开关电容单相九电平逆变器及其调制策略

提出一种基于开关电容技术的单相九电平逆变器,该逆变器由开关电容网络、辅助双向开关以及全桥单元组成。通过电源与电容的串并联转换,该逆变器能够以较少的功率器件产生更多的输出电平,简化了拓扑结构,降低了系统成本,并且该逆变器单电源输入的特点拓宽了其应用范围。该逆变器控制简单,不需要额外的均压电路及复杂的控制回路即可实现电容电压的平衡。详细论述了逆变器的工作原理、调制方案、电容参数设计原则以及拓扑对比分析。最后,通过实验对所提逆变器的稳态性能、动态性能及其并网工作性能进行验证分析,证明了该逆变器结构及其调制方案的正确性与可行性。     

单相五电平有源中点箝位型光伏逆变器悬浮电容电压平衡策略研究

分析了一种五电平 ANPC逆变器拓扑及工作原理,针对此拓扑的悬浮电容电压平衡问题,给出了一种悬浮电容电压的平衡方法.该方法以载波周期交替选择同一输出电平的不同冗余状态,并通过实时检测悬浮电容电压,采取电压滞环控制策略,实现悬浮电容电压平衡.该平衡方法减小了悬浮电容容值和体积,实现了上下侧开关管损耗的均衡分布,为样机的热设计提供了良好基础.最后搭建了３．３kW 样机对理论及仿真结果进行验证,证明了该平衡策 略的可行性。     

三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究

建立了三电平中点箝位型逆变器中点电压的数学模型;分析了在不同的负载条件下,传统的最近三矢量合成方法中点电压存在不能平衡的区域;利用合成空间矢量的调制方法,实现了对中点电压的有效控制。为了在扇区切换时输出矢量平稳过渡,提出了在每个大区内全部采用相同首发小矢量的方法。用MATLAB/Simulink仿真研究了中点电压平衡控制的效果,并用MOSFET搭建了三电平逆变器实验电路模型,对中点电压平衡控制效果进行了验证。实验结果证明了基于合成空间矢量的三电平NPC逆变器中点电压平衡控制方法的有效性。     

中点箝位型三电平逆变器控制方法的综合研究

深入研究了空间矢量调制模式下的三电平逆变器中点电压波动的机理,建立了平均中点电流数学模型,为中点电压平衡控制提供了理论依据,并提出基于电压中矢量合成的中点电压平衡控制方法,该方法对于系统动态过程中出现的电压不平衡,可以通过调整冗余小矢量的相对作用时间进行补偿,由于电压中矢量的部分作用时间被均分给相应的小矢量,因此其补偿效果明显。实验结果证实了本研究方法的正确性。     

二极管箝位式多电平逆变器直流侧电容电压不平衡机理的研究

多电平逆变器能产生多阶梯、低失真电压波形，特别适合于大功率高电压场合，其中二极管箝位式多电平逆变器（DCMLI）因无需独立的直流电源来维持每级电压而备受关注，但由于该逆变器存在直流侧电容电压的不平衡问题，因而还未能在有功功率变换中得到广泛应用，文中采用空间矢量法研究了负载功率因数对二极管箝位式多电平逆变器（DCMLI）直流侧电容电压不平衡的影响，建立了功率因数与电容电流之间的数学关系，利用DCMLI的电容电流模型计算出了各开关状态下的电容电流大小和方向，并引入不平衡空间矢量的概念，从而揭示了产生DCMLI电容电压不平衡的机理，认为只有舍去不平衡矢量，才能通过选择合适的 冗余开关状态使DCMLI电容电压达到平衡，仿真验证了结论的正确性。     

电容箝位型非对称H桥五电平逆变器 正弦脉宽调制控制

为简化多电平逆变器拓扑结构、提高性能,构建了电容箝位型非对称H桥五电平逆变器。提出一种新型的锯齿载波交错正弦脉宽调制(sine pulse width modulation,SPWM)策略,通过在每个载波周期内控制电容充、放电时间相等,保证电容电压平衡。采用锯齿载波,在扩展的三相系统中,控制任意两相电压相对应的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)脉冲对始终位于对应锯齿载波的起始(末尾)侧,消除了线电压中部分相邻“电平层”交叠的现象。对3种同类五电平逆变器及其对应的调制策略进行对比分析,构建的拓扑所用功率器件最少,等效开关频率为载波频率的2倍,电容电压平衡且波动幅度较小,线电压谐波含量最少。实验结果验证了该拓扑及其调制策略的正确性与有效性。     

