面向直流微电网的混合级联多电平逆变器阶梯波控制策略研究

级联多电平变换器将数个全桥逆变模块以级联方式进行连接并予以控制,适用于中压大功率输出场景下的直流微电网,广泛应用于能量路由器、智能电能网关、固态变压器等电力电子装置中.传统级联多电平变换器所级联的每一路逆变模块的电压相同,限制了多电平输出电压的电平数量.为解决上述问题,将传统的母线电压相等的三路级联7电平逆变器改造成母线电压为2的倍数关系(20∶21∶22)的三路混合级联15电平逆变器,通过采用阶梯波控制方法,并针对最近电平逼近法进行了改良以产生开关器件的触发信号,可有效降低开关器件的开关频率和开关损耗,并将输出电压由7电平增加到15电平,有效降低谐波.从混合级联15电平逆变器工作原理、阶梯波调制方法、输出电压谐波等角度开展了理论分析与计算,最终搭建样机进行实验,有效验证了所提出的分析和研究.

大规模风电并网后江苏电网柔直换流站与UPFC的有功功率协调控制方法

随着“双碳”战略的提出与实施,我国将着力建设以新能源为主的新型电力系统。然而,风电等新能源大规模并网将给具有交直流混联特征的新型电力系统带来威胁与挑战。通过以十四五规划末期的江苏电网为例进行分析,发现在大规模风电并网背景下,江苏电网中部分“南北向”500 kV交流输电线路N-1后负载过重的问题亟待解决。为此,基于综合灵敏度计算方法,提出了一种综合利用柔直换流站和统一潮流控制器的有功功率协调控制方法,用于改善系统潮流分布并消除潜在的线路过载。最后,以江苏电网为例进行了仿真分析,对苏州500 kV统一潮流控制器、白鹤滩-江苏直流和某规划中三端柔直换流站进行了有功协调控制。结果表明,所提协调控制方法应用于江苏电网时可有效解决交流输电通道N-1后负载过重问题,且相比于典型最优化方法在计算速度上具有优势。

混合级联多端直流暂态过电压机理及抑制措施

混合级联多端直流采用常规直流与柔性直流混合级联的新型拓扑结构,为我国远距离、大容量、多落点的能源传输提供了新模式,但常规直流与柔性直流之间的交互作用也引发了新问题。该文首先揭示实际受端电网交流电压恢复特性导致混合级联多端直流暂态过电压机理以及低端模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)闭锁风险;然后分别从送受端两个方面,提出降功率运行、改进送端移相策略和提升MMC有功功率传输极限等暂态过电压抑制措施。最后,基于PSD-PSModel软件,搭建送受端电网机电暂态和混合级联多端直流电磁暂态的混合仿真模型,仿真验证理论分析的准确性和抑制措施的有效性。

混合级联H桥低压单元功率均衡策略

目的三单元直流侧电压比为1∶1∶2型的混合级联H桥逆变器,在采用传统调制策略下,虽能够输出较好的电能质量,但逆变器低压单元在全调制度下会存在输出功率不均衡的问题,基于此,提出一种新型调制策略。方法基于传统的混合频率调制策略,首先对低压单元第二层载波进行重构,并利用重构后的载波特性为低压单元提供逻辑信号;其次通过对两个低压单元的脉冲信号进行逻辑运算控制,以获得低压单元功率开关器件的实际驱动信号,实现对低压单元脉冲信号的重新分配;为减少逆变器高压模块的开关损耗,对高压单元采用阶梯波调制方法。结果仿真结果表明:新型混合调制策略可以解决逆变器在全调制度下低压单元输出功率不均衡的问题,并且通过实验验证了新型调制策略可使低压单元输出功率达到近似1∶1的效果;仿真分析表明:采用新型调制策略的逆变器总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)值有所降低。结论新型调制策略能够减少载波数目,均衡开关损耗,并且在保留传统混合频率调制优势的基础上,降低逆变器的THD含量,提高逆变器的电能输出质量,同时在两个载波周期内解决了低压单元全调制下输出功率不均衡的问题。

