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基于PSC-PWM的MMC-SAPF中压配电网谐振阻尼技术

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高电压技术 2023年第1期49卷 258-268页

作者：程从智徐晨戴珂华中科技大学电气与电子工程学院电力电子与能量管理教育部重点实验室武汉430074 上海大学机电工程及自动化学院上海200444

中压(medium voltage,MV)配电网中无功补偿电容器易与网侧电感形成并联谐振,放大公共耦合点(point of common coupling,PCC)电压。为了应对两电平并联型有源电力滤波器(shunt active power filter,SAPF)不适用于中压配电网场合,且只抑... 详细信息

中压(medium voltage,MV)配电网中无功补偿电容器易与网侧电感形成并联谐振,放大公共耦合点(point of common coupling,PCC)电压。为了应对两电平并联型有源电力滤波器(shunt active power filter,SAPF)不适用于中压配电网场合,且只抑制谐波不能解决谐波与谐振同时存在的问题,提出了一种基于模块化多电平的并联型有源电力滤波器(modular multilevel converter based SAPF,MMC-SAPF)的谐振阻尼技术。首先分析了MMC-SAPF的工作原理,采用载波移相调制策略(phase shifted carrier PWM,PSC-PWM)以及电容电压平衡控制策略,以实现MMC-SAPF的高等效开关频率。然后分析了MV配电网的谐振机理,指出谐波抑制策略失效的原因,在此基础上,提出将MMC-SAPF控制为谐振频率处的虚拟电阻,提高系统阻尼比以治理谐振。搭建了一台60 V/2 kVA的实验样机,并构建7次谐振环境,实验结果验证了复合控制策略阻尼谐振的有效性。

关键词：中压配电网谐振阻尼模块化多电平有源电力滤波器载波移相调制高等效开关频率

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级联半桥拓扑直流直挂储能装置的设计

储能科学与技术 2024年第5期13卷 1516-1522页

作者：晁武杰邓超平黄均纬乔鑫蔡曹轩徐润东凌志斌国网福建省电力有限公司电力科学研究院福建省智能电网保护与运行控制重点实验室福建福州350007 上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海200240

随着海上风电、光伏等新能源的大规模建设,产生了直流输电、交直流互联和储能的应用需求。目前储能技术的研究和应用主要集中于交流储能领域。模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based battery energy storage sys... 详细信息

随着海上风电、光伏等新能源的大规模建设,产生了直流输电、交直流互联和储能的应用需求。目前储能技术的研究和应用主要集中于交流储能领域。模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based battery energy storage system,MMC-BESS)虽然在交直流互联的同时,实现了储能的功能,但电池中流过的工频、二倍频等脉动电流成分对电池寿命有潜在影响,且传统的模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)换流站的改造成本高。本工作提出的直流直挂储能装置将换流和储能分离,电池电流仅为直流和高频脉动成分,工况对电池友好,且直流直挂储能系统需要电池单体数量仅为MMC-BESS的1/6,成本低。对直流直挂储能装置的拓扑结构及工作原理进行分析;对级联子模块的数量和参数进行设计;基于载波移相调制,推导直流纹波电流,进而对并网电感参数进行设计;建立直流直挂储能装置的数学模型,推导控制模型,根据控制框图进行功率控制。最后,通过仿真和样机实验,验证该半桥拓扑级联型直流直挂储能装置设计的可行性及正确性。实验证明,该设计和控制方法效果良好,对高压大容量直流直挂储能装置的设计有一定参考价值。

关键词：直流直挂储能级联半桥并网电感载波移相调制功率控制

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载波移相调制死区时间对模块化多电平换流器的影响研究

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工矿自动化 2013年第12期39卷 55-60页

作者：宋平岗李云丰王立娜华东交通大学电气与电子工程学院江西南昌330013

分析了死区时间对模块化多电平换流器单个子模块的影响,得出了以下结论:桥臂电流大于零时,子模块从投入状态转向切除状态会产生正极性的死区电压;桥臂电流小于零时,子模块从切除状态转向投入状态会产生负极性的死区电压。分析了死区电... 详细信息

