A Novel Serial Hybrid Three-level NPC Topology for Multi-MW Medium Voltage Wind Power Converters

提出一种新型的串联混合三电平中点钳位（neutralpoint clamped,NPC）拓扑,该拓扑是基于传统三电平NPC拓扑的改进和优化,引入大功率IGBT的串联应用。该新型拓扑中,桥臂的两个外管分别用两个低压IGBT串联,两个内管均用高压IGBT。在多兆瓦级中压风电变流器中,大功率IGBT的开关损耗很大,从而限制了开关频率。提出的新型拓扑通过低压IGBT的串联来减小功率器件的损耗,从而提高开关频率,同时可减小输出滤波器的尺寸。通过传统三电平拓扑和新型串联混合三电平拓扑IGBT损耗的对比,说明新拓扑的优势。通过改变门极驱动电阻实现串联IGBT的均压,对新拓扑的应用具有重大意义。最后通过新拓扑的单相样机验证新拓扑的正确性和可行性。

NPC三电平整流器的混合参数自适应控制

为降低中点箝位型(neutral point clamped,NPC)三电平整流器的电流谐波,在dq同步旋转坐标系下推导出带中点电压耦合项的NPC三电平整流器数学模型,并分析中点电压对电流控制的影响。对模型中的中点电压耦合项和交流侧等效电阻会增大电流谐波及无法通过常规方法进行准确估计的问题,设计一种混合参数自适应的迭代学习控制方法,以进行解耦控制并消除不确定参数的影响。通过构造Lyapunov函数和理论推导验证控制方法的稳定性。在整流器硬件平台上进行试验验证,结果表明,所设计的控制方法可有效降低电流谐波。

基于SVPWM补偿优化的三电平NPC并网逆变器容错控制

为保证并网系统中三电平中点箝位(neutral point clamped,NPC)型并网逆变器单相桥臂短路或断路故障后持续运行,提出一种基于空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)的优化补偿型低共模电压容错控制策略。首先,通过分析故障后八开关三相逆变器(eight switch three phase inverters,ESTPI)拓扑开关状态对应的共模电压大小,确定参考电压矢量合成规则;然后,通过一个基波周期内中点电流情况分析中点电位波动机理,进而对空间矢量合成进行调节补偿;最后,设计低通滤波器和滞环控制器进一步对补偿进行优化调整,保证并网电流质量的同时有效抑制了直流母线中点电位偏移。仿真结果表明,该容错控制策略能够实现三电平NPC并网逆变器单相桥臂故障后并网系统的稳定可靠运行,每个基波周期有三分之一时间的共模电压得到改善,优化补偿后的并网电流质量显著提高,且在并网电流突变时具备良好的控制特性。

NPC三电平并网逆变器共模电流抑制技术研究

共模电流抑制是非隔离型光伏并网逆变器的一个关键技术问题。首先基于考虑所有寄生参数的非隔离型单相并网逆变器高频共模等效模型归纳出两种抑制漏电流的途径,并将其应用到二极管钳位(neutral point clamped,NPC)三电平并网逆变器中得出仅通过正弦脉宽调制(sine pulse width modulation,SPWM)策略抑制共模电压不可行和通过电路元件参数匹配抑制共模电压的3种可能方案。针对3种可能的方案分析了它们的成立条件和现实可行性,并通过相应的实验验证结论的可靠性。其中,提出的通过补偿电容来弥补寄生参数差异的措施可以进一步增强NPC三电平并网逆变器漏电流抑制性能,是一种简单、可靠、有效的实用技术。

基于零序注入的NPC三电平变流器中点电位反馈控制

对NPC三电平变流器中点电位不平衡时,输出交流电压的补偿与中点电位的反馈控制问题进行了研究。提出了一种基于零序注入的NPC三电平中点电位反馈控制方法,在保证输出电压无畸变的同时还能实现中点电位的任意调节。调制策略基于SPWM原理,实现十分简单,适用于强化传统的中点电位平衡控制或需要对上下组直流电压进行分别控制的场合。文中给出了本文控制方法的中点电流控制能力,并对中点电位的低频波动问题进行了分析。仿真和实验结果验证了相关理论的正确性。

NPC三电平逆变器容错拓扑及其控制研究

研究了二极管中点钳位(Neutral point clamped,NPC)三电平逆变器的容错拓扑及其控制问题,以保证NPC逆变器在发生器件故障时,仍然能够继续工作。在基本的NPC逆变器中增加一个不对称桥臂,并将其中点用双向可控开关连接到每相负载。为消除输出相电压的低次谐波含量,该桥臂采用SPWM控制方法代替传统的方波控制方法。当检测到NPC逆变器某相器件出现故障时,控制双向可控开关将故障相的负载连接到新加入的不对称桥臂中点。与以前文献提出的容错拓扑相比,在获得相同效果的情况下,提出的拓扑具有使用器件及其驱动电路数量少、电路成本低等优势。仿真和实验结果表明,所提出的NPC逆变器容错拓扑能够在容错控制后保持三相平衡工作,同时不降低原电路的输出功率,电路的可靠性得到很大提高。

