模块化多电平变换器与级联H桥变换器在中高压变频器应用中的对比研究
（096）清华大学-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三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究武晓堃1 王奎1 万磊1, 2李永东1, 3（1. 清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京1000842. 中国电力科学研究院北京1001923. 新疆大学电气学院新疆乌鲁木齐830046）摘要模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）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MMC的拓扑结构和工作原理，并对常用于MMC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MMC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。
关键词：模块化多电平变换器；载波层叠调制；最近电平逼近调制；载波移相调制；悬浮电容；电压平衡控制1背景介绍相比于传统的交流输电系统，直流输电系统在远距离大容量输电方面具有巨大的优势，尤其是在离岸风电场等海底电缆输电场合，直流输电可以克服电容效应而被人们愈发重视[1, 2]。
传统的VSC-HVDC直流输电系统采用的换流技术主要以两电平和三电平为主。
该拓扑主要问题是电压等级受器件耐压限制，所能达到的电压等级不高，谐波较大。
其中ABB公司的IGBT串联两电平拓扑，虽然提高了电压等级，但是存在着串联模块均压以及同时触发等问题。
2002年，由德国学者提出了一种新型的多电平拓扑[3, 4]，即模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter），该结构高度模块化，通过模块级联就可以实现电压等级的提升[5-7]。
西门子公司将该拓扑转化为了专利和产品应用于直流输电等场合，其中美国的Transbay工程，每相子模块级联数为200，输送功率可以达到400MW[5]。
模块化多电平变换器多载波调制策略及其电容电压平衡技术的研究
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适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器研究进展
适用于电压源变换器型高压直流输电的模块化多电平变换器研究进展1.本文概述随着能源结构的转变和电力系统的升级，高压直流输电技术以其长距离、大容量、低损耗的优势，在跨区域输电和海上风电并网等领域得到了广泛应用。
在高压直流输电技术中，基于电压源换流器的高压直流输电（VSHVDC）因其能够实现有功和无功功率的独立控制、适用于多端直流输电系统等独特优势，逐渐成为研究热点。
模块化多电平变换器作为VSHVDC的核心设备，其性能直接影响整个输电系统的稳定性和效率。
本文旨在系统地回顾和评价适用于VSHVDC的MMC的研究进展。
本文首先介绍了VSHVDC和MMC的基本原理和特点，然后从拓扑结构、调制策略、控制方法、故障处理等方面阐述了MMC的最新研究成果和发展趋势。
通过比较分析不同研究方案的优势和局限性，旨在为相关领域的学者和工程师提供有益的参考和启示，促进VSHVDC技术在全球能源互联网建设中的应用和发展。
2.模块化多电平变换器的基本原理模块化多电平变换器（MMC）是高压直流输电系统中的一种先进技术，具有高效、高可靠性和良好的电压调节能力。
该转换器的设计基于将电压源转换为多电平电压，从而实现对电压和电流的精确控制。
MMC的基本原理是通过电力电子开关设备的组合将输入电压源分解为多个较小的电压电平。
这些电压电平可以是正向的，也可以是反向的，它们通过控制开关器件来调节输出电压。
在MMC中，每个模块通常由电容器和电感器组成，它们一起工作形成电压源。
通过控制连接到这些电容器的开关器件，可以在输出端产生不同的电压组合，从而实现多电平输出。
模块化设计是MMC的一个关键特征，它允许系统设计者根据需要增加或减少模块的数量，从而调整系统的电压和电流容量。
这种设计还增强了系统的灵活性和可扩展性，使其能够适应不同的应用要求和电网条件。
为了有效地控制MMC的输出电压和电流，需要采用复杂的控制策略。
这些策略通常包括电压平衡控制、电流控制和故障保护机制。
模块组合多电平变换器的研究综述
模块组合多电平变换器的研究综述一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，多电平变换器作为一种高效、可靠的电力转换方式，在能源转换、电机驱动、电网接入等多个领域得到了广泛应用。
其中，模块组合多电平变换器因其模块化设计、易于扩展和维护等优点，受到了广泛关注。
本文旨在对模块组合多电平变换器的研究进行全面的综述，以期为相关领域的研究人员提供有价值的参考。
本文将介绍模块组合多电平变换器的基本原理和分类，包括其基本结构、工作原理以及常见的拓扑结构。
在此基础上，将重点分析模块组合多电平变换器的性能特点，如输出电压波形质量、效率、动态响应等，以及其在不同应用场合中的优势和局限性。
本文将综述模块组合多电平变换器的关键控制技术，包括调制策略、均压策略、故障诊断与容错控制等。
这些控制技术对于提高变换器的性能、稳定性和可靠性具有重要意义。
通过对现有研究成果的梳理和评价，本文旨在为相关研究人员提供有关模块组合多电平变换器控制技术的全面认识。
本文将展望模块组合多电平变换器的研究趋势和前景。
随着新能源、智能电网等领域的快速发展，模块组合多电平变换器将面临更多的应用需求和挑战。
本文将对未来的研究方向和潜在的应用领域进行探讨，以期为相关领域的研究和发展提供有益的启示。
二、多电平变换器的基本原理与分类多电平变换器是一种电力电子装置，其核心思想是通过产生多个不同的直流或交流电平，以实现对输出电压或电流的精细控制。
这种变换器在高压大功率应用场合中特别受欢迎，因为它能有效减少开关过程中的电压和电流应力，从而降低开关损耗，提高整体系统效率。
多电平变换器的基本原理在于利用多个独立或相互关联的电压源或电流源，生成多个不同的电平。
通过合适的控制策略，这些电平可以被有效地组合和切换，从而实现对输出电压或电流的精确控制。
与传统的两电平变换器相比，多电平变换器在电压和电流波形上更为平滑，产生的谐波分量更少，对电网的污染也更小。
中性点钳位型（NPC）：NPC多电平变换器通过在直流侧引入多个电容器，并将它们与开关管相连，形成多个电平。
模块化多电平变换器输出电流谐波优化调制策略对比与分析
