高速磁浮背靠背三电平ANPC变流器中点电压偏移机理与协同控制策略

高速磁浮交通牵引变流器采用24 MVA背靠背三电平有源中点钳位拓扑,其中两台整流器和两台逆变器共用直流母线。该文分析整流侧和逆变侧在不同功率因数下中点电压(neutral point voltage,NPV)偏移机理及不同电压矢量对NPV的具体影响。据此,针对高速磁浮逆变器并联和串联两种模式,建立NPV偏移模型,得到在调制比和功率因数同时变化时NPV的可控区域。为在全速范围保证NPV平衡,提出一种基于平移调制波的协同控制策略。为减轻整流器功率因数和调制比对NPV的影响,采用一种具有相电压半波对称性的载波脉宽调制,并证明其具备NPV自平衡能力。仿真和硬件在环实验表明,所提策略具有NPV恢复到平衡状态所需时间短、可控范围大等优点,可在高速磁浮全速工况下保证NPV平衡。

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。

ANPC⁃5L逆变器电容电压平衡的优化算法

针对有源中点钳位五电平(ANPC⁃5L)逆变器在g-h坐标系的空间矢量脉宽(SVPWM)算法下的悬浮电容电压和直流电容中点电压发散问题,提出了一种建立边沿触发脉冲控制开关状态时间的方法,降低悬浮电容电压波动,减小直流侧电容电压偏移。通过悬浮电容电流波动导致悬浮电容电压偏移的原理,依据不同开关状态下输出相同的电平,且不同开关状态导致悬浮电容电流方向相反的原理,在一个完整周期内,使得悬浮电容电流相互抵消,降低悬浮电容电压波动。建立一种主动功率流动模型,通过减小悬浮电容电压波动来实现直流侧电容中点电压的平衡。最后,通过搭建仿真平台,对比应用所提方法前后ANPC⁃5L的电容电压平衡情况,使方法的有效性得到验证。

ANPC三电平换流器高效电磁暂态建模仿真方法

在ANPC(有源中性点钳位型)三电平换流器小步长实时仿真研究中,现有电磁暂态建模方法在模型精度、计算效率、仿真规模等方面存在不足,为此,提出一种高效电磁暂态仿真模型。该模型基于ANPC三电平桥臂的离散化伴随电路,通过WARD等值理论消去内部节点,构造一个对外等效的多端口诺顿等效电路,替代桥臂进行网络的电磁暂态仿真求解,在不损失建模精度的前提下实现节点降维和仿真提速。在MATLAB/Simulink平台中搭建基于该等效模型的ANPC三电平换流器仿真系统,并与详细模型仿真结果进行对比,结果表明该等效模型能精确仿真稳态和暂态运行工况,并且具有较明显的速度提升。

应用于非正常工况下的高功率ANPC逆变器研究

大功率情况下,有源中点箝位式(Active Neutral Point Clamped,ANPC)三电平逆变器因为其器件损耗均匀被广泛使用。然而,在实际情况下,电网电压通常会出现非正常的工况,如三相不平衡等。在这些非正常工况下,三相并网电流的控制尤为复杂。在此背景下,提出采用三相电网电压正序分量提取的方法应用于锁相环,能够准确提取三相电网电压的相位信息,从而保证三相并网电流的高性能控制。仿真和实验验证了所提方法的有效性。

基于混合ANPC逆变器的永磁电机解耦预测控制策略

永磁电机具有效率高、启动快、过载能力强及噪声小等优点,已被成功应用于大功率交流传动系统。为解决传统Si基变流器开关频率低造成电机转矩动态响应慢、转矩脉动大的问题,文中结合SiC器件耐高温和开关频率高的特点,将Si/SiC协同的三电平有源中点钳位型(active neutral-point-clamped,ANPC)逆变器混合拓扑引入到永磁电机驱动系统。首先研究Si/SiC混合ANPC逆变器拓扑的运行原理与换流模式,分析不同换流模式下的损耗分布规律及调制策略。结合模型预测控制技术的多目标和多约束特性,提出基于混合ANPC逆变器的永磁电机高解耦预测控制策略,以实现Si/SiC混合拓扑中Si器件的低频运行和SiC器件的高频运行。稳态和暂态实验结果证实了所提控制策略的可行性和有效性。

