五电平ANPC变换器多目标优化调制技术研究

针对五电平有源钳位型变换器现有的调制策略存在SPWM直流侧电压利用率低,中点电压控制的计算复杂,SVPWM数字化实现难度大等问题,研究了一种操作简单,满足电压利用率高、中点电位平衡、悬浮电容电压稳定、共模电压较小等多目标优化的五电平新型SPWM调制算法。首先通过研究SVPWM与SPWM的本质联系,将SVPWM等效至PD-SPWM,其次分析不影响中点电位平衡的共模电压抑制边界,重构五电平低幅值共模电压矢量空间,并采用注入零序电压自由选择开关序列、实时切换等效PD-SPWM种类等方法实现多目标优化。最后搭建了实验样机,应用仿真和实验等手段对多目标优化算法进行了验证,试验结果表明在保证中点电压平衡、悬浮电容电压稳定可控的同时,共模电压幅值减小约32.8%,表明了优化的有效性。

一种双输出准五电平逆变器及其VSVPWM算法

提出一种新型的三相双输出准五电平逆变器(dual-output quasi-five-level inverter,DO-FLI)拓扑结构,DO-FLI可以实现两组频率和幅值可调的交流电压输出。DO-FLI是基于T型四电平转换器而改进的;在T型四电平转换器上共增加了3个开关和6个箝位二极管,并将直流侧的1:1:1电源转换为1:2:1直流电源,形成了新的拓扑结构。由于DO-FLI直流侧电源的不对称性,会缺失部分输出矢量,这将导致开关频率的增加。为了降低开关频率,提出了一种虚拟空间矢量脉宽调制(virtual space vector pulse width modulation,VSVPWM)的调制策略,并与分时调制思想相结合,实现了对两级逆变器的单独调控。实验和仿真结果的正确性说明了调制策略的有效性和所提拓扑结构的可行性。

NNPP五电平变流器IGBT开路故障诊断策略

这里提出了一种嵌套式中点可控型五电平(5L-NNPP)变流器IGBT开路故障诊断策略:基于模型预测控制(MPC)在单个采样周期内的最优输出开关状态、输出电平以及电容的充放电状态,通过检测实际输出电平和电容电压与其理论最优值进行比较,实现IGBT的开路故障诊断和快速定位。所提方法易于实现且计算复杂度低,通过仿真和实验验证了该开路故障诊断策略的可行性和有效性。

混合型五电平变流器中点电位平衡控制策略

有源中点箝位五电平变流器(5L-ANPC)由于其具有的固有特点,可实现混合型5L-ANPC拓扑结构,因此可利用GaN与Si器件的特性。针对其中点电位需进行主动调节的问题,提出一种基于PI的混合中点电位闭环控制方法,所提算法通过PI调节实现直流侧支撑电容电压动态稳定。最后通过一个2 kW单相变流器验证了中点电位平衡控制策略的有效性,建立了混合型5L-ANPC的损耗模型,同时对混合型拓扑的效率进行了分析。

一种新型单相不对称五电平逆变器

该文对一种新型单相不对称五电平逆变器进行研究,这种新型逆变器是通过将半桥二极管钳位逆变器和传统两电平半桥逆变器共享同一直流母线而获得的。针对这种新型拓扑结构该文分析了一种方波合成与消谐波三角载波PWM相结合的控制方法,在这种控制方法下,新型逆变器允许开关速度较快的器件和耐压值较高的器件工作在一起。文中将这种逆变器与其它三种单相五电平逆变器进行了比较。最后本文对一个单相五电平不对称逆变器电路进行了实验验证,并给出相关结论。

级联H桥五电平变流器工况分析与验证

以单相两功率单元级联为例,阐述了级联H桥五电平变流器的拓扑结构和载波相移SPWM(CPS-SPWM)调制策略。从该变流器的运行工况着手,给出了这种变流器在CPS-SPWM调制方法下的工作原理,并从数学角度推导了变流器开关切换、输出电压、电流流向以及均衡电压等情况,理论推导表明CPS-SPWM调制方法应用在级联多电平逆变器上的可行性、可靠性和控制的简易性,为实现调制方法的优化和拓扑结构的改进提供了理论基础。同时对五电平变流器的运行工况进行了详尽的分析,推导出了五电平变流器的数学模型,并进行了仿真和实验验证。基于DSP与FPGA,研制了多路PWM脉冲发生器,既简化了电路的设计,提高了系统的可靠性,又可保证整个系统功率元件驱动信号的同步。实验结果表明,这种变流器能在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果,运行工况稳定,在高压、大功率场合有一定的工程应用前景。

