级联H桥五电平变换器系统研究

阐述了应用于特殊场合--多绕组单相交流供电系统的级联H桥五电平变换器的电路结构及控制方法,分析了变换器的工作原理,给出了系统的仿真结果.仿真表明该级联H桥五电平变换器运行的可靠性和控制的简易性.系统运行工况稳定,在多绕组单相供电的高压、大功率场合有良好的心用前景.     

拓扑优化中压级联多电平变换器及MPC设计

级联H桥多电平变换器在中压大功率应用场景需配合使用具有多个二次绕组的移相变压器为每个H桥模块提供独立的直流源,从而存在系统成本较高的问题,对此,提出了一种拓扑优化中压级联多电平变换器及其模型预测控制(MPC)。新型级联多电平变换拓扑每相只需一个独立直流源,故所需二次绕组数量大为减少,同时每相使用中点箝位(NPC)三电平模块,可将整个系统的复杂度和成本降至最低。进一步,建立了新变换器的离散时间域数学模型,并引入了MPC完成了直流侧电容电压和输出电流的多目标控制。利用小功率变换器样机进行了实际测试,实验结果验证了新型级联多电平变换拓扑的优势以及MPC的效果。     

多电平变换器补偿不平衡负载的应用分析

为了准确分析级联H桥星型接法变换器、级联H桥角型接法变换器和模块化多电平变换器在电网故障情况补偿不平衡负载的能力,根据功率平衡原理分别建立了这三种多电平变换器的数学模型进行对比分析,并得出结论:基于级联H桥星型接法的STATCOM不适合补偿不平衡负载。基于级联H桥角型接法变换器的STATCOM在电网电压正常时能很好地补偿不平衡负载,但是当电网电压发生故障时补偿不平衡负载的性能迅速降低。基于模块化多电平变换器的STATCOM无论是在电网电压正常还是故障不对称的情况下都能很好地补偿无功电流和负序电流。最后,基于Matlab/Simulink仿真结果表明了理论分析的正确性和有效性。     

多绕组高频变压器隔离式多电平变换器研究

为在高压大功率变换领域中省去工频变压器,并实现隔离、功率平衡和能量双向流动,提出了一种高频变压器隔离式级联型多电平变换器拓扑。级联H桥整流器和级联型逆变器的各个直流母线与采用多绕组高频变压器的隔离单元相连接,可通过多绕组变压器简单地实现各级负载不均衡时的功率平衡。本文给出了多绕组高频变压器隔离式多电平变换器的拓扑结构,并给出了包括级联H桥整流器控制和高频隔离单元控制的控制策略。实验结果验证了本文提出的拓扑和控制策略的正确性。     

悬浮电容混合级联式多电平逆变器的研究

在传统的级联式多电平变换器的基础上提出了一种混合主从级联式变换器。该变换器由一个传统的非对称三电平H桥和一个对称的H桥级联构成。非对称H桥作为主变流单元由直流电源直接供电;而对称的H桥作为从变流单元由一个悬浮电容提供能量。与传统的级联多电平变流器相比,在输出相同电平的情况下需要较少的器件。文中详细分析了该拓扑的工作原理和悬浮电容电压平衡的方法,并在Matlab/Simulink中进行了仿真分析。最后制作了一台实验装置,并通过现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）对该实验装置实现了实时控制,通过仿真和实验结果的对比,验证了理论分析的正确性。     

T型H桥级联多电平变换器的改进型脉宽调制策略

针对T型H桥级联变换器的拓扑结构及其调制策略进行分析和研究,提出了基于载波移相脉宽调制(CPS-PWM)的改进型调制策略。以单极倍频CPS-PWM所得的虚拟五电平波形作为T型H桥的输出目标,结合T型H桥变换器输出不同电平时的开关模式,遵循"改变最少个数开关管状态来实现输出电平改变"原则,逆向推导T型H桥变换器的PWM信号,并在此基础上给出基于T型H桥单元级联多电平变换器的调制策略。搭建了基于T型H桥级联的单相静止同步补偿器(STATCOM)样机,分析了T型H桥上、下电容均压策略,最后通过仿真和实验结果验证所提调制策略以及电容均压策略的正确性和可行性。     