电力系统及其自动化学报Proceedings of the CSU -EPSA第32卷第12期2020年12月Vol.32No.12Dec.2020模块化多电平变换器输出电流谐波优化调制策略对比与分析易灵芝1，刘罗1，黄晓辉2，李旺3，陈章3，杨乐1（1.湘潭大学多能协同控制技术湖南省工程研究中心，湘潭411100；2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082；3.中车株洲电力机车有限公司，株洲412000）摘要：在模块化多电平变换器中广泛使用了最近电平逼近调制与载波移相脉宽调制。
当子模块数较少时，输出电流谐波含量高，通过优化调制策略来改善输出电流的谐波含量具有重要意义。
本文首先对比分析了输出2N +1电平最近电平逼近、滞环控制原理最近电平逼近、改进型载波移相脉冲宽度调制、混合型最近电平逼近-脉冲宽度调制以及一种无差拍电流控制调制的工作原理和工作特点；然后，在Matlab/Simulink 平台搭建5种调制策略在子模块数较少时的仿真模型；其次，针对阀控周期、子模块数、开关频率以及电感值等参数对模块化多电平变换器输出特性的影响，分析了不同调制策略之间输出电流谐波特性的差异及共模电压等；最后，总结了5种调制策略各自的特点和适用场合。
关键词：模块化多电平变换器；最近电平逼近调制；载波移相脉宽调制；输出谐波特性中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：1003-8930（2020）12-0085-10DOI ：10.19635/ki.csu -epsa.000464Comparison and Analysis of Output Current Harmonic Optimization Modulation Strategyfor Modular Multilevel ConverterYI Lingzhi 1，LIU Luo 1，HUANG Xiaohui 2，LI Wang 3，CHEN Zhang 3，YANG Le 1（1.Hunan Province Engineering Research Center for Multi -energy Collaborative Control Technology ，XiangtanUniversity ，Xiangtan 411100，China ；2.College of Electrical and Information Engineering ，Hunan University ，Changsha 410082，China ；3.CRRC Zhuzhou Locomotive Co.，Ltd ，Zhuzhou 412000，China ）Abstract:The nearest level modulation （NLM ）and carrier phase shift pulse width modulation （CPS -PWM ）have been widely used in modular multilevel converters （MMCs ）.When the number of sub -modules （SMs ）is small ，the harmonic content in output current will be high.Therefore ，it is of great significance to optimize the modulation strategy to solve this problem.In this paper ，the working principle and working characteristics of output （2N +1）-level NLM ，hysteresis control NLM ，improved CPS -PWM ，hybrid NLM -PWM and deadbeat current control modulation are analyzed through comparison.By establishing the simulation models of the five modulation strategies with fewer SMs on a Matlab/Simu⁃link platform ，the influences of parameters such as valve control period ，the number of SMs ，switching frequency and inductance value on the MMC ’s output characteristics are taken into account ，and the differences in the output current harmonic characteristics under different modulation strategies ，as well as other characteristics including the common mode voltage ，are analyzed.Finally ，the characteristics and applicable scenarios of the five modulation strategies are summarized.Keywords:modular multilevel converter （MMC ）；nearest level modulation （NLM ）；carrier phase shift pulse widthmodulation （CPS -PWM ）；output harmonic characteristic2002年，随着模块化多电平变换器MMC （mod⁃ular multilevel converter ）拓扑结构的首次提出，由于其结构具有高度模块化、输出电压等级高、转换效率高等优势，在中高压配电和多端柔性直流输电领域得到了广泛的应用[1-2]。
级联H_桥变频调速系统电机端过电压抑制方案研究