五开关五电平逆变器的载波交错SPWM控制方法

传统五电平逆变器所用开关器件较多,而五开关五电平逆变器简化了拓扑结构。分析五开关五电平逆变器的工作机理,给出其基于载波的SPWM控制的思路,进而提出五开关五电平逆变器的载波交错SPWM控制方法与FPGA实现手段。通过载波周期性正、负交错,采用调制波分层、分区的正弦脉宽调制方式,获得五电平输出电压的开关控制信号。仿真结果从理论上证明其开关损耗小,输出电压的谐波特性与H桥级联型一致。实验结果表明其在整个幅值调制比范围内都适用。仿真与实验结果验证了五开关五电平逆变器的载波交错SPWM控制方法的可行性与有效性。

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。

一种三相五电平电流型逆变器拓扑及其PWM控制方法的研究

多电平变流器具有输出谐波小、功率容量大、电磁兼容性好等特性而越来越引起人们的重视。随着超导储能技术的发展,电感储能效率的不断提高,在某些大功率应用场合,电流型逆变器也将发挥出其特定的优点。因此,电流型多电平逆变器拓扑和控制策略的研究具有一定的实际意义。文中提出了一种三相5电平电流型逆变器拓扑,并分析了其工作原理。对多载波PWM控制方法进行简化,采用两个相位相反的三角载波得到3电平信号,经过解耦处理,得到了一种适合于该拓扑的5电平PWM开关控制策略,并进行了仿真验证。最后,建立了一个三相5电平CSI的实验系统,对文中所给的拓扑和控制方法进行了验证。

基于空间电压矢量的有源中点箝位型五电平逆变器母线中点电压平衡问题的研究

有源中点箝位型五电平(active neutral-point-clamped five-level,ANPC-5L)变换器与三电平相比,具有输出电压等级较高、输出功率更大、电流谐波含量较低等特点,在高压大功率领域具有较高的研究价值。以ANPC-5L变换器作为研究对象,采用空间电压矢量脉宽调制控制算法,通过分析ANPC-5L变换器的单相拓扑结构及其工作原理,针对不同开关状态下的ANPC-5L变换器的母线中点电压的波动模型进行研究分析,得出了平衡母线中点电压偏差的公式及ANPC-5L变换器中点电位的平衡域曲线。以此为基础,提出一种有效平衡中点电压的控制方法,通过选择参考电压矢量所在三角形的开关序列及同时控制复用矢量的作用时间之比,实现了悬浮电容电压与中点电压的解耦和平衡控制,最后通过实验进一步验证了控制算法的正确性和有效性。

基于五电平有源中点钳位型双PWM变换器的异步电机矢量控制系统

一种基于五电平有源中点钳位型(ANPC)双PWM变换器的异步电机矢量控制系统,其整流侧和逆变侧变换器分别采用五电平ANPC拓扑背靠背连接,可实现网侧单位功率因数输入和异步电机的四象限运行。整流侧采用电网电压定向矢量控制实现有功功率和无功功率的解耦控制。逆变侧采用转子磁场定向矢量控制实现异步电机的高性能变频调速。设计并制作了一台380V/10 kW的样机,实验结果表明该样机运行稳定,控制算法正确可靠。

一种具有高性价比的五电平逆变器拓扑

为了提高五电平逆变器的性价比,在分析传统五电平逆变器拓扑的基础上,重组H桥级联结构与中点电位结构,只增加一个功率开关管构成辅助开关,跨接一个H桥与两个直流电压源,提出一种新型五电平逆变器拓扑。通过不同的开关组合,进而得到五电平输出电压。对H桥级联型五电平拓扑与新型拓扑的结构及输出性能进行了对比分析,仿真与试验结果表明:在输出相同电平的情况下,新型拓扑单元性价比高,验证了新型拓扑的正确性与有效性。

基于零序电压注入的五电平有源中点钳位型逆变器多目标优化控制策略

针对五电平有源中点钳位型逆变器的母线中点电压平衡、开关频率优化以及共模电压抑制等多目标优化问题展开研究,本文提出了一种基于零序电压注入的方法控制母线中点电压平衡,通过计算所有关键零序电压对应的中点电流,并从中选择最优的关键零序电压来产生所需的目标中点电流,从而使母线中点电压波动最小。在此基础上进一步限制注入的零序电压的取值范围,可使得串联双管工作在基频,同时限制共模电压的幅值不超过母线电压的1/4。实验结果表明了该控制策略的有效性。

飞跨电容型双降压五电平逆变器

为综合利用飞跨电容逆变器和双Buck电路的优点,以双Buck电路为基本单元构建多电平逆变器,提出一种新颖的五电平双降压式飞跨电容逆变器。该拓扑结构不同于传统的飞跨电容型、二级管钳位型或级联型多电平逆变器,它保留了双Buck逆变器无桥臂直通、无体二极管反向恢复问题的优点和电流半周期工作模式。飞跨电容通过逻辑电路对冗余模态进行选择,实现充放电的均衡。与传统的桥式多电平逆变器相比,钳位电路得到简化,电路复杂度降低,无桥臂直通隐患,系统稳定性提高。理论分析、仿真和实验结果均表明了该逆变器性能的优越性。

