级联五开关H桥多电平逆变器功率均衡控制方法

为了提高逆变器的电压和功率等级,提出了一种级联五开关H桥多电平逆变器拓扑结构的功率均衡控制方法。该方法采用了同相交错层叠锯齿载波移相调制,综合了同相层叠锯齿载波调制良好的消谐特性以及载波移相调制各个单元功率分配均衡的优点,使级联五开关H桥多电平逆变器拓扑结构中各个功率单元不仅可以输出五电平,保持良好的消谐特性,而且可以在一个输出周期内实现功率均衡。以3个功率单元为例,进行了仿真实验。实验结果验证了该拓扑结构及其控制方法的可行性与优越性。     

级联型多电平逆变器输出电压循环分配的功率均衡控制及优化

在载波层叠脉宽调制(level-shifted pulse width modulation,LS-PWM)策略下,级联H桥型(cascaded H-bridge,CHB)逆变器期望输出电压由多种基本电压波形叠加而成,且在不同的基本电压波形作用下,级联单元的输出功率存在一定的差异。因此要实现级联单元间功率均衡,必须控制级联单元输出电压在一定时间内包含所有使级联单元输出功率不等的基本电压波形。为了实现这一目标,该文结合逆变器输出电平合成方式冗余特性及LS-PWM策略控制自由度思想,提出基于1/4输出周期载波循环的功率均衡控制方法及其优化方案。所提功率均衡控制方法可在不改变逆变器输出电压谐波特性的前提下,在最短的时间内实现级联单元间功率均衡。以三单元CHB型逆变器为例进行理论分析,并通过仿真和实验结果验证理论分析的正确性。     

基于TPWM的CHB多电平逆变器功率均衡策略研究

针对级联H桥(cascaded H-bridge,CHB)多电平逆变器载波空间层叠(carrier disposition,CD)调制策略直流电压利用率低和各级联H桥单元输出功率不均衡的问题,提出了一种基于功率均衡的同相层叠梯形波脉宽调制(IPD-TPWM)策略,该调制策略既能在选取合适的梯形波三角化率δ值的条件下,保证输出线电压波形质量的同时大幅提高CHB逆变器输出电压基波幅值;又能通过改变三角载波的排列方式,从而实现在全调制比范围内各H桥单元在一个输出周期内的功率均衡。从而解决了直流电压利用率低和各级联单元输出功率不均衡的问题,并且该功率均衡控制方法相对简单,简化了控制难度,可以非常方便地应用于N电平CHB逆变器的场合。最后搭建了Matlab/Simulink仿真模型和实验平台,仿真和实验研究证实了该调制策略的有效性和切实性。     

基于功率开关-二极管基本单元多电平逆变器及其功率均衡调制策略研究

针对级联H桥型多电平逆变器开关器件随逆变器输出电平数增加显著增多的问题,提出一种以功率开关器件-二极管为基本单元的新型多电平逆变器。该逆变器仅使用较少开关器件即可实现高质量电平输出,且该拓扑开关损耗低、效率高,不仅易于扩展还能有效避免级联单元间电流倒灌等问题。针对传统正负反向层叠载波调制策略调制下逆变器存在级联单元间输出功率不均衡的问题,在传统调制策略基础上推导分析区域功率,提出了一种基于部分载波循环的功率均衡调制策略,并验证了载波循环规律的普适性,所提调制策略能在保持输出电压波形质量不变的情况下,载波仅变换2(n-1)次即可在nT_o/2内实现级联单元输出功率均衡以及开关损耗平均分配,并提高电源利用率。最后搭建两单元七电平逆变器实验平台对所提调制策略进行了实验验证。     

基于半周期输出脉冲循环的级联型逆变器输出均衡控制策略

级联H桥型逆变器因器件数量少、易于模块化、控制自由度高等优点,得到了普遍应用。但在传统多电平调制策略下,无法实现级联单元间功率均衡与逆变器输出线电压谐波特性最优的协调控制,输出功率不均衡或输出电压谐波特性较差时会直接影响逆变器输出电压波形质量。为此,该文以载波层叠调制技术为基础,提出一种基于1/2输出周期脉冲循环的功率均衡控制策略,揭示功率均衡条件下的载波分布普遍规律,并将其推广应用至n单元级联拓扑。所提策略在保证逆变器输出电压具有相对最优谐波特性的同时,能够实现单元间的功率均衡控制,消除了功率不均衡的不利影响。仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性。     