多电平逆变器通用电容电压平衡优化算法

针对二极管箝位型多电平逆变器电容电压难以控制的问题,分析了一种简单的多电平逆变器等效模型,用于预测结点电压偏差,提出了一种多电平逆变器电容电压平衡优化SVPWM(space vector pulse width modulation)算法。该算法通过预测不同开关状态下直流侧结点电压偏差,建立目标函数并对其寻优,在每个开关周期选取最优的开关组合达到结点电压平衡。理论分析和试验结果表明,该算法适用于任意电平逆变器电容电压平衡的控制,解决了三电平逆变器电容电压平衡的问题,但在三电平以上的逆变器受调制度限制。针对三电平以上高调制度下电容电压失衡的原因进行了分析,并给出了解决方法。仿真和实验验证了算法的正确性。     

中点箝位式三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制研究

论述一种中点箝位式三电平逆变器SVPWM原理及其实现方法。为避免三电平逆变器在扇区切换中输出矢量突变，提出了一种首发矢量全部采用正小矢量或负小矢量的空间矢量调制算法，利用三个判断规则，可以很方便地确定出参考矢量所在的扇区和小三角形，给出了合成矢量的相应输出电压矢量，推导出三角形顶点工作矢量的作用时间。并提出一种充分利用冗余电压矢量的中点电压控制方法，实现了电容电压的平衡。实验研究结果证实本文提出的调制算法是正确且有效的。     

阶梯充电自平衡开关电容多电平逆变器

针对传统多电平逆变器功率器件多、结构复杂等缺点,将开关电容技术应用于多电平逆变器拓扑,提出一种可扩展的模块化多电平逆变器.所提逆变器通过开关电容模块中的双电容阶梯充电与串联叠加以及模块的串并联转换,能够以较少的器件输出更多的电平,可以降低逆变器输出电压的谐波畸变率.逆变器不需要额外的电压平衡控制或电压平衡回路即可实现电...     

一种三电平中点箝位型逆变器保护控制策略

研究了一种三电平中点箝位型(NPC)逆变器保护控制策略。针对三电平NPC逆变器内外管损耗不均,可能导致个别开关发生热过载的问题,研究了一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的热过载保护容差控制策略。当逆变器个别开关由于某种原因发生热过载时,利用冗余小矢量改变开关策略使热过载的IGBT模块负载减少并使得损耗重新分配。因此,热量从受影响的开关模块转移到其他开关器件,过热的开关热量将减少。使用这种控制方法,可使逆变器的可靠性和寿命达到最大化。该方法同样能保证三电平逆变器的中点电位平衡,且无需增加额外的硬件。实验结果验证了该控制策略的可行性。     

一种光伏发电用高增益多电平逆变器

针对传统的多电平逆变器存在有源器件数量较多、电容电压不平衡、结构复杂以及电压增益低的问题,提出一种降低器件数量且可扩展的多电平逆变器。该逆变器由开关电容单元和两个半桥组成,使用1个直流电源、3个电容、13个开关管,实现4倍电压增益和九电平交流输出电压。该逆变器通过2个半桥代替后端H桥转换输出电压极性,可以有效降低开关管总电压应力。在所提逆变器的扩展结构中,电容逐级充电的工作方式进一步提高了电压增益和输出电平数。首先,详细阐述了所提逆变器的工作模式、调制策略、电容分析、电压应力计算和电路参数设计。然后,与其他类似多电平逆变器进行了比较。最后,通过仿真与实验验证了所提逆变器的可行性和理论分析的正确性。     