大规模海上风力发电直流输电新型混合整流阀拓扑及其控制策略

当功率达到吉瓦级时,基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)的海上风力发电输电系统的庞大的体积和巨大的重量极大地增加了海上平台建造难度和成本。为此,提出了一种基于全桥型模块化多电平变流器(full-bridge modular multilevel converter,FB-MMC)和12脉波二极管整流单元(diode rectifier unit,DRU)的直流侧串联、交流侧并联混合整流阀拓扑(series DC parallel AC hybrid rectifier valve,SDCPAC-HV)。该拓扑中,MMC维持海上风电场汇集母线(point of common coupling,PCC)电压,DRU单元在此电压下分担部分输送功率,各并网逆变器采用传统PQ控制模式。首先,探讨了为了维持PCC电压,MMC直流电压占发送阀总电压的比例(即MMC直流电压占比)与MMC调制比之间的关系。然后,分析了MMC无功功率、DRU无功功率和风电场无功功率的平衡问题。同时,给出了正常工况下MMC的控制策略以及直流短路故障和PCC母线短路故障恢复时的控制策略。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建了完整的海上风力发电系统仿真模型,验证了所提拓扑及其控制策略的正确性。

混合级联十三电平逆变器的调制优化及功率均衡方法

多单元混合级联多电平逆变器能够使用较少的开关器件实现较多的电平数输出,因此获得了广泛的应用,但其低压单元在传统的载波移幅调制下存在级联单元间功率不均衡的问题。针对上述问题,对直流电压比为1:1:1:3的混合级联十三电平逆变器提出了一类阶梯波和载波移幅调制共同协作的混合调制策略,在该调制策略下高压单元工作在低频状态,低压单元工作在高频状态。对低压单元的调制波进行优化以减少三角载波的数量,同时通过重构载波移幅调制策略的三角载波,有效地实现了低压单元间的功率自均衡。最后通过仿真和实验证明了所提调制优化和功率均衡方案的可行性。

基于有源耦合单元的级联光伏系统直流电压传感器故障穿越策略

级联H桥具有模块化、多端口和直挂中压电网等优势,是大规模光伏并网的理想电力电子变换器之一。然而,过多元器件会增加系统故障率。直流环节电压传感器故障作为常见故障之一,会引起控制环路误跟踪、端口功率不匹配等问题,进一步导致直流链路电压不均衡甚至引起系统失稳。因此,该文提出一种基于有源耦合单元的直流电压传感器故障穿越运行策略。通过开关模态推导、分析直流电压自均衡模态及其等效电路,根据不同故障情况优化模态组合并形成直流电压传感器故障穿越调制策略。最后,搭建实验硬件平台,验证理论分析的正确性与所提策略的可行性。

基于子模块电容能量波动的MMILC下垂控制策略

交直流混合配电网中,孤岛模式下互联换流器(interlinking converter,ILC)具有实现配网间功率平衡、维持交流频率和直流电压稳定的作用。模块化多电平互联换流器(modular multilevel interlinking converter,MMILC)作为ILC的拓扑之一,具有谐波特性好、波形质量高、开关损耗低等优势。文中提出一种适用于MMILC的两级式下垂控制策略,首先基于子模块电容能量波动特性建立了适用于MMILC的新型交直流侧统一下垂特性;然后推导得出了MMILC直流侧电压与等效子模块电容电压间的数学关系,使MMILC仍可通过直流电压偏差进行功率调节,同时设置了下垂特性曲线的死区和最低允许运行范围;最后,分别对MMILC在不同负载模式和过载情况下的控制性能进行了仿真。仿真结果表明,所提出的MMILC两级式下垂控制策略可以自动平衡不同负载模式下交直流侧配网的功率偏差,过载情况下可以瞬时闭锁,验证了控制策略的正确性和有效性。

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。

阶梯波合成Ⅱ型混合级联多电平逆变器的功率均衡策略

揭示了混合级联多电平逆变器实现功率均衡所需满足的条件:各单元输入平均功率应与其对应输入电压成正比。提出了可以实现功率均衡的改进型阶梯波合成控制,并对所提均衡策略进行讨论,指出其突出优点是:无论级联单元个数多少,逆变器实现功率均衡所需的时间仅为一个输出周期,但逆变器输出电压波形质量会受到一定的影响。最后将该均衡策略推广至一般形式。实验结果验证了该均衡策略的可行性。

基于混合频率载波调制的多电平PWM控制策略研究

混合多电平功率变换电路因在输出电压电平数相同的情况下采用的级联单元较少而受到关注。但由于其控制算法并未作相应扩展,影响了该电路的实用化。该文在分析混合七电平逆变电路工作原理的基础上,提出了一种适合混合功率单元的混合频率载波PWM调制法。与现有控制算法相比,该方法可使混合功率变换电路的各基本单元都参与PWM调制,避免了低压单元的电流倒灌问题。基于该控制策略给出了各基本单元驱动信号的生成方法,并在研制的混合七电平变频实验装置上实现了该控制算法。