分析了死区时间对模块化多电平换流器单个子模块的影响,得出了以下结论:桥臂电流大于零时,子模块从投入状态转向切除状态会产生正极性的死区电压;桥臂电流小于零时,子模块从切除状态转向投入状态会产生负极性的死区电压。分析了死区电压对模块化多电平换流器理想基波电压的影响,推导了输出死区基波电压等效幅值、实际输出电压基波幅值及角度偏移量的公式,得出了以下结论:直流侧电压一定时,死区电压对模块化多电平换流器的影响与载波比、死区时间和输出电压与电流的相位差有关,与投入模块数无关;提高电压调制度和降低死区时间可有效降低死区时间对模块化多电平换流器的影响。仿真结果验证了上述结论的有效性。

关键词：模块化多电平换流器死区时间载波移相调制电压调制度

基于级联H桥的离网型多电平逆变器控制方法研究

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基于级联H桥的离网型多电平逆变器控制方法研究

作者：陈昱钢广西师范大学

学位级别：硕士

偏远地区受环境和硬件等条件制约,其电网供电质量差且成本高,而建立可靠的离网供电系统,是解决上述问题的有效方案。级联H桥(Cascaded H-bridge,CHB)逆变器作为一种广受关注的多电平逆变器,具有模块化、功率等级扩展灵活等优点,适合应... 详细信息

偏远地区受环境和硬件等条件制约,其电网供电质量差且成本高,而建立可靠的离网供电系统,是解决上述问题的有效方案。级联H桥(Cascaded H-bridge,CHB)逆变器作为一种广受关注的多电平逆变器,具有模块化、功率等级扩展灵活等优点,适合应用于离网供电,因此对其在离网场景下的控制方法进行研究具有重要意义。本文针对两种常见的离网CHB逆变器结构(两级式和并联型)展开研究,并在此基础上设计方法。本文所设计方法可分别满足高电流跟踪质量及低谐波风险两种供电需求,具体工作如下:(1)分析CHB逆变器的基本结构和原理,对载波移相(Carrier Phase Shifted,CPS)调制策略进行介绍。为进行方法验证和降低控制器成本,依据CHB逆变器的原理和CPS调制策略,设计了基于STM32的CHB逆变器样机方案,并验证了该设计方案的可行性。(2)针对离网两级式CHB逆变器,设计了基于滑模控制器的电流跟踪方法:PI控制器通过Boost电路调节和稳定DC/DC部分的电容电压;滑模控制器通过采样负载电流,实时计算控制量,并与三角载波进行调制,实现负载电流对参考电流的跟踪。随后从非线性行为的角度分析了滑模控制器的参数选取范围。仿真和样机实验结果表明:负载电流跟踪效果良好,且总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)基本上小于5%。(3)针对离网CHB并联型逆变器,根据其拓扑结构及CPS调制策略,分析其输出电压和支路间循环电流的整数倍Nf频率谐波组谐波含量与支路载波相位角的关系,以此设计了切换支路载波相位角的CPS方法。该方法可以将使输出电压及循环电流奇数倍Nf频率谐波组幅值约折中至其最大值的50%,并使输出电压谐波含量和循环电流谐波含量达到平衡。方法的有效性经仿真和样机实验验证。(4)为减轻谐波对设备寿命的危害,设计了一种应用于离网CHB并联型逆变器的混沌CPS方法。该方法将混沌载波方法与切换载波相位角的CPS方法相结合,在折中输出电压和循环电流谐波含量的同时,减小两者谐波峰值,从而削弱其对设备正常运行及寿命产生的不良影响。测试结果表明,为避免输出电压THD上升,最大附加频率应<0.12F。方法的有效性经仿真和样机实验验证。