第47卷第4期燕山大学学报Vol.47No.42023年7月Journal of Yanshan UniversityJuly 2023㊀㊀文章编号:1007-791X (2023)04-0319-10级联H 桥变频调速系统电机端过电压抑制方案研究骆志伟1,张㊀敏2,李㊀昕2,孙孝峰2,∗(1.北京航天发射技术研究所,北京100076;2.燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004)㊀㊀收稿日期:2022-04-15㊀㊀㊀责任编辑:温茂森基金项目:河北省自然科学基金重点项目(E2021203162);河北省重点研究发展计划资助项目(19214405D)㊀㊀作者简介:骆志伟(1980-),男,河北保定人,硕士,研究员,主要研究方向是电动车辆驱动系统设计㊁能源管理及电气控制;∗通信作者:孙孝峰(1970-),男,黑龙江肇东人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为功率因数校正与有源滤波技术㊁新能源变换与组网技术,Email:sxf@㊂摘㊀要:用于中高压电机驱动的级联H 桥变频器具有输出波形谐波含量低㊁器件电压应力小以及效率高等优势㊂然而与传统的两电平变频器一样,当其经长电缆驱动电机时存在电机端过电压的问题㊂为此,本文对级联H 桥变频器的结构进行了改进,将一个辅助双向开关放入每一相的某一子单元中,使该子单元能够产生ʃV dc /2电平,即在总输出电压的每个上升和下降沿中插入一个短暂的固定时间的中间电平㊂此举可将上升/下降沿分为两段,并且两者之间存在两倍于电压波在电缆上传播时间的延迟㊂由于延迟的存在,第二段正好可以抵消第一段的反射波,所以电机端由反射现象导致的过电压会被明显抑制㊂最后,仿真及实验均验证了所提出方案的有效性㊂关键词:电机;多电平;变频器;传输线;过电压中图分类号:TM464㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2023.04.0050㊀引言变频器作为工业生产中的重要设备之一,具有十分广泛的应用场景㊂但是当变频器用于油田钻井㊁海洋勘测和采矿等场景时,变频器与电机往往安装在不同位置,需要用较长的电缆进行连接㊂此时,变频器产生的高频脉冲波经电缆到达电机端会发生反射现象,使电机端产生过电压和高频阻尼振荡,从而加快电机和电缆的绝缘老化,严重时甚至会出现绝缘击穿,导致电机烧毁㊂此外,电机端的高频振荡还可能导致电机机械部件的损坏以及干扰其他电气设备[1-3]㊂对于过电压产生机理的分析,很早便有较为成熟的研究[2,4],而之后的工作大都集中在抑制方案上㊂在变频器输出端加装RLC 滤波器可以显著降低输出电压变化率或者说可以滤除输出电压中的高频成分,从而减轻甚至消除过电压现象[5-6]㊂而在电机端安装无源滤波器则可以改变电缆末端的阻抗特性,根据传输线理论,当电缆末端的等效阻抗与电缆的特征阻抗相等时,电缆上不会发生反射现象,所以电机端也不会产生过电压[7-8]㊂此外,还有一种低损耗的 RL-plus-C 滤波器分别安装在变频器输出端和电机端,具有结构简单㊁成本低㊁鲁棒性好的优点[9]㊂无源抑制方案虽然原理简单,抑制效果良好,但存在体积巨大㊁损耗高的缺陷㊂而有源抑制方案则可以弥补这些缺陷,文献[10]提出了输出LC 电路的有源控制可以有效降低输出电压的变化率,相比于无源滤波器,电感值显著减小了㊂文献[11-12]提出了一种低损耗的电机末端有源滤波器,该滤波器不仅可以抑制过电压,还可以回收电机的制动能量㊂文献[13]将三相两电平逆变器改造成T 型逆变器,虽然抑制了过电压,但增加了6个功率器件,损耗也增加了㊂文献[14-15]通过耦合电感将一种 反射波消除器 串联入变频器输出端,对变频器输出电压进行 整形 ,达到消除反射波的目的,但是增加了成320㊀燕山大学学报2023本㊂文献[16]提出一种新颖的调制方案以应对过电压问题,无需任何额外的硬件,但只适用于单相H桥电机驱动㊂文献[17]提出一种新颖的软开关逆变器拓扑用于过电压抑制,还可以改善EMI性能㊂文献[18]提出一种基于自适应控制的过电压抑制策略,无需硬件上的改变,但却增加了控制的复杂性㊂随着工业生产中电机的功率越来越大,对电机驱动的电压等级提出了更高的要求,中高压电机驱动开始走上舞台㊂级联H桥和模块化多电平变换器作为优秀的多电平拓扑,在中高压电机驱动中均得到了应用[19-22]㊂但两者具有不同的特点,由于桥臂电感的存在,模块化多电平变换器输出电压的变化率较级联H桥要低,所以过电压问题并不是很严重㊂而星型连接的级联H桥变频器由于没有环流问题,所以相桥臂上一般不安装电抗器,导致其输出电压的变化率很高[23]㊂并且随着碳化硅器件的应用,功率器件的开关速度变得更快,相应的,过电压问题也会更严重[24-25]㊂为了解决级联H桥变频器经长电缆驱动电机时存在的电机端过电压问题,本文根据中间电平插入的抑制原理,提出了一种改进型级联H桥变频器及其控制方法,只需在每相的某一个子单元中加入一对辅助双向开关管,便能够有效抑制电机端过电压㊂1㊀基于传输线理论的过电压现象分析1.1㊀电机端电压数学模型为了分析电机端过电压产生的机理,以及影响过电压峰值的因素,本文将变频器,长线电缆和电机作为整体统一进行考虑㊂假设变频器直流侧电压是恒定无波动的,所以可等效为理想脉冲电压源与其输出阻抗Z s串联,电缆可被当作理想均匀传输线,而电机则可以等效为阻抗Z m㊂图1所示为变频器经长电缆驱动电机的系统模型,电缆长度为l,V(0,s)和V(l,s)分别为变频器输出端电压和电机端电压的拉氏变换,V+(x,s)和V-(x,s)分别为电缆上正向行波(入射波)和反向行波(反射波)的拉氏变换㊂为了方便分析,假设电缆为无损传输线,则其特征阻抗为Z0=L C,(1)式中,L和C分别为单位长度电缆的分布电感和分布电容㊂根据均匀传输线理论[26],从变频器输出端向电机方向看去的输入阻抗Z in为Z in=Z0Z m+Z0tanh(jωl LC)Z0+Z m tanh(jωl LC)=Z01+Γm e-2τs1-Γm e-2τs,(2)式中,τ为电压波在电缆上的传播时间,Γm为电机端的反射系数,分别定义为τ=l LC,(3)Γm=Z m-Z0Z m+Z0㊂(4)图1㊀变频器经长电缆驱动电机的系统模型Fig.1㊀System model of a inverter driving motor via long cable ㊀㊀变频器输出端即电缆首端的电压表达式为V(0,s)=Z inZ in+Z s V(s),(5)将式(2)代入式(5),并定义变频器端反射系数Γs=(Z s-Z0)/(Z s+Z0),可得V(0,s)=1-Γs21+Γm e-2τs1-ΓmΓs e-2τs V(s)㊂(6)电缆上任意一点的电压均可以看成是正向行波V+(x,s)和反向行波V-(x,s)相叠加,而在电机端,根据反射系数的物理意义,入射波和反射波满足V-(l,s)=Γm V+(l,s),所以电机端电压为V(l, s)=(1+Γm)V+(l,s)㊂由于电缆首末端存在传输延迟,利用位移定理,可得变频器输出电压为V(0,s)=V+(0,s)+V-(0,s)=V+(l,s)eτs+V-(l,s)e-τs=(1+Γm e-2τs)V+(l,s)eτs,(7)联立式(6)和式(7),可得电机端电压的复数域表达式为第4期骆志伟等㊀级联H 桥变频调速系统电机端过电压抑制方案研究321㊀V (l ,s )=(1-Γs )(1+Γm )2㊃e -τs1-Γm Γs e -2τsV (s ),(8)在通常情况下,变频器的输出阻抗要远小于电缆的特征阻抗,而电机的等效阻抗又远大于电缆的特征阻抗,即Γs ʈ-1,Γm ʈ1㊂此时,式(8)可变换为V (l ,s )=e -τs1+e -2τs2V (s )㊂(9)由式(9)可知,电机端可产生最大2倍于变频器输出的电压,假设Γs =-0.95,Γm =0.95,τ=0.2μs,由式(8)可以画出当V (s )为方波信号时,电机端电压V (l ,s )的时域响应波形,如图2所示㊂可以看到电机端电压与变频器输出电压之间存在一个时间为τ的延迟,此为电压波在电缆上的传播时间㊂图2㊀变频器输出电压与电机端电压时域响应波形Fig.2㊀Time domain response waveforms of inverteroutput voltage and motor terminal voltage1.2㊀PWM 波上升时间对过电压峰值的影响第一小节推导出了电机端电压的复数域表达式,并画出其时域响应波形㊂但是在实际应用中,变频器产生的并不是理想的阶跃电压波,从一个电平到另一个电平需要一定的上升和下降时间㊂本节主要讨论PWM 波上升时间t r 和电机端反射系数Γm 对电机端过电压峰值V m 的影响㊂根据图3中电压波在电缆上的传递过程可知,在第三次传播过程中即图3中虚线部分,由于变频器端反射系数Γs 一般为负值,所以该正向行波与V (s )的极性相反,当其到达电缆末端即电机端时,电机端电压会降低,而在此之前正反向行波的极性均与V (s )相同㊂因此,过电压的峰值会出现在t =3τ这一时刻,图2(b)中电机端电压的放大波形也验证了这一点㊂图3㊀电压波在电缆上的传播过程示意图Fig.3㊀Schematic diagram of the voltage wave propagationprocess on the cable㊀㊀根据上述分析,当变频器输出的PWM 波在t =3τ之前上升到最大电压时,电机端过电压峰值只受电机端反射系数Γm 约束而与上升时间t r 没有关系㊂反之,如果PWM 波在t =3τ之后还在继续上升的话,传播时间τ和上升时间t r 均会影响过电压峰值㊂电机端过电压峰值的归一化表达式如下[7]V mV (s )=Γm +1㊀㊀t r ɤ3τ3τt r Γm +1t r >3τìîíïïïï㊂(10)根据式(10)可绘制出电机端过电压峰值与上升时间和电机端反射系数之间的关系图,如图4所示㊂由图4可知,当电缆的长度非常短或者变频器输出电压上升非常缓慢的话,电机端过电压峰值并不严重,这就是为什么限制变频器输出电压变化率能够达到抑制电机端过电压的目的㊂322㊀燕山大学学报2023图4㊀过电压峰值与脉冲上升时间和电机端反射系数的关系Fig.4㊀Relationship between overvoltage peak value,pulse rise time and motor terminal reflection coefficient2㊀基于中间电平插入的过电压抑制原理分析与实现2.1㊀中间电平插入理论为了解决变频器经长电缆驱动电机时存在的过电压问题,本文使用了中间电平插入的思想㊂即在变频器输出电压的每个上升和下降沿插入一个持续时间极短的中间电平㊂当在V (s )的上升沿中插入一个大小为V (s )/n ,持续时间为t m 的中间电平时,式(8)可变换为V (l ,s )=(1-Γs )(1+Γm )2e -τs1-Γm Γs e -2τs㊃V (s )n +(n -1)V (s )n e -t m s éëêêùûúú,(10)为了便于分析,假设在极端情况下,即Γs =-1,Γm =1㊂式(10)可简化为㊀V (l ,s )=2e -τs 1+e -2τs V (s )n +(n-1)V (s )n e -t m s éëêêùûúú,(11)而当n =2,t m =2τ时,式(11)又可进一步简化为V (l ,s )=V (s )e -τs ,(12)式(12)的时域表达为V (l ,t )=V (t -τ),(13)由(13)可知,当插入中间电平后电机端电压与变频器输出电压相比,只会有一个微小的延迟,而不会产生过电压㊂假设Γs =-0.95,Γm =0.95,τ=0.2μs,电机端电压的时域响应波形如图5所示,对于V (t )可以看作是V 1(t )和V 2(t )的组合,两者均是幅值为0.5的阶跃信号,但是阶跃时间相差2τ㊂而波在电缆上传播一个来回所需时间正好是2τ,例如在t =3τ这一时刻,V 1(t )的负极性正向行波和V 2(t )的正极性正向行波正好同时抵达电机端,两者相互抵消,之后的时刻同样如此,相当于V (t )在电机端基本不发生反射,所以过电压的峰值明显衰减了㊂由图5可知,插入中间电平后,电机端的过电压得到了明显的抑制,其峰值出现在t =5τ这一时刻㊂并且根据图3中波的传播过程,易知插入中间电平后电机端过电压峰值的归一化表达式为V mV (s )=Γs Γ2m+Γs Γm +Γm +12+Γm +12=㊀Γm +1+Γs Γm (Γm +1)2㊂(14)第4期骆志伟等㊀级联H桥变频调速系统电机端过电压抑制方案研究323㊀图5㊀插入中间电平后变频器输出电压与电机端电压的时域响应波形Fig.5㊀Time domain response waveforms of inverteroutput voltage and motor terminal voltage after theintermediate level is inserted㊀㊀根据式(14)可以绘制出插入中间电平后,电机端过电压峰值与Γs和Γm之间的关系曲线,如图6所示㊂由于变频器的输出阻抗一般比较小,所以Γs只取了较小的值,可以看到,抑制后的过电压峰值一般不会超过25%㊂2.2㊀改进型级联H桥变频器中间电平插入实现针对广泛用于中高压电机驱动领域的级联H 桥变频器,并结合上一节所分析中间电平插入的过电压抑制原理,本文提出了一种可以有效解决电机端过电压问题的改进型级联H桥变频器拓扑结构,如图7所示㊂当变频器没有通过长电缆连接电机即不存在过电压问题时,所提出变频器中的辅助双向开关不动作,此时与传统的级联H桥变频器并无差异㊂而当变频器通过长电缆连接电机时,加入辅助双向开关的H桥子单元则负责产生ʃV dc/2电压,用来在变频器输出电压的上升和下降沿中插入中间电平㊂图6㊀插入中间电平后过电压峰值与电机端和变频器端反射系数之间的关系Fig.6㊀Relationship between peak overvoltage andreflection coefficients at motor and inverterterminal after intermediate levelinsertion图7㊀改进型级联H桥变频器拓扑结构Fig.7㊀Topology of improved cascaded H-bridge inverter324㊀燕山大学学报2023㊀㊀假设所提出改进型级联H 桥变频器含有3个子单元,则各子单元输出电压V o1,V o2,V o3及总输出电压V 总的波形如图8所示,加入辅助双向开关的H 桥子单元主要负责在变频器输出电压中插入中间电平㊂图8㊀改进型级联H 桥变频器各子单元及总输出电压波形Fig.8㊀The sub-units and total