Evaluation Method of Output Waveform Quality for Neutral⁃Point⁃ Clamped Three⁃Level Converter

An analytical evaluation method for output waveform quality of space vector pulse width modulation(PWM)strategies applied in neutral⁃point⁃clamped three⁃level converter(3L⁃NPC)is proposed in this paper.Low frequency error caused by neutral point voltage ripple and high frequency error introduced by space vector synthesis were both taken into account,and the unified error model of output current ripple was established.By taking continuous and discontinuous modulation strategies as examples,the unified error model was validated through Fourier analysis of the experimental results.The proposed evaluation method will be helpful for the switching sequence optimization and the modulation strategy selection.

A novel SVPWM strategy considering neutral-point potential balancing for three-level NPC inverter

This paper proposes a novel SVPWM （space vector pulse width modulation） strategy for the three-level neutral-point-clamped voltage source inverter, based on the particular disposition of all the redundant voltage vectors. The new modulation approach shows superior performance for harmonic voltage and balancing control of neutral-point potential compared to the popular eight-stage centered SVPWM. It realizes suppression of inverter neutral-point potential variation by accurately modifying redundant factor of small vectors pairs, only requiring information of DC-link capacitor voltages and three-phase load currents. This is convenient to apply and is compatible of digital computer realization. Feasibility of the proposed control approach is verified by simulation and experimental results.

SiC 3L-ANPC电路开关瞬态过程机理与解析建模方法研究

碳化硅三电平有源中点箝位(silicon carbide three level active neutral point clamped,SiC 3L-ANPC)变换器在中压大容量应用中具有突出优势,但与传统两电平变换器相比,其杂散参数相对较多,高速开关瞬态中较高的du/dt、di/dt与多杂散参数的综合作用,易引发严重的器件电压、电流过冲和振荡,增加开关损耗,制约器件功率处理能力。准确定量评估开关瞬态行为,对变换器的精细设计、运行调控、安全保护、EMI抑制、寿命预测等都至关重要。为此,该文在厘清SiC 3L-ANPC变换器瞬态换流机理的基础上,提出一种SiC 3L-ANPC电路开关瞬态解析建模方法,所建模型仅需计算数个特定时刻的电路状态就能准确预测SiC 3L-ANPC变换器的开关瞬态行为,大大减小了计算时间与计算量,且每个特定时刻均具有明确的物理意义,具有普适性。实验结果证明了提出的建模方法的有效性,瞬态过冲最大计算误差小于6%,且计算速度比电路建模仿真方法提高上百倍。基于该文研究成果,为SiC 3L-ANPC逆变器的过电压抑制提供了电路参数设计指导意见。

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。

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。

三电平NPC变换器电流纹波与EMI优化调制策略

针对三电平中点钳位型NPC(neutral point clamped)变换器开关频率提高导致变换器电流纹波与电磁干扰噪声增大的问题,提出1种基于电流纹波预测的变开关频率调制策略,以降低三电平NPC变换器电流纹波、谐波噪声及电磁干扰噪声。根据电流纹波的要求计算出开关周期与采样周期并合成最新的开关周期,形成反馈,从而实现变频调制。使随机周期分布在期望周期的周围,从而使变换器的谐波噪声和电磁噪声更加均匀地分布在较宽的频段上,以达到减少变换器电磁噪声的目的,并改善输出电感上的电流纹波。相关仿真及实验结果表明,相较于传统的调制策略,所提调制策略共模噪声降低了约20 dB/μV,差模噪声降低了约10 dB/μV,其输出电感电流纹波幅值也有相应的减少。

Low-complexity model predictive control of a four-level active neutral point clamped inverter without weighting factors

The four-level active neutral point clamped(ANPC)inverter has become increasingly widely used in the renewable energy indus-try since it offers one more voltage level without increasing the total number of active switches compared to the three-level ANPC inverter.The model predictive current control(MPCC)is a promising control method for multi-level inverters.However,the conven-tional MPCC suffers from high computational complexity and tedious weighting factor tuning in multi-level inverter applications.A low-complexity MPCC without weighting factors for a four-level ANPC inverter is proposed in this paper.The computational burden and voltage vector candidate set are reduced according to the relationship between voltage vector and neutral point voltage balance.The proposed MPCC shows excellent steady-state and dynamics performances while ensuring the neutral point voltage balancing.The efficacy of the proposed MPCC is verified by simulation and experimental results.