基于ZVS变频控制的Si/SiC混合ANPC逆变器损耗评估

零电压开通变频控制(variable frequency controlled zero-voltage-switching,VF-ZVS)可在无辅助电路条件下实现零电压开通(zero-voltage-switching,ZVS),进一步提升碳化硅MOSFET逆变器的功率密度。但在三相有源中点钳位逆变器(active-neural-point-converter,ANPC)中,全功率器件ZVS会大幅增加输出电感电流纹波,改变ANPC逆变器的电流续流路径,影响SiC器件损耗分布特征。论文建立电流纹波关于矢量作用时间的分段数学表达式,提出计及电流纹波的SiC器件损耗建模方法,表征VF-ZVS控制下电流纹波对开关管损耗特性的影响规律。进一步,分析VF-ZVS控制下2SiC、4SiC I和4SiC II 3种典型混合ANPC拓扑的新增工作模态特性;利用所提出的损耗模型,评估在不同调制度、全功率等级下上述3种混合拓扑的开关损耗、通态损耗和损耗分布均衡度,并通过6kW SiC实验平台,在不同功率等级下实验验证了SiC器件损耗模型和3种混合拓扑损耗评估结果的正确性。

基于线电压坐标系的ANPC-5L逆变器SVPWM算法的研究

在6～10kV的高压变频领域，与传统拓扑结构相比，有源中点箝位型五电平（active neutral-point-clampedfive-1evel，ANPC-5L）逆变器具有很高的实用价值。针对传统五电平逆变器空间矢量脉宽调制（spac evector pulse width modulation，SVPWM）控制算法复杂、计算量大等缺点，研究一种基于线电压坐标系的SVPWM控制算法，通过进行坐标变换，减少对基本矢量的确定步骤，简化基本矢量对应作用时间的求解过程，并将其应用到ANPC-5L逆变器中，通过实验波形和电流谐波分析证明控制算法的正确性。结合ANPC-5L逆变器和新控制算法的特点，提出一种高效的中点电压平衡的控制算法，通过对中点电位的检测和判断计算出所需的开关序列及复用矢量的作用时间比值，实现中点电流流入与流出的平衡，进而达到控制中点电压平衡的目的。实验结果证明了该中点控制算法有效性。

矿山高压多电平ANPC变频调速系统损耗分析

以五电平有源中点箝位ANPC高压变频调速系统为研究对象,在介绍ANPC五电平拓扑数学模型和PWM调制方法的基础上,对系统开关损耗、电容损耗以及传导损耗进行了量化分析。分析结果表明,ANPC五电平拓扑虽然损耗构成种类更多,但其在开关损耗抑制方面优势显著,可使变频调速系统整体运行效率更高。

基于SiC器件的三电平ANPC牵引变流器损耗分析

在大功率牵引变流器中,采用具有开关速度快、耐高温、开关损耗低等诸多优势的SiC器件替代Si器件,并构建基于SiC器件的三电平ANPC变换器,可以大大减轻变流器的散热系统负担,有助于实现牵引系统轻量化,提升变流器的功率密度和整体效率。对4种三电平ANPC变换器拓扑(2种SiC+Si的混合型三电平ANPC拓扑、全SiC型三电平ANPC拓扑和全Si型三电平ANPC拓扑)及适用于不同拓扑结构的调制策略进行了详细的分析。结合4种拓扑工作于各自最优调制策略下的换流过程,对不同拓扑的功率损耗和热平衡特性等方面通过仿真验证进行了定量分析比较。结果表明,全SiC型三电平ANPC拓扑损耗分布最均衡,工作效率最高;2-SiC混合型三电平ANPC拓扑在保证性能的基础上成本更低,可以作为采用SiC器件的牵引变流器的一种较高性价比的选择。