output voltage waveformof the improved cascaded H-bridge inverter㊀㊀其中H 桥子单元的驱动脉冲的产生方法与传统的级联H 桥变频器一致,本文不再赘述㊂而对于加入辅助双向开关的H 桥子单元开关管的驱动脉冲则需要根据其他子单元输出电压的上升和下降沿确定㊂首先,加入辅助双向开关的H 桥子单元具有4种工作状态,如图9所示㊂工作在状态1和2可分别输出+V dc /2和-V dc /2电平,工作在状态3和4则子单元输出电压为0,状态3和4之间的切换需要根据变频器的输出电流方向确定㊂图9㊀加入辅助双向开关的H 桥子单元工作状态Fig.9㊀Operation stages of H-bridge subunit withauxiliary bidirectional switch㊀㊀对图9中的工作状态进行分析,可以很容易得到开关管Q 1~Q 6的驱动脉冲生成方法,具体如图10所示㊂图中驱动脉冲的上标表示第几个子第4期骆志伟等㊀级联H 桥变频调速系统电机端过电压抑制方案研究325㊀单元,i o 为变频器输出电流,假设在第n 个子单元中加入了辅助双向开关㊂首先需通过单稳态触发器检测出变频器输出电压的所有边沿,然后再进行一些逻辑变换即可得到开关管的驱动脉冲,这在可编程逻辑器件中是容易实现的㊂图10㊀加入辅助双向开关的H 桥子单元控制方法Fig.10㊀Control scheme of H-bridge subunitwith auxiliary bidirectional switch3㊀仿真及实验验证3.1㊀仿真验证为了验证所提出改进型级联H 桥变频器及其控制方法对于电机端过电压抑制的有效性,在PLECS 中搭建了仿真模型,仿真参数如表1所示,其中电缆参数参考了文献[20]㊂仿真波形如图11所示,由图可知,使用本文所提出的方案可以将过电压从68.2%降低至10.8%,抑制效果十分显著㊂表1㊀仿真参数表Tab.1㊀Table of simulation parameters仿真参数数值子单元直流侧电压/V1000单元数6调制波频率/Hz 50开关频率/Hz 1000电缆分布电阻Ω/km 0.5电缆分布电感μH /km 390电缆分布电容nF /km254电缆长度/m50图11㊀变频器输出及电机端线电压仿真波形Fig.11㊀Simulation waveforms of inverteroutput and motor terminal line voltage3.2㊀实验结果为了验证所提出方案在工程实践中的可行326㊀燕山大学学报2023性,搭建了2个子单元的级联H 桥变频器样机驱动三相异步电动机,变频器样机与电动机的照片如图12所示㊂需要说明的是,实验中使用了一段单位分布参数电路来模拟长电缆㊂图12㊀实验平台照片Fig.12㊀Photograph of experimental platform㊀㊀实验系统的参数如表2所示,根据表中单位长度电缆的分布电感和电容,可以计算出中间电平的最优持续时间为9.6μs㊂表2㊀实验参数表Tab.2㊀Table of experimental parameters实验参数数值子单元直流侧电压/V100单元数2调制波频率/Hz 50单位长度电缆分布电感/μH 23单位长度电缆分布电容/μF1开关频率/Hz 1000开关管XNF20N60T 控制器TMS320F28379D㊀㊀过电压抑制前后电缆末端即电机端电压和电机电流的实验波形分别如图13和14所示㊂可以看到,抑制之前,电机端的过电压峰值可达到70%,使用本文所提出方案后,过电压峰值大大降低,只有10%左右,实验结果充分说明了上述理论分析的正确性和所提出方案的有效性㊂值得注意的是,由于电机绕组电感的存在,电机端电压中的高频阻尼振荡并不会影响电机电流,抑制前后电机电流均比较光滑㊂图13㊀过电压抑制前实验波形Fig.13㊀Experimental waveform before overvoltage suppression第4期骆志伟等㊀级联H桥变频调速系统电机端过电压抑制方案研究327㊀图14㊀过电压抑制后实验波形Fig.14㊀Experimental waveform after overvoltage suppression 4 结论本文针对中高压电机驱动领域,分析了电机端过电压现象发生的原因及其影响因素,并提出了一种改进型级联H桥变频器结构和控制方法,能够有效解决电机端过电压问题,得到了以下结论:1)电机端过电压发生的根本原因是变频器输出的脉冲电压在电缆上发生了反射㊂2)过电压峰值理论上最大为2pu,主要影响因素为电机端反射系数Γs和PWM波的上升时间㊂3)在变频器输出电压的上升和下降沿中插入中间电平可有效抑制过电压,并且中间电平持续时间的最优值为电压波在电缆上传播时间的二倍㊂参考文献1DE LIMA A C S DOMMEL H W STEPHAN R M.Modeling adjustable-speed drives with long feeders J .IEEE Transactions on Industrial Electronics 2000 47 3 549-556.2万健如林志强禹华军.高频PWM脉冲波传输引起电机端子过电压的研究 J .中国电机工程学报2001 2111 43-47.WANG J R LIN Z Q YU H J.Research on motor terminal over-voltage caused by high-frequency PWM pulse J .Proceedings of the CSEE 2001 21 11 43-47.3李金泉王鹏吴琦等.重复脉冲过电压对变频电机绝缘局部放电起始电压及熄灭电压的影响研究 J .中国电机工程学报2019 39 15 4541-4550.LI J Q WANG P WU Q et al.The influence of overvoltage from repetitive impulsive voltages on PDIV and PDEV of inverter-fed motor insulation J .Proceedings of the CSEE 2019 3915 4541-4550.4马洪飞徐殿国陈希有等.PWM逆变器驱动异步电动机采用长线电缆时电压反射现象的研究 J .中国电机工程学报2001 21 11 110-114.MA H F XU D G CHEN X Y et al.Research of voltage reflection of PWM inverter-fed induction motor with long motor leads J .Proceedings of the CSEE 2001 21 11 110-114. 5高强徐殿国.PWM逆变器输出端共模与差模电压d v/d t滤波器设计 J .电工技术学报2007 22 1 79-84. 