞跨电容五电平逆变器

为了提高效率、改善波形和实现高频化,提出复合型级联双Buck飞跨电容五电平逆变器。由耐压功率元器件构成的全桥电路实现基波频率波形,由低压高频率的元器件构成双Buck为基础的飞跨电容逆变电路,改善了波形,提高了整机效率。该拓扑具有双Buck与飞跨电容逆变器的双重优点,双Buck逆变器具有无桥臂直通、无体二极管反向恢复问题的优点和电流半周期工作模式,使得高频化和高效率得以同时实现。飞跨电容逆变器可以通过逻辑电路选择冗余模态,从而控制飞跨电容的充放电来实现飞跨电容电压的平衡,并且对该电路进行了理论分析及实验验证,该电路可拓展为更高电平。

一种基于新型载波同相层叠PWM方法的飞跨电容型光伏发电并网技术

针对飞跨电容型三电平光伏逆变器载波移相算法线电压谐波较高,无法灵活控制飞跨电容电压等问题,提出一种基于新型载波同相层叠PWM方法的飞跨电容型光伏发电并网方案。通过增加零电平向量分配环节,平衡飞跨电容电压,降低光伏逆变器线电压谐波。阐述了新型载波同相层叠算法基本原理,分析了该方案降低光伏逆变器线电压THD的优点。通过Matlab/Simulink数字仿真和实验样机,验证了基于新型载波同相层叠方法的飞跨电容型光伏发电并网系统能够有效跟踪最大输出功率,保证直流电压稳定,降低光伏系统输出线电压谐波。

飞跨电容型双降压五电平逆变器

为综合利用飞跨电容逆变器和双Buck电路的优点,以双Buck电路为基本单元构建多电平逆变器,提出一种新颖的五电平双降压式飞跨电容逆变器。该拓扑结构不同于传统的飞跨电容型、二级管钳位型或级联型多电平逆变器,它保留了双Buck逆变器无桥臂直通、无体二极管反向恢复问题的优点和电流半周期工作模式。飞跨电容通过逻辑电路对冗余模态进行选择,实现充放电的均衡。与传统的桥式多电平逆变器相比,钳位电路得到简化,电路复杂度降低,无桥臂直通隐患,系统稳定性提高。理论分析、仿真和实验结果均表明了该逆变器性能的优越性。