Снижение электромагнитных помех общего режима для твердотельных трансформаторов

     Эта статья заполняет этот пробел, представляя всесторонний обзор распространенных MLC с постоянным током, охватывая их топологическую эволюцию, особенности, сравнение топологий, методы модуляции, стратегии управления и области промышленного применения. Кроме того, обсуждаются перспективы и рекомендации для лучшего понимания исследователями и инженерами потенциальных применений и преимуществ этих преобразователей.

1. Введение.

     Учитывая основные этапы эволюции MLC, существующие топологии MLC можно разделить на несколько семейств, как показано на следующем рисунке. Первое семейство включает топологии на основе CHB и характеризуется высокой модульностью и оптимальным количеством силовых ключей для выходных уровней [31]. Однако требуются несколько изолированных источников постоянного тока, что требует использования громоздких изолирующих трансформаторов или ограничивает их применимость к приложениям, имеющим несколько изолированных источников постоянного тока. Кроме того, неравномерное распределение мощности между каскадными ячейками является одной из общих проблем этого семейства. Второе семейство включает топологии на основе NPC, такие как 3L-NPC и 3L-T2C. Эти преобразователи характеризуются надежными силовыми цепями и простой защитой. Однако балансировка постоянного тока является необходимым требованием в проектировании управления этих топологий. Топологии на основе FC используют конденсаторы в качестве компонентов зажима для увеличения числа уровней, формируя семейство MLC, характеризующееся высокой гибкостью, высокими резервами и устойчивостью к отказам. Гибридные MLC образованы базовыми ячейками традиционных топологий и, следовательно, сочетают несколько преимуществ классических MLC с возможностью создания большого числа уровней. Топологии MMC представляют собой семейство MLC, которое представляет собой прорыв для высоковольтных приложений благодаря своей высокой эффективности и высокой модульности.

2. Общие топологии постоянного тока.

   Трехуровневая активная структура NPC (ANPC) смогла решить проблему распределения потерь мощности с помощью двух различных методов модуляции, называемых паттерны I и II, в которых два диода зажима заменены двумя активными ключами для контроля направления тока в нулевых состояниях. Паттерн I вызывает большую часть потерь коммутации во внешних ключах каждой ноги, тогда как паттерн II перемещает потери коммутации на внутренние ключи. Категория FC включает топологии, использующие FC без зажима нейтральной точки, и, соответственно, не вызывают проблему балансировки постоянного тока. В этих топологиях FC используются для замены источников постоянного тока при генерации уровней напряжения. В целом, благодаря модульности, это семейство способно генерировать относительно большие уровни по сравнению с семейством NPC. Кроме того, гибкость, устойчивость к отказам и улучшенное распределение потерь между ключами являются заметными особенностями этих топологий. Гибридные многоуровневые преобразователи (HMLC) объединяют несколько фундаментальных топологий, чтобы использовать их преимущества, одновременно преодолевая некоторые их ограничения. Преимущественно, гибридные топологии могут улучшить возможности балансировки напряжения как для постоянного тока, так и для FC, а также распределение потерь мощности по ключам, снижая количество необходимых активных и пассивных компонентов по сравнению с топологиями NPC и FC.

3. Модуляция и управление.

   Классификация основных методов управления многоуровневыми преобразователями показана на рисунке ниже. Как и в случае двухуровневого преобразователя, каскадная структура управления обычно состоит из внешних и внутренних стадий управления, а также блока модулятора. Хотя внутренние и внешние контуры похожи в двухуровневых и многоуровневых преобразователях, стадия модулятора, которая в основном требуется для скалярного и векторного управления (FOC), должна быть адаптирована по мере увеличения числа уровней. В этом разделе сначала представлен обзор наиболее популярных, а также передовых модуляторов. Также более подробно будут рассмотрены методы управления, которые не требуют отдельного модулятора.

4. Промышленные применения.

   Исторически, инверторы CHB характеризуются модульностью, устойчивостью к отказам и способностью генерировать большое количество уровней напряжения путем каскадирования ячеек. Однако требование наличия нескольких изолированных источников постоянного тока (выпрямитель + трансформатор с точки зрения промышленности) ограничивает их применимость для широкого диапазона мощностей. Действительно, инверторы CHB в основном используются в высокомощных приложениях (от сотен киловатт до мегаватт), где нет доступных компонентов для таких мощностей. С другой стороны, общие топологии постоянного тока характеризуются использованием одного источника постоянного тока, что делает их хорошей альтернативой в различных приложениях, таких как трехфазные промышленные системы. Действительно, они могут использоваться во многих конфигурациях, таких как 3-ноговый 3-проводной, 3-ноговый 4-проводной и 4-ноговый 4-проводной, в приводах двигателей, инверторах PV, быстрых зарядных устройствах постоянного тока и т.д.

Источник: IEEE Xplore

Заявление: Уважаем оригинальность, хорошие статьи стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.