Ten artykuł wypełnia lukę, przedstawiając kompleksowy przegląd popularnych wielopoziomowych przekształtników z połączeniem stałoprądowym (MLC), obejmujący ich ewolucję topologiczną, cechy, porównanie topologii, techniki modulacji, strategie sterowania oraz obszary zastosowań przemysłowych. Ponadto omówiono perspektywy na przyszłość i rekomendacje, aby zapewnić badaczom i inżynierom lepsze zrozumienie potencjalnych zastosowań i zalet tych przekształtników.
1.Wprowadzenie.
Biorąc pod uwagę główne etapy ewolucji MLC, istniejące topologie MLC można sklasyfikować na kilka rodzin, jak pokazano na poniższym rysunku. Pierwsza rodzina obejmuje topologie oparte na CHB i charakteryzuje się wysoką modularnością oraz optymalną liczbą przełączników mocy dla poziomów wyjściowych [31]. Jednak wymagane są wiele izolowanych źródeł stałoprądowych, co oznacza konieczność używania grzewczych transformatorów izolacyjnych lub ograniczenia zastosowań do tych, które mają wiele izolowanych Źródeł DC. Dodatkowo, nierównomierna dystrybucja mocy między kaskadowymi komórkami mocy jest jednym z typowych problemów w tej rodzinie. Druga rodzina obejmuje topologie oparte na NPC, takie jak 3L-NPC i 3L-T2C. Te przekształtniki charakteryzują się solidnymi obwodami mocy i prostym ochroną. Jednak bilansowanie połączenia stałoprądowego jest kluczowym wymogiem w projektowaniu sterowania tych topologii. Topologie oparte na FC wykorzystują kondensatory jako elementy blokujące, aby zwiększyć liczbę poziomów, tworząc rodzinę MLC charakteryzującą się dużą elastycznością, wysokimi redundancjami i odpornością na awarie. Hybrydowe MLC powstają z podstawowych komórek tradycyjnych topologii, łącząc wiele zalet klasycznych MLC z możliwością generowania dużej liczby poziomów. Topologie MMC stanowią rodzinę MLC, która reprezentuje przełom w zastosowaniach HV ze względu na swoją wysoką efektywność i modułowość.
2. Popularne topologie połączeń stałoprądowych.
Trójpoziomowa struktura ANPC (Aktywny NPC) była w stanie rozwiązać problem dzielenia strat mocy poprzez wykorzystanie dwóch różnych technik modulacji, nazywanych wzorcami I i II, w których dwa diody blokujące są zastępowane przez dwa aktywne przełączniki, aby kontrolować kierunek przepływu prądu w stanach zerowych. Wzorzec I powoduje, że większość strat przełączania występuje w zewnętrznych przełącznikach każdej nogi, podczas gdy wzorzec II przesuwa straty przełączania do wewnętrznych przełączników. Kategoria FC obejmuje topologie, które wykorzystują FC bez punktu neutralnego zablokowanego i, odpowiednio, nie prowadzą do problemu bilansowania połączenia DC. W tych topologiach FC są wykorzystywane do zastąpienia źródeł DC podczas generowania poziomów napięcia. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki modularności, ta rodzina ma zdolność generowania względnie wyższych poziomów w porównaniu z rodziną NPC. Ponadto, elastyczność, odporność na awarie i poprawione dzielenie strat między przełącznikami to wyraziste cechy tych topologii. Hybrydowe wielopoziomowe przekształtniki (HMLC) łączą wiele podstawowych topologii, korzystając z ich poszczególnych zalet, jednocześnie pokonując niektóre ich ograniczenia. Głównie hybrydowe topologie mogą poprawić zdolności bilansowania napięcia zarówno dla połączenia DC, jak i FC, a także dystrybucji strat mocy między przełącznikami, zmniejszając przy tym liczbę wymaganych aktywnych i pasywnych komponentów w porównaniu z topologiami NPC i FC.
3. Modulacja i sterowanie.
Klasyfikacja głównych technik sterowania wielopoziomowymi przekształtnikami jest pokazana na poniższym rysunku. Podobnie jak w przypadku dwupoziomowego przekształtnika, struktura sterowania kaskadowego zwykle składa się z zewnętrznych i wewnętrznych etapów sterowania, a także bloku modulatora. Chociaż pętle wewnętrzne i zewnętrzne są podobne w dwupoziomowych i wielopoziomowych przekształtnikach, etap modulatora, który jest głównie wymagany dla skalarnych i technik sterowania orientowanego na pole (FOC), musi być dostosowany w miarę zwiększania liczby poziomów. W tej sekcji najpierw przedstawiono przegląd najpopularniejszych, jak i zaawansowanych modulatorów. Ponadto, techniki sterowania, które nie wymagają oddzielnego modulatora, zostaną szczegółowo zbadane.
4. Zastosowania przemysłowe.
Historycznie, inwertery CHB charakteryzują się modularnością, odpornością na awarie i zdolnością generowania dużej liczby poziomów napięcia poprzez kaskadowanie komórek. Jednak wymóg wielu izolowanych źródeł DC (prostownik+transformator z punktu widzenia przemysłu) ogranicza ich stosowanie w szerokim zakresie moc. Faktycznie, inwertery CHB są najczęściej stosowane w aplikacjach o wysokiej mocy (od setek kilowatów do megawatów), gdzie nie ma dostępnych komponentów dla takich ratingów. Z drugiej strony, popularne topologie połączeń DC charakteryzują się wykorzystaniem pojedynczego źródła DC, co czyni je dobrą alternatywą w różnych zastosowaniach, takich jak trójfazowe systemy przemysłowe. Rzeczywiście, mogą być one wykorzystywane w wielu konfiguracjach, takich jak 3-nogie 3-przewodowe, 3-nogie 4-przewodowe i 4-nogie 4-przewodowe w napędach silników, inwerterach PV, szybkich ładowarkach DC itp.
Źródło: IEEE Xplore
Oświadczenie: Szacunek dla oryginału, dobre artykuły warto dzielić, jeśli jest infringement proszę o kontakt do usunięcia.