级联型电力电子变压器电压与功率均衡控制方法

对于模块级联型电力电子变压器,如果整流级直流输出电压不均衡或各双有源DC-DC变换器(DAB)模块传递的功率不均衡,可能导致开关器件电压或电流应力分配不均。因此提出在整流级采用电压均衡控制,在DAB级采用功率均衡控制来解决整流级输出电压的不均衡问题和因各DAB模块参数不匹配导致的功率不均衡问题。对于该功率均衡控制,是利用各整流模块占空比的有功分量作为反馈量来调节各DAB模块占空比实现的。电压均衡控制与功率均衡控制共同作用,以使系统达到整流级直流输出电压均衡和各DAB模块功率均衡的目的。此外,该功率均衡控制可以很容易由DSP实现,且不需要任何电流传感器。该控制方法已得到仿真验证,并在模块级联型电力电子变压器实验平台上得到实验验证。

阶梯波合成技术级联多电平变换器功率均衡策略

针对采用阶梯波合成策略级联型多电平逆变器存在的功率均衡问题,该文提出有功功率均衡法和循环脉冲功率均衡法两种功率均衡策略,前者的优点是不论级联单元个数多少,逆变器实现功率均衡所需时间仅为一个输出周期,缺点是会影响输出电压波形质量;后者的优点是不影响输出电压的波形质量,缺点是随着级联单元个数的增多,逆变器实现功率均衡的时间变长。该文详细分析两种均衡策略的工作原理及特点,并进行实验验证,实验结果表明两种功率均衡策略是可行的。

串联H桥多电平变频器中的功率平衡方法

在串联H桥多电平调速系统中 ,为使一相中各串联H桥单元输出功率平衡 ,需要对其相应的脉冲循环控制进行研究。传统的等控制周期循环法虽能达到此目的 ,但功率器件开关动作次数多 ,损耗大。本文提出的错位等周期循环法 ,在大多数输出电压范围内 ,功率器件开关动作次数减少一半 ,可大幅度降低开关损耗 ,提高系统效率。

不对称两单元H桥级联逆变器的混合载波PWM方法

与传统的级联H桥变换器相比,混合级联多电平变换器在相等的级联单元下可以输出更多的电平,减少了开关器件和隔离电源的数目,因而受到越来越多的关注。混合级联多电平变换器的发展,对其调制策略的研究和改善提出了新的要求。该文对混合级联拓扑常见调制策略的问题进行分析,提出一种针对不对称两单元H桥级联逆变器的混合载波脉宽调制方法。此方法在高压单元工作频率较低的情况下,对低压单元进行倍频调制,改善了输出电压的波形质量。同时在整个调制比范围内能有效解决传统混合调制方法中存在的功率倒灌问题。仿真与实验结果验证了该调制方法的可行性与有效性。

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。

自平衡电子电力变压器

提出一种基于级联多电平结构,具有自平衡能力的电子电力变压器(A-EPT),其高压侧采用单相全桥级联技术,低压侧采用交错并联技术,并根据其结构特点提出一种简单有效的控制方案。在该控制方案中,通过采用载波移相技术提高了等效开关频率和输入性能;通过引入相移补偿信号,避免了级联模块间的直流电压不平衡问题。对所提出的A-EPT进行建模和仿真,并与常规变压器的运行状况进行对比分析。仿真结果表明:A-EPT能够很好地实现当变压器任何一侧系统出现电压或电流不平衡时,另一侧系统仍然能够自动保持本侧系统的电压或电流平衡,并且调节过程短,比常规变压器具有更好的性能。

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。

基于级联多电平的有源滤波器直流侧电压平衡控制

为了减小电网中非线性负载带来的谐波电流对电网质量的影响,针对基于H桥的有源滤波器装置中直流电容电压问题,提出一种新的控制方法。将控制模块分成模块均值电压控制器和直流母线电压控制器两个部分,通过调节每个H桥之间的有功功率交换和有源滤波器同电网间有功功率的交换来实现直流电容电压的平衡控制。利用该方法对八个单元H桥级联的并联型有源滤波装置进行Matlab/Simulink仿真,并基于FPGA+DSP实验平台搭建了三单元H桥级联样机。仿真和实验结果表明,基于级联多电平的有源滤波器直流侧电压平衡控制方法是有效和实用的。