适用于器件并联型ANPC拓扑的低感叠层母排设计方法

在高压大容量电力电子设备中,采用叠层母排作为主要连接器件能够降低换流回路杂散电感,减小开关瞬态过程中的电压尖峰,因此叠层母排的设计对高压大容量电力电子装置的性能有着显著影响。为此,针对器件并联型有源中点钳位型(ANPC)拓扑,从换流回路杂散电感大小和不同换流回路杂散电感对称性的角度出发,对比了不同母排层数和空间结构对换流回路杂散电感的影响,给出了一种功率器件对称分布的四层母排设计方法。通过换流回路杂散电感双脉冲实验提取结果,验证了所提出母排结构各换流回路杂散电感理论分析的正确性和仿真计算的准确性。该设计方法能够有效降低器件并联型ANPC拓扑叠层母排换流回路的杂散电感,并使各换流回路杂散电感具有对称性,降低了功率器件的电气应力,提高了各功率器件电气应力的均衡性,有效提高变换器运行的可靠性。

应对高杂散电感的三电平ANPC拓扑改进调制策略

针对高频大功率三电平有源钳位型(active neutral point clamped,ANPC)电路运行时的四象限换流回路进行了分析,考虑高杂散电感下不同换流回路对ANPC运行的影响,分别得出小换流回路与大换流回路的电压应力情况。对比了ANPC三电平正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)中的两种调制策略载波层叠(phase disposition pulse width modulation,PDPWM)与载波移相(phase shift pulse width modulation,PSPWM),为尽量避免大换流回路应采用PDPWM调制策略。在高杂散电感的情况下,加入吸收电容会后产生谐振,通过对其换流回路进行详细分析,总结出谐振产生的原因,提出了改进的PDPWM的调制策略。仿真与实验结果验证了理论分析的正确性,谐振得到有效的抑制。

有源中点箝位式(ANPC)五电平逆变器调制方法和飞跨电容电压控制策略研究

分析了ANPC型五电平逆变器开关状态和输出电平的关系,并提出单周期SPWM调制方法。该调制方法在一个开关周期内实现有效电平且包含飞跨电容充电、放电两个状态。针对控制飞跨电容电压的问题,提出了在调制策略中增加充电因子,通过检测飞跨电容电压和实时调节充电因子实现飞跨电容电压闭环可控。最后对单周期SPWM调制方法和飞跨电容电压控制策略进行了仿真和实验,验证了其正确性。

基于中点电流的ANPC逆变器故障诊断策略与容错控制

有源中点箝位型(ANPC)逆变器具有输出波形畸变率低、传输效率高等优点,获得了广泛的应用,但大量的开关器件降低了逆变器的可靠性。分析了三电平ANPC逆变器在不同开关器件开路故障下的电流路径,得到不同故障下输出电平及输出电压空间矢量的变化情况。结合各矢量作用下中点电流与输出电流的关系,提出了一种基于中点电流的故障诊断方法。根据ANPC逆变器电路特点,对其桥臂器件和箝位器件提出了不同的容错模式,并提出了一种具有不降额容错能力的容错电路结构。通过搭建仿真模型及实验平台对提出的故障诊断方法及容错策略进行验证,仿真和实验结果验证了该故障诊断方法及容错策略的有效性。

三电平ANPC变流器损耗平衡的SVPWM策略

针对三电平有源中点钳位(active neutral point clamped ,ANPC)变流器开关器件在工作中存在损耗不平衡的问题,给出一种改进的平衡策略。以a相为例,对三电平ANPC变流器损耗不平衡的原因进行分析,采用空间矢量脉冲宽度调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略,通过合理选择相同的过渡状态,从而减少开关管动作实现损耗平衡。相比传统SVPWM策略,该方法使桥臂开关器件的不平衡度从23.12%降到6.37%,钳位开关器件的不平衡度从11.19%降到4.71%。此方法可应用于提升电机变频调速、高压输电等场所下变流器的容量和使用寿命。