NPC三电平光伏逆变器开路故障诊断

逆变器故障诊断的难点在于有效的提取故障特征信息,然后根据提取的故障特征信息采用有效的故障辨识方法,提高故障诊断的快速性和精确度。针对二极管钳位式(NPC)三电平逆变器的开路故障,提出小波包变换-主成分分析-径向基神经网络的诊断方法。通过对三电平逆变器输出端相电压进行分析,首先用小波包变换方法提取不同故障情形下逆变器输出端相电压的故障特征信息,其次用主成分分析法将表征故障信息的特征向量降维处理,最后用径向基神经网络方法对NPC三电平逆变器开路故障进行辨识。通过仿真实验验证提出方法的有效性。同时将径向基神经网络故障辨识方法与传统的BP神经网络辨识方法进行比较,对比结果表明径向基神经网络的方法进行故障辨识具有速度快,精确度高等优点,能很好的实现对逆变器故障诊断。

NPC三电平逆变SVPWM算法的研究

文章在介绍中点箝位三电平逆变器空间矢量PWM原理基础上,提出了一种实用的易于数字化实现的三电平逆变器空间矢量PWM算法,该算法很好地继承了目前广泛应用的两电平空间矢量PWM实现的流程。以该算法为基础,通过调整空间矢量切换点的位置,给出了电容中点电压平衡控制方案。通过合理的数字信号处理器引脚分配和寄存器的配置,提出了基于一片数字信号处理器TMS320F2407的三电平SVPWM实现方案。仿真和实验结果证实了所提出的空间矢量PWM算法和实现方法是正确可行的。

三电平NPC变流器虚拟空间矢量调制策略与载波调制策略的内在关系研究

分析了虚拟空间矢量调制(virtual space vector pulse width modulation,VSVPWM)策略的基本原理,推导了三电平VSVPWM策略与单相双调制波三电平正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)策略的内在联系,建立了两者间的调制波等效关系。应用调制波等效关系分析了VSVPWM策略的输出电压总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)、直流电压利用率和关器件损耗。后,提出了基于调制波等效关系的三电平VSVPWM快速实现方案。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

三电平NPC整流器空间矢量脉宽调制及中点电位平衡控制

为了减少开关损耗和避免不同区域矢量在扇区切换中发生突变,提出了一种最优的空间矢量脉宽调制算法,即所有输出矢量的首发矢量全部采用负小矢量。具体给出了参考电压矢量在矢量空间中具体位置的判定、相应的输出电压矢量作用顺序,推导了三角形顶点各开关矢量的作用时间以及脉冲的输出。基于检测到的三相输出电流、中点电流方向和直流侧电容电压,提出了利用冗余电压小矢量精确控制中点电位平衡的策略,并用实验结果验证了中点控制策略和调制算法的正确性。

NPC型三电平逆变器SVPWM控制方法及中点电位平衡研究

二极管箝位型(NPC)三电平逆变器在中、高压大容量功率变换装置中的需求越来越迫切,目前已成为研究的热点。讨论利用功率开关所生成的不同电压矢量优化合成旋转参考空间电压矢量及各矢量作用时间分配的方案,实现SVPWM控制策略驱动逆变器;讨论实时改变控制负小矢量作用时间的系数以平衡直流侧母线中点电位的问题。仿真结果验证了NPC三电平逆变器SVPWM控制策略的正确性及中点电位平衡控制的有效性。

一种三电平NPC变流器SVPWM策略的新型等效算法研究

针对三电平中点钳位变流器传统空间矢量脉宽调制策略实现较复杂的问题,基于三电平空间矢量脉宽调制策略和正弦波脉宽调制策略作用时各开关器件的导通时间关系,提出了一种导通时间等效的三电平中点钳位变流器空间矢量脉宽调制策略等效算法。该算法实现简单,无需进行复杂的坐标转换,大大减小了常规三电平空间矢量脉宽调制策略中由于三角函数和无理数计算带来的计算误差,输出脉冲中的基波分量与理论值更加接近。仿真和实验结果表明本文提出的新型等效算法较传统空间矢量脉宽调制策略查表法具有更高的直流电压利用率和更好的谐波特性。

三电平NPC变流器SVPWM策略与SPWM策略的等效关系研究

调制策略是三电平中点钳位(neutral point clamped,NPC)变流器的关键技术之一。三电平查表法空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略实现复杂,为此,基于三电平正弦波脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)策略与SVPWM策略的基本原理,提出了2种三电平SVPWM策略的快速等效实现方案,即调制波等效方案和导通时间等效方案。调制波等效方案研究三电平SVPWM策略的等效调制波,而导通时间等效方案则通过三电平SPWM策略作用下各开关管导通时间计算三电平SVPWM策略对应各开关管导通时间,研究结果验证了三电平SVPWM策略2种等效方案的理论一致性。仿真和实验表明所提2种三电平SVPWM策略的快速等效方案具有实现简单、计算时间少,结果更精确的特点。