高压大容量五电平逆变器共模电压抑制研究

以一种新型五电平逆变器为研究对象,首先对其工作原理进行了分析;然后根据开关状态分布特点提出一种消除共模电压的调制策略,该调制策略不仅能实现系统共模电压为零,同时还解决了飞跨电容电压平衡问题;最后在Matlab/Simulink环境下对传统调制策略和该文提出的新型调制策略进行对比研究,结果验证了所提出方案的有效性。

五电平逆变器特定谐波消除脉宽调制方法

为了提高非线性方程组的求解速度,提出了一种基于"冲量相等、重心重合"原则和直接数值计算的非线性方程组初值求取方法。以12个开关切换点为例,主要研究了五电平逆变器SHEPWM非线性方程组在调制比从1.15到0.01的全范围变化时的求解方法,对每一个M值给出了至少一组数值解。求解过程证明所提初值方法是有效的。论文讨论了随着M值从大到小变化,SHEPWM问题的解及其代表的波形的变化趋势。对选取的典型数值解进行了仿真和实验研究,结果证明所得数值解能够实现基波控制目标并有效消除选定的低频次谐波。

基于改进型SVPWM的五电平NPC/H变流器共模电压抑制技术研究

为解决多电平变流器中共模电压随电平数增加幅值增大的问题,以五电平桥式中点箝位变流器为例,分析共模电压的产生机理,并提出一种基于改进型空间矢量脉冲宽度调制的共模电压抑制技术。将五电平桥式中点箝位变流器等效为两个三电平中点箝位变流器的组合,原参考电压矢量可分解为两个小的电压矢量。五电平空间矢量脉冲宽度调制也被分解为两个三电平空间矢量脉冲宽度调制。为抑制其共模电压,其中一个三电平变流器采用零共模电压空间矢量脉冲宽度调制策略,另一个三电平变流器则按传统空间矢量脉冲宽度调制策略进行调制。对比分析并仿真研究现有两种调制策略与改进型空间矢量脉冲宽度调制策略下五电平桥式中点箝位变流器的共模电压和直流电压利用率。理论分析和结果证明变流器的共模电压最大值比传统SVPWM(space vectorpulse width modulation)下降了60%,直流电压利用率比零共模电压策略升高了4%,说明在共模电压得到有效抑制的同时,保持了较高的直流电压利用率。

五电平H桥级联型STATCOM脉冲轮换控制策略研究

为改善采用载波同相层叠调制策略时五电平H桥级联型静止同步补偿器(Static synchronous compensator,STATCOM)输出电流的波形质量,提出一种直流侧电压平衡控制策略。基于STATCOM的控制原理阐述载波层叠调制策略下脉冲周期轮换的方法,分析脉冲轮换时序对各单元直流侧电压的影响,推导占空比变化量与各单元吸收功率的关系。以此为基础改进了脉冲轮换控制策略,该策略在脉冲周期轮换的基础上通过调整脉冲轮换时序的占空比来维持各单元直流侧电压平衡。通过对改进前后脉冲轮换控制策略仿真分析,结果表明改进的脉冲轮换控制策略能够有效地平衡直流侧电容电压。

有源中点钳位型五电平整流器电容建压方法

有源中点钳位型五电平(active neutral-point-clamed five-level,ANPC-5L)变换器在中高压大功率变频传动场合应用潜力巨大。针对传统电容建压方法无法适用于ANPC五电平整流器内部电容器的建压问题进行研究,在充分分析了其拓扑结构特点的基础上,提出了一种ANPC-5L整流器的电容建压方法,在不增加其他外部充电设备的前提下,通过控制每相桥臂中不同开关管的导通与关断,对整流器中的所有电容器进行充电。在分析不同阶段建压电路结构特点的基础上,推导出各阶段电容器建压公式,并给出建压速度与等效预充电阻及电容器容量的关系。该方法具有充电速度快、效果好、通用性强等特点,同时还具有成本低、操作简单、易于控制等优点。最后,以ANPC-5L整流器为例,进行了仿真和实验验证,仿真和实验结果均验证了所提电容建压方法的正确性和有效性。

基于新型SVPWM的NPC/H桥五电平逆变器共模电压抑制策略研究

为解决逆变器中共模电压随其电平数增加而幅值增大的问题,以中点箝位H桥五电平逆变器为例,分析共模电压的产生机理,并提出一种基于参考电压矢量分解的新型五电平空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)算法。该算法直接将五电平分解为两电平,避免了先将五电平转化为三电平,再将三电平转化为两电平的繁琐过程且可适用于更高电平。基于该算法设计了一种通过合理选择空间矢量来抑制共模电压的五段式调制方法。理论分析、仿真与实验结果表明,该方法可以将共模电压最大值抑制到单相直流电压源电压值的1/3,比传统SVPWM算法下降了60%;同时,逆变器的开关损耗也得到了减小。