关键词：级联H桥多电平逆变器离网载波移相调制

基于载波频率优化的级联型APF源性谐波能量不均抑制方法

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高电压技术 2017年第1期43卷 104-113页

作者：杨泽洲李尚盛孙建军查晓明武汉大学电气工程学院武汉430072

基于载波移相(CPS)调制的H桥级联型(CHB)有源电力滤波器(APF)是中高压系统谐波治理的有效手段。分析并指出了级联型拓扑在输出谐波电流时存在的源性谐波能量不均问题。当输出的谐波电流频率与单元输出电压中某一开关谐波频率一致时,将... 详细信息

基于载波移相(CPS)调制的H桥级联型(CHB)有源电力滤波器(APF)是中高压系统谐波治理的有效手段。分析并指出了级联型拓扑在输出谐波电流时存在的源性谐波能量不均问题。当输出的谐波电流频率与单元输出电压中某一开关谐波频率一致时,将产生功率耦合,导致单元直流电容电压发散。针对性地提出了一种载波频率优化方法:通过引入载波频率偏移量,实现了单元输出电压开关谐波与APF输出谐波电流的功率解耦;讨论了不同的载波偏移量对电容电压波动的影响,并给出了最优频率偏移量计算方法。对比了载波频率优化方法和传统载波轮换方法抑制源性谐波能量不均的效果,体现了载波频率优化方法的优越性。仿真和现场应用证明了所提方法能够有效地防止直流侧电压的发散并将波动抑制在最小值。

关键词： H桥级联型有源电力滤波器载波移相调制电容电压不均载波频率优化载波轮换

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一种单级三相Zeta三电平逆变器研究

一种单级三相Zeta三电平逆变器研究

作者：李宗阳燕山大学

学位级别：硕士

在光伏系统中,逆变器作为其主要的构成部分,其工作性能不仅影响着光伏系统是否能够安全、可靠的运行,同时也影响着光伏系统的效率。对比两电平逆变器,三电平逆变器不仅有着更低的电压应力和谐波含量,更有着较低的开关损耗和高的转换效率... 详细信息

在光伏系统中,逆变器作为其主要的构成部分,其工作性能不仅影响着光伏系统是否能够安全、可靠的运行,同时也影响着光伏系统的效率。对比两电平逆变器,三电平逆变器不仅有着更低的电压应力和谐波含量,更有着较低的开关损耗和高的转换效率,因此其更适合于光伏系统的运行。但传统的三相三电平逆变器,不具备升压功能,且会存在漏电流的问题,故并不适用于输入电压范围宽,要求输出电压恒定的光伏系统场合。本文通过对三相三电平升降压逆变器的现状,以及契合光伏系统逆变器的需求进行对比研究,提出了一种三相三电平Zeta逆变器。此逆变器为单级式结构,不仅有着较高的电压增益和较低的无源器件数目,且逆变器在断续模式下具有较小的电感电容参数。本文首先从三电平逆变器构建思路出发,介绍了三相三电平Zeta逆变器的构造原理,其次介绍了逆变器的工作原理,并从工作原理出发,分别介绍了两种调制方法,各具有不同的优点。其一是注入零矢量的载波移相调制方法,可以减少输出谐波,提高波形质量,并且在此调制方法下具有较高的电压增益。其二是恒定共模电压调制方法,对本文所提逆变器存在漏电流问题,可以有效抑制。紧接着对逆变器在两种调制方法下进行了电压增益数学推导和参数选型,并进行了开环仿真。之后对逆变器进行了数学建模从而确定了闭环控制策略,在闭环控制策略基础上进行了闭环和并网仿真验证。最后在理论数学推导和软件仿真的基础上,搭建了三相Zeta三电平逆变器的实验平台,进行了实验验证,并根据实验结果,验证了理论分析研究的正确性和逆变器应用光伏系统领域的可行性。

