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。

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。

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。

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。

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。

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。

三电平ANPC并网逆变器损耗分布平衡的研究

采用三电平拓扑的光伏并网逆变器能有效提高系统的容量、输出电能质量和效率。本文以三相三电平有源中点钳位型光伏并网逆变器为研究对象,采用特定谐波消除脉宽调制方法,分析了在不同输出状态之间进行切换时器件损耗分布情况,研究了3种冗余零状态换流模式,通过合理选择不同的冗余零状态使电流通过不同的路径,提出了每相桥臂轮流采用这3种换流模式的控制策略,从而有效地实现了器件损耗平衡分布。最后搭建三电平有源中点钳位光伏并网逆变器实验平台对提出的控制策略进行了验证,实验结果表明了提出的控制策略能有效地实现器件的损耗分布平衡。

三电平ANPC逆变器中点电压平衡和开关损耗减小的SVM控制策略

有源中点钳位型拓扑通过选择冗余开关状态和不同的电流通路能够有效控制器件的损耗平衡。论文对三电平有源中点钳位型逆变器中点电压平衡和开关损耗减少的控制策略进行研究,提出一种中点电压平衡和减小损耗的三电平空间矢量调制方法。将虚拟中矢量重新定义,新的虚拟中矢量由原中矢量和邻近的两对小矢量合成,因此参考矢量在空间矢量图的任何区域都有两个成对的正负小矢量参与合成,其中一个优先用于控制中点电压的平衡,另外一个可以用于其他控制目标。在每个开关周期内根据中点电压波动和开关序列选择合适的小矢量,在控制中点电压平衡的基础上有效地减小了器件的开关损耗。最后搭建三电平ANPC逆变器仿真和实验平台对提出的控制策略进行验证,实验结果表明了控制策略的有效性。

基于SPWM的三电平ANPC逆变器损耗平衡控制方法

有源中点箝位(ANPC)型多电平拓扑通过选择不同的电流通路可以使器件损耗分散在不同的开关管上。以三电平ANPC逆变器为研究对象,分析了在不同开关状态之间切换时各开关器件的损耗分布情况,采用正弦脉宽调制(SPWM)方法,提出了一种器件损耗分布平衡的控制策略。通过合理选择冗余状态使电流通过不同的路径,有效地实现了每相器件的损耗平衡。搭建三电平ANPC逆变器实验平台对提出的控制策略进行了验证。

三电平ANPC逆变器变虚拟空间矢量控制策略

针对三电平有源中点箝位(ANPC)逆变器存在的中点电压平衡问题,提出一种基于虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)的改进控制策略。通过在原虚拟空间矢量开关序列基础上,根据开关损耗特点重新优化整合,并实时采样逆变器的中点电压偏移值与三相负载电流大小,根据两者对应关系动态选择相应开关序列,实现中点电压平衡控制目标。在满足中点电压平衡的同时,相比较传统VSVPWM策略的九段式开关序列,采用的改进式开关序列有效减小了每个开关周期内功率器件的切换次数,降低了逆变器的导通与关断损耗。最后通过Matlab/Simulink仿真并搭建实验平台验证了控制策略的有效性。

A NOVEL AERONAUTICAL STATIC INVERTER WITH HIGH FREQUENCY PULSE DC LINK

A new combined soft switching technique and a novel topology of aeronautical static inverter with high frequency pulse dc link are proposed in this paper, namely an electrical isolated converter can realize soft switching of two stage cascade converters. It lays technical foundation for high power density, high efficiency and low cost aeronautical static inverter. The operation and design approach of this topology are carefully analyzed and studied. The validity of this topology is verified by simulation and test.