三电平ANPC变流器中点电位控制策略研究

本文详细分析了三电平有源中点箝位(ANPC)变流器中点电压波动产生的根本原因,提出了一种分区域控制的中点电位的平衡方法,该方法能够实现在变流器全范围工作区域内的中点电位平衡控制,且该方法运算量小,易于实现,对于空间矢量脉宽调制和三角载波比较脉宽调制方法都适用;本文同时利用三电平ANPC变流器的拓扑结构优势提出一种损耗平衡控制算法,改善了在高调制度低功率因数时中点电位平衡控制引起的开关损耗大的问题。通过仿真和实验验证了本文提出的控制方法能够同时实现三电平ANPC变流器的中点电位波动抑制和桥臂损耗平衡的控制,具有较强的工程应用价值。

一种考虑中点平衡的ANPC变换器的混合断续脉冲宽度调制策略

对于ANPC(active neutral-point-clamped)变换器,采用断续脉冲宽度调制DPWM(discontinuous pulse width modulation)具有开关损耗小的优点,但也存在中点电位波动较大的问题,为此提出了一种基于切换钳位的混合断续脉冲宽度调制Hybrid DPWM策略,实现DPWM策略下ANPC变换器的中点电位平衡。在单位功率因数下,该方法根据中点电位的高低采用不同钳位方式,并对不同钳位方式下的开关序列进行优化,减小开关次数;在非单位功率因数、高调制比下,该方法根据电荷守恒计算大矢量、中矢量和小矢量作用时间,通过中矢量、小矢量和大矢量的合理分配实现中点电位平衡。同时,2种中点平衡方式在全范围内具有互补性,使开关管在每个开关周期内动作4~6次。最后,对多种调制策略的动稳态性能和中点电位平衡能力等进行了实验对比,验证了所提混合断续脉冲宽度调制策略的有效性。

一种混合型ANPC三电平变换器拓扑和调制策略研究

三电平变换器在中高压大功率应用场合的广泛应用对变换器功率密度和效率提出了更高要求。为了使变换器在大功率高速传动领域稳定可靠工作,在有源中点钳位(ANPC)三电平变换器拓扑基础上,深入研究了一种由SiC和Si器件构成的混合型ANPC三电平拓扑。首先,详细分析了混合型ANPC拓扑的工作模态,深入研究了SiC器件在高频状态工作,Si器件在工频状态工作的调制策略;继而分析了在相应调制策略下拓扑的换流过程;最后,分别在Matlab/Simulink仿真平台上构建混合型ANPC三电平拓扑仿真模型,在高压大功率条件下验证方案的可行性和调制策略的有效性。

基于混合载波调制的三电平ANPC逆变器开路故障容错控制策略

与二极管中点箝位型(neutral-point-clamped,NPC)逆变器相比,有源中点箝位型(active NPC,ANPC)逆变器具有零电平下的冗余开关状态,增加控制自由度和容错运行能力。为进一步提高三电平ANPC逆变器的可靠性,提出一种基于混合载波调制技术的容错控制方法,通过改变参考调制信号和载波信号,可以实现单个和多个功率器件开路故障下的多模式容错运行,采用改进的零序电压注入法,维持正常和容错运行模式下直流侧电容电压的平衡,并抑制中点电位的低频脉动。所提方法不需要增加额外的功率器件和传感器,可以提高三电平ANPC逆变器的可靠性和输出性能。仿真和实验结果验证所提容错控制策略的可行性和有效性。

基于优化代价函数的三电平ANPC并网逆变器电流预测控制方法

针对传统三电平有源中点钳位(ANPC)并网逆变器有限控制集模型预测控制存在的计算流程复杂、中点电压波动较大、输出电流谐波较大的问题,提出了一种基于优化代价函数的三电平ANPC并网逆变器电流预测控制方法.该方法简化了传统模型预测控制方法中建立直流侧中点电压偏移量ΔU dc与三相开关状态S_( x)中间变量的步骤,在静止αβ坐标系下,利用负载电流i、ΔU dc与S x之间的关系直接建立数学模型,通过对27种开关状态的实时计算,确定最优输出开关状态.仿真和实验结果表明,该方法有效降低了电流谐波畸变率,达到了抑制中点电压波动的效果.