基于数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件的单元级联多电平控制器的设计

根据单元级联多电平变换器拓扑结构及其脉宽调制技术的特点,以数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件为核心,设计了多电平变换器的控制器。介绍了该系统的组成和工作原理,并给出了仿真结果。控制器具有硬件简单、柔性好和可靠性高等优点,特别适用于H桥级联型变换器多电平载波移相正弦脉宽调制的实现。     

一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑

H桥级联多电平逆变器在高压大容量变频调速领域得到了广泛的应用,其最大的不足之处是必须使用庞大、复杂而昂贵的多绕组移相隔离变压器。为了省去传统H桥级联多电平变换器中的多绕组移相变压器,提出了一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑结构。该拓扑由通用拓扑结构派生而来,全部由基本单元级联而成,不需要大量独立直流电源,省去了多绕组移相隔离变压器,具有模块性强、结构简单、易于扩展等优点。和现有的主要多电平拓扑结构相比,随着电平数的增多,使用元件较少,更适合于五电平及以上多电平使用。以五电平拓扑为例进行了研究,分析了其工作原理和悬浮电容电压平衡控制方法,仿真和实验结果验证了其可行性。     

基于数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件的单元级联多电平控制器的设计

根据单元级联多电平变换器拓扑结构及其脉宽调制技术的特点，以数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件为核心，设计了多电平变换器的控制器。介绍了该系统的组成和工作原理，并给出了仿真结果。控制器具有硬件简单、柔性好和可靠性高等优点，特别适用于H桥级联型变换器多电平载波移相正弦脉宽调制的实现。     

双电机异步驱动的三端口级联多电平变换器及再生能量分配系统

为解决工业现场多电机运行及再生能量利用问题,提出一种可同时驱动双电机异步运行的三端口级联多电平变换器拓扑及控制系统。将传统H桥级联多电平变换器与六边形变换器拓扑结合构成一个三端口AC/AC/AC结构。其中,H桥级联变换器每单元前端通过移相变压器接入电网,作为输入端口;六边形拓扑相邻顶点则构成两交流输出端口。采用恒压频比控制,结合功率分配分析,分别给定两输出端口控制信号,驱动双电机异步运行。六桥臂可等效为两组耦合三相对称电源,将一台电机再生能量转移供给另一台电机的电动运行,以此提出新的能量流动路径,降低单元直流侧电容电压泵升。以12单元6桥臂的三端口级联多电平变换器为例,通过Matlab仿真及实验结果验证了该拓扑及控制策略的可行性和有效性。     

基于级联H桥变频器的极相调制感应电机驱动系统

高压电机配用高压变频器具有较大的节能性和高效性,已有广泛应用。级联H桥多电平变频器采用模块化设计理念,通过多个相同的低压变换单元级联起来实现高压及大功率的功能,且变频器输出电流谐波较小。极相调制感应电机可以将传统三相电机的控制方法和极相调制模式结合起来,使电机转矩和转速范围得到扩展。为此介绍一种级联H桥多电平变频器拖动极相调制感应电机变频起动和调速,该电机的定子绕组可配置为9相4极和3相12极。通过仿真验证了级联H桥多电平变频器能够满足极相调制感应电机的变频调速性能和极相调制矢量控制性能,可为新能源发电、船舶推进、工业传动等高压大功率领域提供技术保障。     

H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略

H桥级联多电平变流器是一个非线性、多变量、强耦合系统,其中单个功率模块的直流母线电压平衡问题严重影响该类型装置的输出性能,并限制其应用范围。对变流器与系统之间的功率交换模型进行详细的数学推导,得出可以通过控制变流器负序电流、零序电压或负序电压的方式达到控制单相直流电压平衡的控制规律。结合全局平均直流电压控制策略和单模块直流电压控制策略,提出基于正负序电流分离解耦控制的通用三级直流母线电压控制方法,解决了H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡问题,并提高了装置的输出性能。仿真和实验验证了所提直流电压控制策略的有效性和可行性。     

DC–AC Cascaded H-Bridge Multilevel Boost Inverter With No Inductors for Electric/Hybrid Electric Vehicle Applications

