模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究

模块化多电平变换器作为一种新型的多电平拓扑,因为适用于电压源换流型直流输电场合而得到了广泛研究.本文介绍了模块化多电平变换器的拓扑结构和工作原理,并对常用于模块化多电平变换器拓扑的载波移相、最近电平逼近和载波层叠调制策略以及相应的电容电压平衡算法进行了分析,并在PSCAD/EMTDC下搭建了31电平的模块化多电平变换器仿真模型,分别实现了三种调制策略及其电容电压平衡算法,比较了不同调制策略在电压谐波、电容电压平衡、开关频率等方面的表现,并给出了不同调制策略的特点.     

一种中间电容谐振型级联双向DC-DC变换器

为满足分布式储能系统中蓄电池组与直流母线互联时对DC-DC变换器的高效率、高功率密度、宽电压调节范围的要求,该文提出一种中间电容谐振型级联双向DC-DC变换器。该级联变换器的低压侧采用改进的谐振型双有源桥（DAB）,与传统DAB不同,该结构利用DAB高频变压器漏感与级联拓扑的中间直流母线电容进行谐振,工作频率在2倍谐振频率且在最高效率点运行;高压侧采用传统双向Buck-Boost拓扑,以提升电路的整体电压调节范围。该级联变换器具有中间直流母线电容小、电压调节范围宽、控制复杂度低、效率高、功率密度高的优点。该文首先,分析了变换器的拓扑结构、工作原理和控制策略;其次,推导了关键状态变量和电压增益;然后,建立了变换器的损耗模型,并据此进行谐振参数设计;最后,搭建了一台额定功率7.5kW的样机,其功率密度为1.15W/cm3,满载效率为95.9%,实验验证了该级联变换器高效率、高功率密度和宽电压调节范围的特性。     

三相线电压级联VIENNA变换器调制及直流侧电压控制

针对H桥级联多电平变换器存在开关管及直流电容数量多、控制复杂等问题,提出一种三相线电压级联VIENNA变换器拓扑。分析该拓扑的等效电路模型、各支路电流关系式及等效电平级数,设计基于单周期级联控制的功率因数校正脉宽调制(PWM)策略;推导出此拓扑直流侧电容电压的数学表达式,得出它的最小平均值及谐波成分的最大值;提出零序电流注入法实现级联变换器直流侧电容电压均衡控制。仿真分析和实验结果表明,提出的新型变换器拓扑及其控制策略,其开关管的耐压大大降低,并具有较高的功率因数和较低的总谐波畸变率(THD),可以保持各模块直流输出电压均衡性,可作为新一代高压大功率变换器的整流级。     

一种新型四象限多电平变流器

提出了一种新型四象限多电平变流器拓扑结构,由级联H桥型整流器、中频变压器和级联H桥型逆变器三部分构成。建立了变流器的能量传输模型,提出了相应的控制方法和调制策略;分析了输入侧变换器的输出电压模型,给出了相应的调制算法流程。阐述了各中频H桥的工作相位的作用,即达到了控制各电容电压平衡的目的,实现了变流器的四象限运行。实验结果验证了拓扑结构和控制方法的正确性。所提变流器拓扑结构省去了传统的工频变压器,降低了变换器体积和重量,可以应用于高压大容量场合。     

新型三相-单相交流发电系统拓扑结构及其控制策略仿真研究

针对传统三相-单相交流变换器拓扑结构复杂且需要额外的滤波器等的不足,基于永磁同步电机开绕组的特点,提出了一种新型三相-单相交流发电系统拓扑结构。分析了通过对双变换器直流侧电容电压的控制实现单相交流输出的工作原理,并在此基础上提出了一种通过永磁同步电机的正序电流和零序电流分别实现变换器直流侧的电容电压和单相交流输出电压解耦控制的新型控制策略。该策略采用MATLAB构建系统仿真模型,在不同发电机转速和负载情况下对系统进行了仿真分析,验证了该新型三相-单相交流拓扑无需使用额外的滤波电路即可实现高质量的单相交流电压输出,其幅值、频率均可以灵活调节,且具有优异的动态特性。     

一种新型的三相桥级联型PWM变换器

传统的单相级联H桥变换器不易直接应用于三相高压场合,为此提出了三相桥级联型PWM变换器的拓扑结构,其子模块为电压源型三相桥式变换器。分析了该新型拓扑的构成思想,推导了二级和三级级联拓扑的电流和功率表达式,其可做整流器也可做逆变器,分别采用单周控制和载波相移控制对其进行仿真研究。仿真结果验证了该新型拓扑的可行性,表明其能够提升电压等级,与传统的单相级联H桥变换器构成的三相变换器相比,能够节省开关管和直流侧电容（独立电源）个数,且直流侧电压纹波较小,在三相高压场合具有较好的应用前景。     