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。

一种基于双矢量恒定开关频率的三电平ANPC型全桥逆变器模型预测控制方法

针对三电平有源中点箝位型(activeneutral-pointclamped,ANPC)全桥逆变器在使用有限集模型预测控制(finite control set mode predictive control,FCS-MPC)方法时,存在开关频率不固定、电流谐波大、多目标优化复杂、对处理器运算效率要求高等问题,该文首先提出一种双矢量恒定开关频率FCS-MPC方法,该方法以逆变器输出电压矢量而非开关矢量为有限集进行模型预测,降低模型计算量;然后,通过代价函数寻优以确定最优和次优电压矢量,消除多目标优化问题;根据代价函数值计算矢量作用时间,并在下一控制周期中同时输出2种电压矢量,实现恒定开关频率,降低输出电流谐波;再次,推导基于不同变量约束实现所提方法的原理;最后,该文提出基于比例积分控制器调整冗余矢量作用时间来实现直流侧电容电压均衡控制的方法,此方法具有很快的调节速度。仿真和实验验证所提方法的良好性能。

矿山高压三电平ANPC变频器预测控制研究

提出了一种基于模型预测控制的矿山高压三电平ANPC变频器预测控制方案。该方案采用电流预测控制实现三电平有源中点钳位型高动态性能及单位功率因数控制,根据开关器件损耗选取与电压矢量唯一对应的开关状态。针对控制过程计算量大的问题,提出对系统进行延时补偿控制。仿真和实验结果表明,采用所提控制方案的三电平有源中点钳位型整流器动态响应快,具有良好的静、动态特性。

三电平ANPC逆变器中点电压平衡控制策略

针对三电平有源中点箝位型逆变器存在中点电压偏移的问题,提出了一种改进的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)中点电压平衡控制策略。该策略对逆变器的三相桥臂分别进行控制,并根据采样得到的中点电压和三相电流的大小及方向,动态微调每个开关周期内各相开关序列零状态的占空比,从而改变直流侧电容的充放电时间,减小输出电流对中点电位的影响,达到控制中点电压平衡的目的。该控制策略使用和传统的SVPWM一样的矢量分区方法和脉冲开关序列,所以没有额外地增加矢量分区的复杂度和器件的开关损耗。最后搭建了三电平有源中点箝位型逆变器的仿真模型和实验平台对提出的控制策略进行了验证,仿真与实验结果证实了所提控制策略的有效性与可行性。

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。

5L-ANPC逆变器中器件过电压分析及抑制

针对光伏发电系统中的五电平中点有源箝位型逆变器进行研究,分析并抑制了三类引起低压器件过电压的问题。首先,通过引入吸收电容,抑制换流回路过长引起的高关断应力;其次,优化动作时序抑制前级高压器件切换引起的低压器件过电压;然后,设计特殊的关机模式抑制传统驱动全封锁关机造成的过电压问题。最后,在60 kW的实验样机上验证了电压应力抑制方法的有效性。

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。

共模电压减小的五电平ANPC快速模型预测控制

针对三相五电平有源中点箝位型(ANPC)逆变器共模电压和电容电压平衡问题,提出了一种具有共模电压减小的快速模型预测控制(MPC)策略。首先,通过建立变换器输出共模电压的数学模型,舍去对共模电压影响较大的电压空间矢量,有效抑制了共模电压的脉动;在此基础上通过扇区划分,减少了控制集内的电压矢量数;然后根据悬浮电容电压采样值选择合适的开关状态,控制了悬浮电容电压的平衡。最后,将负载电流和上、下直流母线电容电压值作为预测模型的输入,选择价值函数最小的开关状态作为控制器的输出。此方法在平衡电容电压和减小共模电压脉动的基础上,降低了价值函数构建的复杂性,减小了控制器的计算量,提高了计算效率。

三电平ANPC逆变器中点电压平衡的VSVPWM控制策略

提出了一种用于控制三电平ANPC逆变器中点电压平衡的改进式虚拟空间矢量调制(VSVPWM)方法,该方法使用与传统VSVPWM调制方法一样的基本矢量参与合成虚拟小矢量和虚拟中矢量,并根据采样得到的中点电压偏移情况以及三相电流的大小。在低调制度时,重新计算合成虚拟小矢量的正负小矢量的分配系数;在调制度较高时,重新选择产生不同中点电流的改进式虚拟中矢量,从而达到动态调节中点电压平衡的目的。此方法增强了中点电压平衡的控制效果,且实现了对整个矢量空间范围内中点电压的控制。最后,通过仿真和实验验证了所提出的控制策略的有效性。