混合钳位型四电平和五电平逆变器拓扑结构和控制策略

为了提高传统二极管钳位和飞跨电容多电平变换器的电平数并减少钳位器件的数量,同时避免五电平有源中点钳位拓扑中开关器件的直接串联,提出一种混合钳位四电平逆变器拓扑及其扩展五电平拓扑结构。为实现悬浮电容和母线中点电压的平衡控制,提出一种改进的载波移相PWM策略,通过微调PWM脉冲占空比实现悬浮电容和母线中间电容的平衡控制。在此基础上为实现上、下母线电容电压的平衡控制,提出一种基于最优零序电压注入的平衡控制策略。研制了一台实验样机并通过实验验证了该拓扑及控制策略的有效性和可行性。     

五电平有源中点钳位型逆变器母线中点电压平衡问题

五电平有源中点钳位型拓扑是一种能够克服传统的二极管钳位型和电容钳位型拓扑缺点的多电平变换器。针对五电平有源中点钳位型逆变器的母线中点电压平衡问题展开研究,建立母线中点电压的波动模型,通过计算母线中点电流在一个基波周期内的平均值,证明了母线中点电压在理想和稳态下可自平衡。提出一种基于零序电压注入的中点电压平衡控制方法,通过计算所有关键零序电压对应的中点电流,并从中选择最优的关键零序电压来产生所需的目标中点电流,从而使母线中点电压波动最小。实验结果证明了该控制方法的有效性。     

具有飞跨电容辅助桥臂的五电平高压并网逆变器

结合当前五电平高压并网逆变器拓扑研究现状,提出了一种具有飞跨电容辅助桥臂的五电平中点钳位(5L-NPC)逆变器拓扑,并利用飞跨电容技术实现了中点自平衡,可作为10kV等级的风力发电、光伏等大功率并网逆变器或静止同步补偿器(STATCOM)。首先分析了造成常规5LNPC逆变器3个直流中点不平衡的原因,随后详细说明了飞跨电容技术实现中点自平衡的原理,并给出了相关参数的选取范围,最后通过实验验证了所提拓扑的正确性与可行性。     

具有飞跨电容辅助桥臂的三电平中点钳位逆变器方案

提出了一种改进的具有飞跨电容辅助桥臂的三电平中点钳位逆变器的拓扑结构,该逆变器可被应用于具有轻型高压直流传输线的近海风电系统中。第四飞跨电容辅助桥臂的引入可以解决三电平中点钳位逆变器固有的中点失衡(包括直流漂移和电压脉动)问题。首先,具体阐述了第四桥臂的工作原理,接着对三种电压闭环控制方案及其控制性能进行了分析和比较。最后,仿真和实验验证了所提出的控制方案的有效性。     

级联不对称五电平逆变器电容值分析

相对于其他大多数对称拓扑结构的逆变器而言,级联不对称五电平逆变器在生成五电平的同时,开关状态减少至对称拓扑结构逆变器的二分之一,并且降低了钳位电容和二极管的使用数量,此外,母线电容中点电压也可以实现自平衡。文中基于级联不对称五电平逆变器的拓扑结构,分析了在载波移相PWM调制策略下直流母线电容和悬浮电容的取值问题,并对该拓扑结构进行仿真分析。仿真结果表明,该拓扑结构开关函数简单易于控制,母线电容电压基本保持稳定且能够实现自平衡。选取适当的母线电容值以及悬浮电容值能够非常有效地减小输出的谐波分量,并提高电容的利用率。     

一种新型五电平逆变器电容电压平衡策略研究

以一种新型有源中点筘位型五电平逆变器拓扑为研究对象,分析了其工作原理,重点研究了其开关状态对母线中点电压和悬浮电容电压的影响。在此基础上提出一种最优开关组合控制策略,基于最优函数的思想选择合适的冗余开关状态组合实现电容电压的平衡控制。仿真和实验验证了所提出的平衡控制策略的有效性。所提平衡思想与控制策略可广泛应用于各种有源中点箝位型拓扑,具有较强的推广性与实用性。     

一种开关电容和二极管钳位组合的多电平拓扑

传统的二极管钳位型多电平拓扑存在直流母线电容电压不平衡的问题。提出一种开关电容和二极管钳位组合式的多电平拓扑,介绍了其结构组成和工作原理。该拓扑将开关电容电路和二极管钳位电路有机地结合起来,充分利用两部分电路的工作特点,不但具有平衡直流母线电容电压的功能,而且可以用多种升压方式实现升压输出,同时使用的元器件数量较少。最后通过一个五电平电路的仿真和实验验证了本拓扑的有效性。     