CHB逆变器功率均衡控制策略研究

针对级联H桥(CHB)逆变器载波脉宽调制(PWM)存在的功率均衡问题,提出了上下载波1/4输出周期互换的功率均衡控制策略。该策略在不影响输出电压波形质量的基础上,通过调整CHB逆变器各个级联单元输出电压波形,使得各单元输出基波幅值相等,从而实现各单元在一个输出周期内的功率均衡。以三单元七电平CHB逆变器为例,对载波调制法的功率均衡控制策略进行了理论分析和仿真实验验证,结果验证了该均衡策略的可行性和正确性。     

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。     

级联型逆变器载波循环功率均衡控制方法及比较

在级联H桥型逆变器中,载波同相层叠(PD)调制策略虽然输出线电压具有最优的谐波特性,但无法实现级联单元间输出功率均衡。针对这个问题,提出两种基于PD调制策略的载波循环功率均衡控制方法,所提方法在改进型PD调制策略的基础上,通过对载波进行周期性的循环移动,可以有效实现级联单元间的功率均衡控制,且保留了PD调制策略下逆变器输出电压谐波特性最优的特点。以三单元级联H桥逆变器为例,首先对改进型PD调制策略下级联单元输出功率特性进行数学推导;其次分析两种所提功率均衡控制方法实现机理并对其特性进行比较,揭示两种功率均衡控制方法的优缺点以及适用场合。最后通过仿真和实验结果验证了理论分析的正确性与所提方法的可行性。     

H桥多电平逆变器的混合载波交叠式PWM控制

为了增大逆变器的功率等级,改善输出电压的波形质量,提出了一种级联H桥多电平逆变器拓扑和与其相对应的PWM载波调制控制策略。该方法是根据传统混合频率载波调制策略,采用了同相的交叠式三角载波调制,结合了同相层叠式载波调制较好的消谐特点以及使高低压单元功率自然平衡的特点,使级联H桥多电平逆变器拓扑结构不仅可以输出多电平,还能解决混合调制下的功率环流现象,而且逆变器模块化比较简单,可以使逆变器在输出周期内功率达到自然平衡。以2个高低压单元为例,进行了仿真实验。实验结果验证了该逆变器结构和控制策略的可行性。     

基于控制自由度组合的级联H桥逆变器PD功率均衡控制方法

对于级联H桥型逆变器,载波同相层叠(phase disposition,PD)调制策略相比于载波移相(carrier phase shift,CPS)调制策略,具有更优的输出线电压谐波特性,但其无法实现级联单元间功率均衡。为了解决功率均衡问题,该文提出一种新颖的PD功率均衡控制方法,首先基于调制波控制自由度对传统的PD调制技术进行改进,减少了所需三角载波数量,实现了级联单元输出功率的大致均衡;进而结合载波控制自由度组合的思想,通过调整载波在垂直方向上的排列方式,在不改变逆变器输出电压的前提下,实现了对各级联单元输出电压的二次调整,最终在一个输出周期内达到了级联单元间的功率均衡。文中以3个H桥单元级联为例,给出功率均衡的定义和传统PD调制方法下功率不均衡的机理,分析所提控制方法的原理,通过仿真和实验结果验证理论分析的正确性和功率均衡控制方法的可行性。     

基于阶梯波与瞬时值反馈混合控制的光伏并网级联逆变器

针对传统光伏并网系统结构存在的问题,提出了一种新的阶梯波与电流瞬时值反馈混合控制的光伏并网级联逆变器方案。该方案一部分级联单元采取梯形波控制,一部分级联单元采取带电流瞬时值反馈的倍频正弦脉冲宽度调制,2个部分串联叠加形成输出电压。逆变器输出电压的谐波分析表明:调节正弦脉冲宽度调制波的移相角可以调节输出电压幅值和功率因数;逆变器输出电压低频谐波主要由阶梯波引起,为输出滤波器的设计提供了理论依据。对阶梯波调制逆变器的触发角提出了一种简易算法,该算法适用于电压级差不等模式且可实现触发角在线计算。实验结果表明,该方案结构简单,可靠性高,能有效降低开关损耗。     

级联多电平逆变器的工作原理分析

以每相两功率单元串联为例,介绍了级联多电平逆变器的拓扑结构和相位移载波SPWM调制策略,阐述了该多单元级联逆变器在SPWM调制方法下的工作原理,从理论上分析了逆变器开关切换、输出电压、电流流向以及共模电压的情况,说明了相位移载波SPWM调制方法应用在级联多电平逆变器上的可行性、可靠性和控制的简易性,为实现调制方法的优化和拓扑结构的改进提供了理论基础。     