消除偶次谐波的三电平NPC逆变器调制方法

针对传统空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法的矢量选取方案使得二极管箝位型(NPC)三电平逆变器输出电压产生偶次谐波的缺陷,提出了一种能消除偶次谐波的改进型矢量选取方案。该方案在分析传统SVPWM产生偶次谐波机理的基础上,通过改进SVPWM中各矢量的作用顺序,使得逆变器输出电压半波奇对称,从而达到消除偶次谐波、抑制中点电压漂移的目的。同时,为避免进行复杂的三角运算,采用了基于60°坐标系的SVPWM方法以利于实时控制。仿真证明了上述方案的有效性。

具备无功补偿的NPC三电平光伏并网发电系统的准PR控制

为避免传统方法中复杂的坐标变换和解耦控制,同时提高系统利用率,提出了一种基于准PR控制的中点箝位式(NPC)三电平光伏并网发电系统新型控制策略。该发电系统在白天可同时进行有功功率输出和无功功率补偿,在夜晚仍能实现对负载的无功补偿。准PR控制器的引入实现了在静止坐标系下对交流信号的无静差跟踪,不仅简化了控制算法,而且增强了系统的鲁棒性。同时基于准PR控制原理设计了分次谐波补偿器,大大减小了并网电流的谐波含量。此外,通过反馈上下电容的电压差实现了中点电位平衡控制。仿真结果证明了所提控制策略的可行性和优越性。

NPC三电平中IGBT焊料层多物理场耦合失效分析

针对传统的多物理耦合分析建模方式需要试验来提取参数,同时电物理参数的提取难度大,静态功耗的计算正确性难以保证、耗费了人力物力等问题,提出一种利用IGBT动态模型来分析焊料层多物理场耦合失效的方法。首先对IGBT模块进行动态仿真,使用Simplorer软件计算NPC三电平逆变器的动态功耗;然后使用动态功耗在ANSYS软件中进行三维有限元建模;最后利用三维有限元模型求解出电-热-力多物理耦合失效分析的解。分析功耗仿真结果可知,逆变器内侧IGBT的功耗要比外侧IGBT高,有限元分析结果验证了动态模型可以准确仿真三电平逆变器功耗不均衡问题。分析三维有限元耦合仿真结果可知,与传统IGBT电-热耦合仿真相比,结温仿真模型误差减小了10%。电-热-力多物理场耦合模型可以更好的显示IGBT焊料层存在缺陷时的多场应力状态。研究结果表明,该方法操作简单,动态功耗求解结果和多物理耦合应力分析结果准确度较高。

基于三电平NPC技术的SVG控制方法及其系统实现

针对煤矿井下非线性负荷产生的无功以及电压波动等电能质量问题,搭建了矿用防爆型1 140 V、400 k Var三电平NPC技术的静止无功发生器（SVG）,并提出适用于系统无功补偿控制的三电平空间电压矢量调制算法.基于两电平空间矢量调制原理,将三电平的参考电压矢量扇区判断和基本电压矢量作用时间简化到两电平范畴,从而推导出三电平SVG的SVPWM调制算法及中点电压平衡的控制策略.研制出基于DSP与FPGA结构的三电平SVG数字控制系统.在所搭建的系统上进行了模拟试验.试验结果表明：所研制的系统具有良好的容性和感性无功控制特性,动态响应5-10 ms,满足工业现场实际要求.

基于d-q轴解耦和中点电位控制的高性能三电平NPC整流器控制方法

首先建立了基于开关函数的三电平中点钳位(NPC)电压型整流器的数学模型,分析了它的工作原理。提出了一种基于d-q轴解耦和中点电位控制的高性能三电平中点钳位PWM整流器控制方法。该方法具有电流控制精度高,能够实现有功电流和无功电流的无差调节的优点,并且通过设计中点电位控制器,能够有效抑制由外部扰动和调制方法造成的中点电位的直流和低频脉动。通过系统的仿真和实验,验证了该数学模型的正确性,以及该控制方法的优异性能。

基于双调制波的三电平NPC变流器载波调制策略

三电平NPC变流器的调制策略中,双调制波载波调制策略(double modulation wave carrier-based PWM,DMWPWM)是一种可以实现全调制度和全功率因数中点电压无波动的调制策略。首先分析了已有DMWPWM策略的基本原理,推导了DMWPWM策略调制波与传统SPWM策略调制波的关系,在此基础上提出了应用于三电平NPC变流器的DMWPWM策略。然后,从输出相电压总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)特性、直流电压利用率以及器件开关损耗三方面对新型DMWPWM策略与传统正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)策略进行对比,进一步阐明了所提方法特点。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

三电平NPC整流器控制及中点电位平衡控制技术

通过分析三电平中点箝位式整流器工作原理,建立了基于开关函数的三电平整流器的数学模型,提出了一种基于dq轴解耦的控制策略,对解耦后的电流以及电压进行双闭环控制系统设计,实现了有功电流和无功电流的无差调节以及直流侧电压的稳定。在简化三电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法的基础上,提出了一种根据三相输入电流和中点电位的波动,优化小矢量作用时间的组合控制策略,减小中点电位波动。最后通过实际系统实验,验证了整流器控制策略的正确性以及中点电位控制策略的优异性。