内环钳位式新型五电平逆变器系统

在交流电动机调速领域,多电平变换器的应用越来越广泛,在各种多电平拓扑结构中,二极管钳位型多电平拓扑结构在中低压领域的应用最为广泛。但是随着电压等级的升高,开关数量的增加,钳位电容电压的平衡问题也成为该结构突出的难题。本文提出了一种新颖的内环钳位式新型五电平逆变器结构,该结构基于传统的二极管钳位型五电平拓扑结构,在其内环悬浮电容节点上接入一组独立的直流电压源,通过最优控制的算法,实现了五电平拓扑结构中所有钳位电容电压在全负载范围内稳定可控。本文对所提出的五电平拓扑结构进行了仿真及实验研究,仿真和实验结果验证了新方案的可行性。本文提出的方法为二极管钳位型多电平结构解决电容电压平衡问题提供了一个新颖的思路,对该结构的深入研究具有重要的实用意义。     

双钳位三电平逆变器平衡控制方法研究

对一种新型二极管、电容双钳位三电平逆变器拓扑结构进行了研究。根据电流通路不能突变的特点，提出了一种通过开关状态切换实现钳位电容电压平衡的控制方法。并提出了通过对288种“七段式”电压空间矢量组合对中点电位影响特性进行分析的方法，实现了直流侧中点电位的平衡控制。最后，采用Matlab搭建了对比仿真模型，并基于TMS2812+Xinlinx CPLD/FPGA控制结构搭建了绕线电机实验平台，仿真和实验结果均证实了所提方法的正确性。     

新型Z源T型五电平逆变器及其调制策略EI北大核心CSCD

针对传统二极管中点钳位三电平与五电平逆变器需要大量钳位二极管、结构复杂、可靠性差、二极管开关损耗较大,以及传统Z源两电平逆变器电容电压应力较高、升压能力不足、功率较低等问题。首先,提出了一种T型五电平逆变器拓扑,该拓扑省去了大量钳位二极管,结构简单,开关损耗小,功率等级高;其次,结合Z源网络与该T型五电平拓扑,得到一种新型Z源T型五电平逆变器拓扑,与传统Z源逆变器相比,在相同的电压增益下,该新型逆变器有效降低了开关器件电压与电容电压;再次,将Z源网络中的电感用升压单元代替,进一步增强了其升压能力;最后,设计了该新型逆变器的同向载波调制策略。仿真实验证明了所提拓扑的正确性与调制策略的有效性。     

单相中点箝位开关电容多电平逆变器及其控制

提出一种单相电压源中点箝位开关电容多电平逆变器,该逆变器利用直流母线箝位电容对电源电压进行分割,通过控制电源与电容的串并联实现逆变器多电平输出,并且可以通过扩展进一步提高逆变器的输出电平数量和电压增益。为实现电容的电压平衡,同时降低其电压纹波,逆变器的调制过程考虑了开关的冗余状态,且开关管之间互补工作,调制策略简单。对所提逆变器的工作原理、调制策略、电容电压及相关参数进行了详细分析,并给出了拓扑结构的扩展方法。最后,分别通过仿真和实验,对所提逆变器的稳态性能和动态性能进行了验证。     

有源中点箝位式(ANPC)五电平逆变器调制方法和飞跨电容电压控制策略研究

分析了ANPC型五电平逆变器开关状态和输出电平的关系,并提出单周期SPWM调制方法。该调制方法在一个开关周期内实现有效电平且包含飞跨电容充电、放电两个状态。针对控制飞跨电容电压的问题,提出了在调制策略中增加充电因子,通过检测飞跨电容电压和实时调节充电因子实现飞跨电容电压闭环可控。最后对单周期SPWM调制方法和飞跨电容电压控制策略进行了仿真和实验,验证了其正确性。     

混合五电平逆变器的单载波双调制波调制策略

以电容箝位型混合五电平逆变器为研究对象,在分析其工作原理及电容电压平衡控制的基础上,提出了一种适用于该混合五电平逆变器的单载波双调制波脉冲宽度调制(PWM)策略。通过控制一个载波周期内电容的充放电量相等来保持其电压平衡,同时只需数字信号处理器(DSP)上的一个ePWM模块即可实现该混合五电平逆变器的控制,降低了控制难度,最大限度地节约了DSP片上资源。实验结果验证了所提调制策略的正确性和可行性。     