二极管钳位型级联多电平逆变器新型SPWM研究

针对目前级联型多电平逆变器正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)数字化实现问题,分析常规载波调制SPWM算法的工作原理,提出了一种基于脉冲编码与轮换的多电平SPWM调制策略。通过对正弦调制波的提取变换,进行单载波"量化"调制,并采用脉冲编码与轮换控制技术,对"量化"后的信号进行脉冲编码和脉冲轮换,均衡各逆变单元的输出电压与输出功率,以及单元内部电容电压。仿真结果表明,与同相层叠载波SPWM调制策略相比,该调制具有更好的控制效果和更小的计算量;另外,控制算法的消耗资源对比分析表明,所提的控制算法较常规的SPWM算法更节省硬件资源。     

基于级联逆变器的光伏发电系统的新控制方法

针对传统光伏并网系统结构存在的问题,提出了一种新的阶梯波与电流瞬时值反馈混合控制的光伏并网级联逆变器方案.该方案对一部分级联单元采取梯形波控制,一部分级联单元采取带电流瞬时值反馈的倍频移相SPWM控制,两部分串联叠加形成输出电压,并对逆变器输出电压进行了谐波分析.针对阶梯波调制逆变器的触发角提出了一种简易算法,该算法适...     

A New Cascaded Multi-level Inverter Topology with Reduced Number of Components and Charge Balance Control Methods Capabilities

In this article, a new basic unit for cascaded multi-level inverter is proposed. This inverter is able to increase the number of output voltage levels and reduces the number of power electronic devices. To generate all voltage levels at the output, five different algorithms to determine the magnitude of DC voltage sources are suggested. This inverter is compared with conventional cascaded multi-level inverters. The comparisons show that the proposed topology needs fewer DC voltage sources and power switches, less variety of the magnitude of DC voltage sources, and smaller amounts of blocked voltage by switches. As a result, the installation space and total cost of the inverter decrease. As it is impossible to use charge balance control methods for the asymmetric cascaded multi-level inverters, the developed topology based on the proposed cascaded inverter–the sub-symmetric topology with the usability of charge balance control methods–is proposed. A new algorithm is proposed to determine the magnitude of DC voltage sources. In addition, full-wave and half-wave charge balance control methods are applied in the proposed developed topology. The accurate performance of the proposed topology by applying charge balance control methods is verified through the simulation and experimental results of an 81-level sub-symmetric inverter.     

Nonlinear Adaptive Backstepping Controller Design for Three-Phase Grid-Connected Solar Photovoltaic Systems

A cascaded control structure is proposed in this paper for injecting active and reactive power in a three-phase grid-connected solar photovoltaic (PV) system by considering external disturbances. In the proposed cascaded control structure, there are two control loops—the outer loop voltage controller is used to ensure a continuous balance in power flow between the PV arrays and electrical power grid whereas the inner loop current controller controls the output current of the inverter. Moreover, the DC-DC boost converter is controlled to achieve a constant voltage at the input of the inverter. In order to obtain the power balance and extract maximum power, an incremental conductance (IC) based maximum power point tracking (MPPT) method is used in this paper. The current controller is designed using a nonlinear adaptive backstepping technique to regulate the active and reactive components of the grid current. The regulation of these currents towards desired values which in turn control the active and reactive power delivered into the grid. The overall stability analysis of the system is performed based on the formulation of control Lyapunov functions (CLFs). Finally, the performance of the designed controller is tested on three-phase grid-connected PV systems with single as well as multiple PV units under different environmental conditions and compared with an existing sliding mode controller. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed adaptive backstepping control scheme and demonstrate the superior performance over the sliding mode controller.     

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。     

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。     

Cascaded Common Nodal Point Multi-level Inverter Topology

Recent trends in the multi-level inverter (MLI) technology demand reduced number of switches, driver circuits, isolated DC sources, peak inverse voltage (PIV), appreciable number of voltage level, and lower total harmonic distortion. This paper presents an improved cascaded MLI configuration. Each module comprises ten switches, two isolated DC sources, and two capacitors; it can generate a maximum of 9-level output voltage waveform. Optimized switching sequence is developed that ensures minimum switching transitions and is implemented through single-carrier pulse width modulation for the control of the proposed topology. The classical cascaded H-bridge inverter and some recently developed MLI configurations were compared with the proposed inverter circuit. Results show that the proposed inverter configuration generates high number of output voltage levels with reduced number of power switches and PIV. It also has a lower per-unit power loss profile. Unit capacitor voltage balancing scheme is developed, which ensures proper control of the unit step voltage level in each of the cascaded modules, at extreme loading condition. For two cascaded inverter modules, simulation and experimental verifications are carried out on the proposed inverter for an R–L load. Simulation results of the output voltage waveforms and its harmonic spectrum are in conformity with experimental results.