新型混合级联多电平整流器的研究

针对级联无桥变换器不能实现单位功率因数运行且功率因数角会随着负载加重而变大的问题,提出了一种新型的基于无桥和全控H桥混合级联拓扑结构的整流器。阐述了该拓扑的基本工作原理,建立了直流稳态的数学模型,分析了拓扑的功率因数范围,计算了电路参数和负载比的取值范围,制定出带有均压环的双闭环控制策略,最后通过实验验证了这一拓扑的可行性和正确性,实现了单位功率因数整流和级联模块均压的预期目的。     

基于混合模块化多电平变换器的中压变频器设计

模块化多电平变换器(MMC)被广泛应用于高压直流输电领域,但其在中压变频调速系统中应用时存在电机低转速时电容电压波动较大的问题。针对该问题,本文设计了一种新型混合MMC拓扑结构,基于此设计的中压变频器能显著降低电容电压波动,尤其是在电机较低转速运行时。此外,新型拓扑不会引入共模电压,从而无绝缘和轴承电流问题,同时电流应力在整个转速范围内将保持在限值内,故设备效率较高。基于新型混合MMC拓扑的工作原理,设计了相关控制器。最后,搭建了变频器原理样机进行了相关试验,试验结果验证了所提出新型混合MMC拓扑的性能。     

一种输入电流连续的新型半桥变换器设计

为了解决传统隔离型半桥变换器输入端电流断续造成的电磁干扰(EMI)等问题,提出了一种新型半桥变换器拓扑,它利用隔离变压器漏感和耦合电容构成输入滤波器实现了输入电流的连续。对变换器拓扑及其工作原理进行了分析,提出了隔离变压器和耦合电容的参数设计方法。最后,对新型拓扑进行了实验验证,结果表明新型半桥变换器实现了输入电流的连续,并有效减小了变压器漏感造成的开关管关断电压尖峰。     

新型混合九电平逆变器及其控制策略研究

提出了一种新型混合九电平逆变器拓扑。分析了所提出拓扑的工作原理和调制策略,并研究了基于冗余开关状态选择的悬浮电容电压和中性点电压综合平衡控制策略;最后,通过仿真和实验验证了该拓扑的优越性和电容电压控制策略的有效性。     

一种新型自均压二极管钳位级联有源滤波器

提出一种新型二极管钳位级联多电平拓扑,在半桥单元拓扑上增加钳位二极管,为直流电容提供单向钳位通路。在该拓扑中,只需对阀体两端单元的直流电压进行控制就可实现均压控制,且每相阀体只需2个直流电压传感器,结构简单。将拓扑拓展到三相结构,提出了二极管钳位多电平有源滤波器(APF)拓扑及其控制方法。搭建了7电平二极管钳位多电平APF仿真模型和实验样机。实验结果表明,该拓扑自均压控制和谐波补偿效果良好,控制算法简易、可行。     

基于级联H桥换流器的APF-STATCOM的控制与调制

有源滤波器(APF)和静止同步补偿器(STATCOM)在电力系统应用中都是独立开来,分别进行谐波抑制和无功补偿。将APF和STATCOM功能结合起来,以级联H桥换流器构成APF-STATCOM装置,同时实现无功补偿和谐波抑制。在分析级联H桥APF-STATCOM拓扑及其工作原理的基础上,提出了一种简单有效的控制策略;针对级联H桥换流器各子模块间的电容电压均衡问题,采用最近电平逼近调制(NLM)并提出了一种适用于级联H桥换流器的电容电压均衡控制策略。利用PSCAD/EMTDC对36级联H桥APF-STATCOM进行了建模仿真,结果验证了该控制策略和电容电压均衡控制策略的可行性和有效性,并表明所提出的电容电压均衡策略能有效避免H桥模块IGBT不必要的频繁开关,减少器件的开关频率。     

级联多电平高压DC/AC变换器单周控制策略

将单周控制技术用于级联多电平变换器提高其控制性能.在理论分析的基础上,建立了级联多电平DC/AC变换器单周控制模型,并建立了4个3级H桥三相级联多电平电路仿真实例.在开关频率为2 500 Hz、滤波电感为4 mH、滤波电容为14 μF、每级H桥直流侧电压为500 V并在10％范围内变化时,变换器输出交流相电压幅值为1 ...     