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。     

模块化多电平换流器电容电压与环流的控制策略

电容电压控制和环流的抑制一直是模块化多电平换流器(MMC)拓扑研究很重要的一方面,也是制约该拓扑应用于柔性高压直流输电(HVDC)领域的瓶颈。分析了模块化多电平换流器电容电压波动以及环流偶次谐波产生的机理。在排序均压的载波移相调制(CPS-SPWM)策略的基础上,附加了电容电压均衡控制,以抑制电容电压的波动。同时介绍了一种闭环的谐振环流控制器,实现对环流交流成分的抑制。该控制策略结构简单,且适用于单相系统。仿真结果表明,采用上述的控制方法,电容电压的波动和环流都得到很好的抑制,动态结果也很好。     

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.     

A new control method of a resonant switched‐capacitor converter and the application for balancing of the split DC voltages in a multilevel inverter

This paper proposes a new voltage‐balancing circuit for the split DC voltages in a diode‐clamped five‐level inverter. The proposed circuit is based on a resonant switched‐capacitor converter (RSCC), which consists of two half‐bridge inverters, a resonant inductor, and a resonant capacitor. A new phase‐shift control of the RSCC is proposed to improve voltage balancing performance. Theoretical analysis reveals the rating of the RSCC and stored energy in the resonant inductor. Experimental results confirm the reduction of the inductor to one‐tenth in volume compared to a conventional voltage‐balancing circuit based on buck‐boost topology. Moreover, the proposed phase‐shift control has demonstrated that it is possible to eliminate the voltage deviation between the DC capacitors. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 168(2): 69–79, 2009; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20719     

一种飞跨电容型多电平逆变器电容建压方法

提出一种飞跨电容多电平逆变器(flying capacitormultilevel inverter,FCMLI)的电容建压方法。FCMLI进入稳态工作前,各飞跨电容电压需有效充电至所需电平值,并保证该过程中,电压、电流应力不超过可承受范围。利用FCMLI原有高压输入及电路内蕴Buck电路建压的方法,不能满足电压应力的要求。利用电路自身构造以飞跨电容为输出的逆向Boost DC/DC变换器,在原输出侧新增低压电源输入,可对各飞跨电容进行高频脉宽调制(pulse widthmodulation,PWM)充电,且各飞跨电容建压严格依据电平大小次序进行,使器件电压应力始终不超出最小电平。电压、电流双闭环控制策略的使用,能同时控制电流应力。该方法在满足功能性与应力要求的同时,基本不改变FCMLI原有电路,新增硬件开销小,具有灵活适应性。以五电平情形为例进行仿真与实验,验证了以上分析的正确性。     

单相级联多电平H桥整流器有限集模型预测电流控制

本文以基于电力电子变压器的高速列车牵引传动系统中的单相级联多电平H桥整流器为控制对象,以提升系统动态响应速度、减小网侧电流谐波含量为控制目标,提出了一种基于两矢量的有限集模型预测电流控制算法。首先,推导单相级联多电平H桥整流器的α-β静止坐标系下数学模型;然后,基于空间矢量调制思想,对单相级联多电平整流器进行基本电压矢量定义与空间扇区划分;在此基础上,建立包含最小电流误差的目标函数,通过对其求导实时计算出两个矢量的最优占空比,同时为了保证各模块直流侧电容电压的平衡关系,设计了选取冗余矢量的原则。与基于PI的瞬态电流控制算法相比,所提出的模型预测控制算法无需内环PI控制器,显著提高了电流内环的动态响应速度;最后,对所提算法与传统的瞬态电流控制算法进行硬件在环半实物实验对比研究,结果表明了所提算法的可行性与有效性。     

基于多电平变换逆变电路的拓扑分析

多电平变换逆变电路是一种新的、用于“清洁电力电子装置”的变换电路。本文指出实现多电平变换逆变电路的关键问题之一是电平钳位,并以此为依据将现有的多电平电路拓扑结构进行了分类。文中分析了基于“二极管或电容钳位”和“使用独立直流电源钳位”的两类典型多电平路拓扑结构的优缺点,并在现有的“混合单元多电平逆变电路”单元结构基础上提出了一种新的、使用不同电压比的控制方式。