关键词：三电平逆变器升降压逆变载波移相调制漏电流抑制

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级联H桥SVG控制策略研究

级联H桥SVG控制策略研究

作者：葛程科中国矿业大学

学位级别：硕士

近年来,随着电力系统容量的不断扩大以及风能等新能源所占比重的日益提高,为保证系统经济且稳定运行,对无功功率的快速有效补偿变得至关重要。级联H桥静止无功补偿器（Static Var Generator,SVG）由于其具有易于扩展的模块化结构、输出... 详细信息

近年来,随着电力系统容量的不断扩大以及风能等新能源所占比重的日益提高,为保证系统经济且稳定运行,对无功功率的快速有效补偿变得至关重要。级联H桥静止无功补偿器（Static Var Generator,SVG）由于其具有易于扩展的模块化结构、输出电压具有更多电平、允许使用低压半导体器件等优点,在高压大功率无功补偿应用场合中得到了广泛的关注。本文以级联H桥SVG为研究对象,对其工作原理进行了详细介绍,根据建立的SVG系统数学模型,采用前馈解耦控制策略实现了有功与无功的独立控制。基于伏秒平衡原理,本文提出了一种基于时间计算的载波移相调制策略,其能实现与传统单极性载波移相调制策略相同的开关倍频效果。由于模块化H桥各自具有独立的直流侧电容,带来了直流侧电压失衡的问题。本文从硬件参数以及级联H桥SVG本身的输出特性两个方面对直流侧电压失衡原因进行了分析,为器件选型及进一步利用其输出特性对直流侧电压进行控制提供了理论指导。同时,本文还对级联H桥SVG系统直流侧电压失衡后的运行状态进行了深入研究,通过理论推导发现其具有自稳定特性,但会牺牲系统的输出性能,向电网中注入额外的负序电流,不利于电能质量的提升,并通过仿真与实验验证了理论分析的正确性。由于直流侧电压不平衡会影响系统的输出性能,因此需要采取一定的措施均衡三相直流侧电压,为避免额外的硬件损耗,本文主要采用软件均压法,采用全局、相间、相内三层直流侧电压均衡控制策略。针对相间均衡控制策略,本文对比分析了三种方案,传统的相间均衡控制策略只能实现三相直流侧电压的均衡,而基于模型预测控制的相间均衡控制策略在均衡三相直流侧电压的同时,能有效抑制直流侧电压的二倍频波动,对减少直流侧电容容值,提高装置的功率密度具有重要意义。针对传统的相内均衡策略分析复杂以及在级联度较高时扩展困难的问题,本文通过对H桥模块的充放电分析,基于伏秒平衡原理直接对各个H桥模块的作用时间进行修正,与本文提出的基于时间计算的载波移相调制策略相配合,简化了相内直流侧电压均衡策略,该方法能够实现与上层控制的解耦且更容易扩展到级联度更高的SVG系统中。为进一步降低系统损耗及功率开关器件承受的电压,本文采用一种基于柔性三次谐波注入的变直流链算法,该方法能够在容性工况下最大程度降低直流侧电压峰值,且由于柔性三次谐波的注入,有利于提高直流侧电压利用率。本文设计了以DSP和FPGA为主要控制中心的级联H桥SVG系统,详细分析了系统的硬件参数、软件程序的设计流程,最后在搭建的实验平台上对本文提出的调制策略、电流控制策略、三层直流侧电压均衡控制策略以及基于柔性三次谐波注入的变直流链算法进行了实验验证。

关键词：级联H桥SVG 载波移相调制自稳定特性三层控制策略模型预测控制直流侧电压峰值抑制

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基于MMC的储能型光伏并网逆变系统研究

基于MMC的储能型光伏并网逆变系统研究

作者：庞笑雨吉林大学

学位级别：硕士

随着光伏能源的大力开发和电力网络向高压大功率等级不断发展,模块化多电平变换器以其易于级联扩展、模块化程度高等优势在高压并网系统中得到了广泛应用。此外,光伏发电对天气条件十分敏感,直接并网会严重影响电网安全稳定运行,为了减... 详细信息