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ZHANG X ZHANG X L XIE Z et al.Drive of doubly-fed wind-energy generation converter through long cable and over voltage restrain J .Automation of Electric Power Systems 2006 30 21 44-48.9JIANG Y WU W HE Y et al.New passive filter design method for overvoltage suppression and bearing currents mitigation in a long cable based PWM inverter-fed motor drive system J .IEEE Transactions on Power Electronics 2017 32 10 7882-7893.10 STROM J P KORHONEN J TYSTER J et al.Active du/dt new output-filtering approach for inverter-fed electric drives J . IEEE Transactions on Industrial Electronics 2011 58 9 3840-3847.11 YUEN K F CHUNG S H CHEUNG S P.An active low-loss motor terminal filter for overvoltage suppression and common-mode current reduction J .IEEE Transactions on Power Electronics 2012 27 7 3158-3172.12 YUEN K F CHUNG S e of synchronous modulation to recover energy gained from matching long cable in inverter-fed motor drives J .IEEE Transactions on Power Electronics 2014 29 2 883-893.13 LEE S NAM K.An overvoltage suppression scheme for AC motor drives using a half DC-link voltage level at each PWM transition J .IEEE Transactions on Industrial Electronics 2002 493 549-557.14 ZHANG Y LI H.A WBG based active reflected wave canceller forSiC motor drives C//2019IEEE7th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications Raleigh NC USA 2019 75-79.15 ZHANG Y LI H PENG F Z.A low-loss compact reflected wave canceller for SiC motor drives J .IEEE Transactions on Power Electronics 2021 36 3 2461-2465.16 DIAB M S YUAN X.A quasi-three-level PWM scheme to combat motor overvoltage in SiC-based single-phase drives J . IEEE Transactions on Power Electronics 2020 35 12 12639-12645.17 ZHOU W DIAB M YUAN X et al.Mitigation of motorovervoltage in SiC-based drives using soft-switching voltage slew-rate d v/d t profiling J .IEEE Transactions on Power Electronics 2022 37 8 9612-9628.18 江川何山王维庆等.基于自适应控制的变流器长电缆驱动引起的过电压抑制策略研究 J .太阳能学报2021 421 187-191.JIANG C HE S WANG W Q et al.Research on suppression strategy for overvoltage caused by long cable drives of converter based on adaptive control J .Acta Energiae Solaris Sinica 2021 42 1 187-191.19 TOLBERT L M PENG F Z HABETLER T G.Multilevel converters for large electric drives J .IEEE Transactions on Industry Applications 1999 35 1 36-44.20 PARIDA N DAS A.A modular multilevel converter with filter capacitor for long-cable-fed drive application J .IEEE Transactions on Industry Applications 2019 55 6 7833-7842.21 YAO H YAN Y SHI T et al.A novel SVPWM scheme for field-oriented vector-controlled PMSM drive system fed by cascaded H-bridge inverter J .IEEE Transactions on Power Electronics 2021 36 8 8988-9000.22 龚向阳蔡振华谢宇哲等.一种改进的模块化多电平换流器模型预测控制策略 J .