二极管钳位型MMC电路的均压控制策略

为解决传统模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)均压系统中直流电压传感器较多、控制电路复杂的问题,将二极管钳位拓扑应用到MMC中,并提出了适用于该拓扑的电容电压均衡控制方法。该拓扑通过在各子模块电容正极加装钳位二极管,为直流电容提供单向钳位通路,从而实现MMC各桥臂子模块电容电压从上到下依次减小,简化了系统电路及其控制方法。最后,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了11电平二极管钳位型M M C拓扑仿真模型,结果表明该拓扑具有电容电压自排序功能,电容电压均衡效果良好。     

层叠式悬浮电容逆变器的新型PWM控制方法

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。层叠式悬浮电容多电平结构可以大大减小电容器的尺寸,并且还具有控制灵活、电平数易扩展等诸多优点,因而倍受青睐,但是该逆变器也存在悬浮电容电压的平衡控制问题。据此本文提出一种新型的PWM方法,该方法不但能够有效控制电容电压的平衡,而且算法计算量小、便于数字化实现,能够保证功率器件的开关频率均衡,利用层叠式五电平逆变器,对该方法的有效性进行了详尽的仿真验证。     

三电平ANPC变换器SVPWM优化控制方法

有源中点钳位型拓扑是一种能够克服传统的二极管钳位型和电容钳位型拓扑缺点的新型多电平拓扑。在对三电平有源中点钳位型变换器工作状态进行分析的基础上,对各开关管通态损耗和开关损耗进行了研究;提出一种空间矢量的优化控制算法,该算法在维持了空间矢量调制方法的直流电压利用率高及有效控制中点电压平衡等优点的同时,有效控制了每相开关管的损耗分布平衡,防止了热量的过分堆积,并且降低了传统有源中点钳位变换器算法复杂度,减少对温度采样电路数量的要求;最后搭建了三电平有源中点钳位型变换器仿真和实验平台对控制策略的有效性进行了验证。     

Improved “K” type seven-level switched capacitor inverter topology with Self-voltage balancing

This paper proposes an improved “K” type seven-level switched capacitor inverter topology. The proposed topology consists of eight active switches, one floating capacitor, and two dc-link capacitors. The floating capacitors are charged and discharged in each half-cycle to maintain the capacitor voltage with the same value of the input voltage. The floating capacitor voltage is self-balanced, and the output voltage is 1.5 times higher than the input voltage. To prove the superiority of the proposed topology, it is compared with the existing seven-level inverters in terms of maximum voltage stress on the switch and required the number of power components. The simulation and experimental validation are carried out for 1.6 kW, 50 Hz using a laboratory-based setup with a switching frequency of 5 kHz. The results are discussed highlighting the performance of the proposed topology for the dynamic load variations at different modulation indices. Both simulation results and experimental results have good agreement in terms of voltage balancing of flying capacitor.     

Experimental verification of a hybrid multilevel inverter with voltage-boosting ability

A new nine-level natural-balanced boost hybrid multilevel inverter (BH-MLI) is proposed in this paper. Each phase of the proposed BH-MLI is designed with only 11 semiconductor switches and two electrolytic capacitors. Here, the capacitor voltages are balanced by utilizing the series-parallel and natural balancing techniques effectively. Furthermore, the proposed circuit eradicates the multiple DC sources by introducing a single DC link for single- and three-phase applications. The proposed topology can be easily extendible to obtain higher level output voltage waveform due to its modular-switched capacitor cells (SCCs). Besides, the higher voltage level generation does not pose high-voltage stress on any of the topology components, as the blocking voltage of all devices within the source voltage magnitude. Further, a quantitative comparison is conducted among the state-of-art switched-capacitor multilevel inverter (SC-MLIs) to highlight the superiority of the proposed configuration. Finally, the performance of the proposed BH-MLI is experimentally validated with phase disposition-pulse width modulation (PD-PWM) and round control method at different modulation indices, load conditions.     

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。     

基于电容电压平衡的五电平堆叠多单元变流器空间矢量调制策略*

文中提出一种基于电容电压平衡的五电平堆叠多单元(SM,Stacked Multicell)变流器的空间矢量控制策略,使空间矢量调制(SVM)算法能应用于堆叠多单元变流器(SMC,Stacked Multicell Converters)这种新型拓扑结构的变流器中。通过对五电平SM变流器拓扑的研究,得出单相电路所有可能的开关状态及其对应的电流通路,并由此分析各个开关状态对电容电压的影响。在不改变空间矢量调制算法计算得出的冗余矢量和占空比的前提下,控制策略仅仅通过开关状态的选择达到同时调整悬浮电容和母线电容电压的效果。因此该控制策略能将任何空间矢量调制算法应用于SM变流器,抑制变流器的悬浮电容与母线电容的中点电位偏移。在Matlab/Simulink中构建SM变流器并进行仿真,仿真的结果证明了该控制策略的有效性。