随着光伏能源的大力开发和电力网络向高压大功率等级不断发展,模块化多电平变换器以其易于级联扩展、模块化程度高等优势在高压并网系统中得到了广泛应用。此外,光伏发电对天气条件十分敏感,直接并网会严重影响电网安全稳定运行,为了减小光伏发电的不稳定性对电网造成有功冲击,可在并网过程中安装储能装置,从而减小有功功率的变化率。基于此背景,本文提出了一种基于超级电容的储能型MMC的光伏并网逆变器,主要研究内容如下:1.对现有MMC光伏逆变器及储能装置的研究现状进行分析,采用了基于MMC的储能型光伏并网逆变器的拓扑结构,该拓扑包括MMC并网逆变器与LLC-SC储能模块两部分。为提高逆变器的储能效率,采用LLC谐振变换器对超级电容进行充电控制,不仅可实现软开关,降低开关损耗,还可以实现能量在超级电容与MMC逆变器之间的双向流动,有助于提高并网稳定性。2.通过建立MMC光伏并网逆变器和LLC-SC储能模块的数学模型,对基于MMC的储能型光伏并网逆变系统的基本原理进行分析。研究了LLC-SC储能模块对MMC逆变器并网时的过剩能量进行储存的原理,以及储能模块对MMC并网逆变器的影响,为系统控制策略的研究奠定基础。3.在系统控制策略部分,设计MMC光伏并网逆变器的载波移相控制策略以及悬浮电容均压控制策略,用于保证生成并网所需的三相交流电以及各子模块电容电压的均衡;针对LLC-SC储能模块设计LLC的双环路PID充电控制策略,保证充电电流在限定的阈值内完成充电电压对参考值的跟踪,对储能模块电路起到保护作用。4.在MATLAB/Simulink中搭建了15级MMC-SCES仿真模型,根据仿真结果,在系统稳定运行时,系统可稳定输出并网所需三相交流电,满足并网要求;LLC-SC储能装置中超级电容电压稳定,且LLC谐振变换器实现软开关,提高了系统的储能效率,对并网逆变系统拓扑及控制策略的可行性进行初步验证。5.完成四级MMC-SCES并网逆变系统的样机设计,包括关键硬件电路的主电路设计、参数计算、器件选型以及基于STM32的程序设计。硬件电路部分主要包括MMC主电路设计、LLC-SC储能模块设计以及驱动控制电路等。软件部分包括系统程序总体设计以及载波移相控制程序设计、双环路PID控制程序设计。对系统关键硬件电路及整机输出进行测试,结果表明系统各部分均正常工作,进一步验证了本文所提方案的可行性。

关键词：光伏并网逆变器模块化多电平换流器 LLC谐振变换器超级电容储能载波移相调制双环路PID控制

采用载波移相调制的模块化多电平换流器损耗一致性分析

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电力系统自动化 2016年第20期40卷 100-106页

作者：周莹坤齐磊崔翔余沸颖赵国亮乔尔敏高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学) 北京市102206 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市102206 全球能源互联网研究院北京市102200

阐述了模块化多电平换流器的基本工作原理和损耗数值计算方法,应用PLECS仿真软件针对半桥子模块结构,分析了载波移相调制下不同均压、环流抑制方式下的子模块损耗特性,认为在不影响换流器工作状态的前提下,使用能量均衡法均压以及使用... 详细信息

阐述了模块化多电平换流器的基本工作原理和损耗数值计算方法,应用PLECS仿真软件针对半桥子模块结构,分析了载波移相调制下不同均压、环流抑制方式下的子模块损耗特性,认为在不影响换流器工作状态的前提下,使用能量均衡法均压以及使用三相解耦二次谐波环流抑制算法进行环流抑制时,各子模块损耗分布一致性更高,整体损耗率更低。通过比较,还发现不同工况下的子模块损耗一致性接近。最后,对比了载波移相调制与最近电平控制调制方式下的损耗一致性,认为载波移相调制下子模块损耗一致性更高。

关键词：载波移相调制模块化多电平换流器损耗计算电容电压均衡环流抑制