燕山大学学报2019 43 5 423-432.GONG X Y CAI Z H XIE Y Z et al.An improved modular multilevel converter model predictive control strategy J .Journal of Yanshan University 2019 43 5 423-432.23 AKAGI H.Classification terminology and application of the modular multilevel cascade converter MMCC J .IEEE Transactions on Power Electronics 2011 26 11 3119-3130.24 PAN J KE Z SABBAGH M A et al.7-kV1-MVA SiC-based modular multilevel converter prototype for medium-voltage electric machine drives J .IEEE Transactions on Power Electronics 2020 35 10 10137-10149.25 ZHOU W DIAB M YUAN X.Impact of parasitic and load current on the attenuation of motor terminal overvoltage in SiC-based drives J .IEEE Transactions on Industry Applications 2022 58 2 2229-2241.26 ZHANG S JIANG S LU X et al.Resonance issues and damping techniques for grid-connected inverters with long transmission cable J .IEEE Transactions on Power Electronics 2014 291 110-120.下转第336页336㊀燕山大学学报2023 Research on speed optimization control of power transmission-lineconsidering battery SOCMA Liqun1LIU Zhe2GONG Zitao3FAN Xuejun3AHMAD Waseem4ZHANG Chunjiang41.Handan Xinhe Power Construction Co.Ltd.Handan Hebei056004 China2.State Grid Hebei Electric Power Co.Ltd.Shijiazhuang Hebei050021 China3.Handan Power Supply Branch of State Grid Hebei Electric Power Co.Ltd.Handan Hebei056004 China4.School of Electrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao Hebei066004 ChinaAbstract Transmission-line blocking robot can effectively improve security.It is a practical problem to be solved that how to prolong the working time of the blocking robot powered by the battery according to the actual working conditions.In the paper it is studied how to reasonably control the operation speed of the blocking robot according to the battery SOC and the actual work needs so as to improve the endurance of the blocking robot.Firstly the relationship between the robot s DC motor speed and the output power is analyzed.Changing the motor speed can change the motor output power thus controlling the change degree of battery SOC.Consequently an optimal speed control strategy of transmission line blocking robot considering battery SOC is proposed and four speed adjustment coefficients are designed.According to the real-time value of SOC the output power of robot motor is dynamically adjusted to improve the utilization efficiency of battery power.The simulation results show that battery SOC nearly doubled by conservative speed regulation compared with full speed regulation which verifies the effectiveness of the proposed control strategy.According to the real-time value of SOC the output power of the device is dynamically adjusted to improve the utilization efficiency of battery power.Keywords transmission-line blocking robot rechargeable battery DC motor control SOC(上接第328页)Research on suppression scheme of overvoltage at motor terminal of cascaded H-bridge variable frequency speed regulation systemLUO Zhiwei1,ZHANG Min2,LI Xin2,SUN Xiaofeng2(1.Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing100076,China;2.School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei066004,China)Abstract:The cascaded H-bridge inverter used for medium and high voltage motor drive has the advantages of low output waveform harmonic content,small device voltage stress,and high efficiency.Like the traditional two-level inverter,when it drives the motor through a long cable,there is also the problem of overvoltage at the motor terminal.For this reason,the structure of the cascaded H-bridge inverter is improved in this paper,and an auxiliary bidirectional switch is placed in a subunit of each phase,so that it can generateʃV dc/2level,that is,a short fixed time intermediate level is inserted into each rising and falling edge of the total output voltage.The intermediate level can divide the rising/falling edge into two sections,and there is a delay between the two that is twice the propagation time of the voltage wave on the cable.Due to the existence of delay,the second section can just cancel the reflected wave of the first section,and the overvoltage caused by the reflection phenomenon at the motor terminal will be significantly suppressed.Finally,the effectiveness of the proposed scheme is verified by simulation and experiment. Keywords:motor;multilevel;inverter;transmission line;overvoltageCopyright©博看网. All Rights Reserved.。
Y型模块化多电平变换器原理及其在中压馈线互联中的研究
（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 ３１００２７）
摘 要：针对未来配 网 中 压 馈 线 柔 性 互 联 的 迫 切 需 求，提 出 了 采 用 Ｙ型 模 块 化 多 电 平 变 换 器 （Ｙ ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＹＭＭＣ）实现柔性多状态开关功能的研究思路。首先分析其拓扑结构与工作原理，采用功率外环电流内环的 双闭环控制策略，在 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台中搭建了系统仿真模型。在 １０ｋＶ中压配网环境下，仿真研究了 ＹＭＭＣ对 有功功率和无功功率的传输性能及系统的动态响应。结果表明所搭建的系统有较好的性能，该研究为新型交交拓扑的 柔性多状态开关用于中压配网环境下的适用性提供了参考。 关 键 词：Ｙ型模块化多电平变换器；柔性多状态开关；双闭环控制策略；ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真；调制策略 中图分类号：ＴＭ７１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５２８９５（２０１８）０５００４５０８
ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＹ ＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎ Ｍｅｄｉｕｍ ＶｏｌｔａｇｅＦｅｅｄｅｒＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
ＹＥＴｉａｎｈｕａ，ＹＡＮＧＨｕａｎ，ＺＨＡＮＧＹｅｌｕ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
械开关相比，柔性多状态开关有很多优势，不仅具备连 通和开断 ２种状态，而且增加了功率连续可控状态，能 够根据需要对其连接两侧馈线的有功功率和无功功率 进行控制，促进馈线负载分配的均衡化和电能质量改 善，为未来智能配电网的实施提供关键技术与设备支 撑［２３］。
收稿日期：２０１８０３２６；修回日期：２０１８０５２０ 基金项目：国家电网公司科技项目（５２１１０４１７００４３）。 第一作者简介：叶天华（１９９２），男，山东莱州人，硕士研究生，主要研究方向为布式发电与电网、智能软开关。Ｅｍａｉｌ：ｙｅｔｈ＠ｚｊｕ． ｅｄｕ．ｃｎ
级联H桥多电平变频器技术研究
级联H桥多电平变频器技术研究
吴伟亮;刘细平;黄朝志;程谦
【期刊名称】《电力电子技术》
【年(卷),期】2022(56)3
【摘要】随着中高压变频器在工业变频领域广泛应用,级联H桥多电平变频器采用模块化设计理念,通过多个相同的低压变换单元级联起来实现高压及大功率的功能。
为此介绍一种每相由8个H桥变换单元级联的多电平变频器、相应的载波移相正
弦波脉宽调制技术,以及基于电压型磁链观测器的无速度传感器矢量控制策略。
通
过实时数字仿真(RTDS)和变频器带异步电机拖动实验验证了该级联H桥多电平变频器采用所提出的控制策略具有良好的起动和变频性能,为中高压大功率传动领域
提供了技术保障。
【总页数】4页(P122-125)
【作者】吴伟亮;刘细平;黄朝志;程谦
【作者单位】江西理工大学电气工程与自动化学院;南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM464
【相关文献】
1.三电平H桥级联高压变频器在煤矿通风机上的应用
2.直流电压不均衡的级联H
桥多电平变频器载波移相PWM调制策略的设计3.H桥级联式多电平高压变频器
的仿真研究4.三电平H桥级联高压变频器在煤矿通风机上的应用5.一种级联H桥多电平变频器改进型载波移相PWM调制策略
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