基于模块化结构的电气化铁路统一电能质量控制器

提出了2种基于模块化结构的铁道统一电能质量控制器主电路拓扑,2种拓扑交流侧均采用链式结构,具有良好的谐波特性。针对链式结构变流器存在的直流电压平衡问题,建立了所述拓扑中电容电压的数学模型,并对现有各种直流电压平衡控制策略的优缺点及存在有功功率双向流动的背靠背变流器的适用性进行了分析。结果表明,电容电压中的直流分量分别与吸收和发出有功功率侧变流器的调制比成正相关和反相关的关系。最后,给出了铁道统一电能质量控制器装置级控制策略,并通过仿真实例证明了所述拓扑和控制策略的正确性。     

混合级联多电平换流器型静止同步补偿器的优化设计

研究了混合级联多电平换流器型静止同步补偿器(HCMC-STATCOM)。对两电平换流器的直流电压和整形电路的模块个数进行了优化设计;对两电平换流器和整形电路的直流电容纹波电压进行了数学建模,为电容参数设计提供了理论基础;对HCMC-STATCOM与链式静止同步补偿器进行了对比研究,结果表明HCMC-STATCOM能够有效减少H桥的模块数目,同时能够显著减少储能电容的容量,有利于减少装置的成本及其占地面积。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了35kV/±100Mvar的HCMC-STATCOM仿真模型,仿真结果表明了HCMC-STATCOM拓扑结构的可行性和理论分析的正确性。     

磁集成开关电容高增益级联Boost变换器

为进一步改善基本级联Boost变换器的电压增益等关键性能,提出了一种磁集成开关电容高增益级联Boost变换器。该变换器利用拆分开关电容的两个倍压单元,使之与级联变换器的前级储能结构重新组合,同时将磁集成技术应用其中,一方面实现高电压增益,同时减小开关管的电压应力与电感电流纹波。分析变换器的各个工作模态,推导出性能参数,给出了磁集成设计方案,最后通过仿真和实验样机实验,验证了理论分析的正确性。     

用于级联H桥整流器均压的新型多维空间矢量调制策略

针对级联H桥整流器的直流电容电压不平衡问题,提出了一种带均压功能的新型多维空间矢量调制策略。通过分析系统输入电流的方向、交流参考电压所在区间,以及模块直流电容电压、平均电容电压间的大小关系,选择最优的工作模式矢量,即使在模块负载差异较大甚至是某模块空载的恶劣情况下,均能快速、准确平衡系统各模块直流电容电压,并保证输入电流的高度正弦、功率因数可调。文中详细阐述了最优工作模式矢量的选择原则与方式,并总结出了一种简单可行且适用于任意模块数的级联H桥整流器的最优工作模式矢量选择算法。仿真与实验结果证明了所提出的新型均压策略的有效性。     

无交流电容的构网型换流器电压电流比例控制及故障限流

通过引入电压电流比例关系,构建了适用于高压构网型换流器的无电容矢量电压控制,可与传统内环电流控制组成构网型换流器级联控制架构,保留正序电流限幅和负序电流抑制能力,防止换流器在电网故障时发生过流闭锁和损坏。与传统外环电压控制不同,该电压电流比例控制不依赖于交流侧并联容性滤波器的电气关系构建,适用于无交流电容的高压构网型换流器的外环电压控制。通过选取特定的交流电压频率指令值,构网型换流器可实现恒电压运行或虚拟同步机运行。时域仿真结果表明,所提高压构网型换流器控制在电网故障时可自动实现换流器的负序电流抑制和故障穿越功能,避免换流器过流闭锁及损坏,并在故障清除后恢复正常运行。     

一种新型的n +1混合式模块化多电平换流器拓扑结构及其控制策略

针对中压应用场合,提出一种新型的n+1混合式模块化多电平换流器(HMMC)拓扑结构。在传统单桥臂n个子模块的模块化多电平换流器(MMC)基础上,加入1个全桥子模块,使其电容电压控制为半桥子模块的一半,实现输出电压电平数由原先的n+1增长至2n+3。针对其结构提出一种混合式调制方式,在保证HMMC稳定工作的基础上,降低HMMC子模块的工作开关损耗。由于全桥、半桥子模块电容电压不一致,采用一种电容预充电方式,并对子模块电容电压建立数学模型,提出一种子模块电容电压平衡的控制策略。在MATLAB/Simulink软件中搭建仿真模型,仿真结果验证了所提拓扑结构和控制策略的有效性和正确性。     

大规模风电接入的特高压混合级联直流系统送端无功协调控制策略

随着新能源发电占比的不断提高,特高压直流输电系统的送端电网强度变弱,送端交流系统可能存在电压质量较差的问题。为提高送端弱交流系统的电压质量,基于大规模风电接入的特高压混合级联直流系统,提出了滤波器与模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)协调参与送端电网调压的无功协调控制策略。分别分析了该级联直流系统的运行特性、滤波器的无功控制原理以及MMC在不同运行工况下影响其无功支撑能力的因素。针对MMC在过载的运行工况下对弱交流系统无功支撑能力较弱的问题,提出了一种MMC直流电压自适应控制策略,根据MMC传输的有功功率调整其直流电压,以扩大MMC的无功功率极限。仿真算例表明,所提无功协调控制策略能够有效支撑送端弱交流系统的电压,提高送端交流系统的电压质量。