This paper presents a cascaded H-bridge multilevel boost inverter for electric vehicle (EV) and hybrid EV (HEV) applications implemented without the use of inductors. Currently available power inverter systems for HEVs use a dc–dc boost converter to boost the battery voltage for a traditional three-phase inverter. The present HEV traction drive inverters have low power density, are expensive, and have low efficiency because they need a bulky inductor. A cascaded H-bridge multilevel boost inverter design for EV and HEV applications implemented without the use of inductors is proposed in this paper. Traditionally, each H-bridge needs a dc power supply. The proposed design uses a standard three-leg inverter (one leg for each phase) and an H-bridge in series with each inverter leg which uses a capacitor as the dc power source. A fundamental switching scheme is used to do modulation control and to produce a five-level phase voltage. Experiments show that the proposed dc–ac cascaded H-bridge multilevel boost inverter can output a boosted ac voltage without the use of inductors.      

级联式Buck-Boost AC／AC变换器

详细分析了Buck型和Boost型AC/AC变换器的工作原理及其控制方法,在此基础上提出了一种新型级联式Buck-Boost AC/AC变换器及其三模式控制策略.三模式控制策略是比较输入电压与基准输出电压的大小,使得变换器只有3种工作模式:Buck模式、Boost模式和滤波模式.该电路虽然由Buck型和Boost型AC/AC变换器2级变换器级联而成,并采用2级占空比调制,但实际上最多只存在一级功率变换,具有控制简单、变换效率高、开关管电压应力低等优点.仿真结果证明了级联式Buck-Boost AC/AC变换器及其控制策略的可行性和理论分析的正确性.     

直流电压不等级联型逆变器一维矢量调制研究

H桥级联型多电平逆变器由于具有良好的输出波形得到广泛运用,对直流电压相等的H桥级联型逆变器,当H桥直流电压由于功率元器件差异或运行过程中负载瞬时突变等出现不等或波动时可能引起输出电压、电流波形变化,各H桥输出功率不等,严重时甚至损坏变频器.对于H桥级联型多电平逆变器传统的控制方式都是建立在H桥直流电压相等的前提下,研究了H桥直流电压不等的情况,提出了适合直流电压不等的一维矢量调制技术和直流电压不等时实现H桥等功率输出的一维矢量调制.提出的方法在两单元级联型变频实验装置上进行了验证.     

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。     

Staircase Control of Hybrid Cascaded Multi-level Inverter

A cascaded multi-level inverter consists of H-bridge modules that can generally be divided into one with the same DC bus voltage and another with different DC bus voltages. By using the same power device as a standard 7-level 3H-bridge converter, the proposed converter operates with 15-level resolution with separate DC voltage sources of voltage ratio 4:2:1. The analysis of this hybrid cascaded converter with staircase control shows that this proposal can be applied in many power conversion applications, such as flexible alternative current transmission systems, uninterruptible power supply, and electric power conversion, transmission, and storage of renewable energy sources. Simulation results are presented with the proposed 15-level cascaded H-bridge inverter for a low distortion, near-sinusoidal stepped-voltage output, and a laboratory prototype of a 15-level insulated gate bipolar transistor-based cascaded H-bridge inverter is designed and implemented on a digital signal processor. The total harmonic distortion is proved less than 5%.     

基于三相-单相变换的新型同相供电系统方案

针对当前电气化铁路供电系统中存在的负序、无功、谐波和电分相等问题,顺应铁路高速化、重载化的潮流,提出一种基于三相-单相变换的新型同相供电系统方案。该同相供电方式的整流侧采用不控整流电路,逆变侧采用H桥级联多电平单相SPWM变流器。由电压有效值和瞬时值双闭环控制,抑制不控整流电路的直流电压波动对逆变侧交流电压的不良影响,为机车负载提供稳定的电压支撑。分析了该新型同相供电系统的工作原理及其在不同工况下的供电性能,并在Matlab/Simulink平台上建立了系统模型。仿真结果验证了该方案的正确性与可行性。     

4象限H桥功率单元PWM整流器的比例-积分-谐振控制

4象限H桥级联型多电平变换器的功率单元中,由于单相H桥逆变器的输出功率中含有2倍于输出电压频率的脉动分量,如果输入级的PWM整流器采用传统的控制策略,直流母线电压也将会含有该频率的脉动。在PWM整流器电压定向控制中,使用比例-积分-谐振(PIR)调节器控制电压环和电流环,抑制了直流母线电压的脉动,在小功率平台上的实验证明了该控制策略的有效性。