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。

NPC三电平虚拟同步机桥臂故障容错模型预测控制

虚拟同步机VSG(virtual synchronous generator)通过模拟同步机特性为新能源并网提供惯性和阻尼。然而,电力电子开关器件高频开关过程中可能会发生断路故障,导致输出电流波形严重畸变,影响电网安全稳定运行。针对中点箝位型NPC(neutral point clamped)三电平VSG桥臂故障问题,提出一种中点电压均衡的VSG容错模型预测控制策略。分析NPC三电平VSG单相桥臂故障后运行机理,在开关器件故障后利用直流侧电容组成虚拟桥臂,重构为VSG桥臂故障容错结构。建立故障情况下预测电流模型,重构故障状态空间电压矢量,将直流侧中点电容电压引入容错模型代价函数,减小电容电压波动,实现VSG桥臂故障容错运行。实验结果表明,在开关器件发生故障后,NPC三电平VSG能容错连续运行,验证了所提模型预测容错控制策略的有效性,提高了VSG运行可靠性。

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。

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。

NPC型直挂储能变流器桥臂断路故障下低电压穿越的容错控制

NPC型直挂储能变流器长期运行可能发生桥臂断路故障造成设备停运以及影响低电压故障穿越,基于故障相与直流母线中点直连构成虚拟桥臂重构容错故障拓扑,提出了基于模型预测控制的桥臂容错低电压穿越控制策略。考虑重构后的容错拓扑结构降低了直流侧电压的利用率,研究分析了该容错结构进行低压穿越的最大输出电流整定方法。由于低电压穿越过程中电压跌落后的容错拓扑输出特性发生改变,对储能直挂容错结构的输出电流、电压进行模型预测矢量分析,推导出电压跌落与最大输出电流的关系式。在重构的空间电压矢量内选择能够支撑低电压穿越的矢量状态,控制储能变流器按照低电压穿越技术规范进行有功无功功率分配,支撑电网电压。仿真结果验证了所提出的控制策略保证容错拓扑结构可以在桥臂故障期间运行的有效性以及低电压穿越过程中提供无功功率支撑的可靠性。

基于快速MPC的三相LCL并网NPC逆变器

针对三相LCL并网逆三电平中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)逆变器中有限集模型预测控制(Finite Control Set-Model Predictive Control,FCS-MPC)计算量大和控制速度慢导致NPC逆变器性能变差的问题,设计了一种快速模型预测控制方法。通过改变快速模型预测控制中参考电流电角度控制逆变器输出电流的相位,实现入网电流与电网同步;通过在冗余短矢量中选择合适的短矢量,实现直流侧中点电压平衡,减少计算量;通过缩小计算扇区,使快速模型预测控制仅在当前最优输出电压矢量附近进行寻优计算,进一步减少计算量。在MATLAB/SIMULINK中搭建了三相LCL并网NPC逆变器仿真模型,仿真结果验证了上述控制方法的快速性和可行性,运算速度提高了18.31%,入网电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)值减少了2.38%。

基于零序电压注入的三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法

针对三电平中点箝位(NPC)逆变器的中点电位平衡控制问题,该文建立了基于零序电压注入的中点电位平衡控制模型,提出了所需注入零序电压的准确解析计算方法,并在此基础上提出了“预估-校验-修正”的实时控制算法。根据解析汁算结果,分析了中点电位平衡控制所受的限制,及由此决定的中点电位完全可控区域。针对6kV/1800kVA三电平调速系统的仿真结果表明所提算法是正确且有效的。

基于虚拟空间矢量的三电平NPC逆变器中点电压平衡控制方法

针对三电平中点钳位逆变器在不同的负载条件下,传统的最近三矢量合成方法中点电压存在不能平衡的区域,利用基于虚拟空间矢量的调制方法,当输出三相电流之和为零时,能实现对中点电压的完全控制。为了在扇区切换时输出矢量平稳过渡,提出了在每个大区内全部采用相同首发正小矢量或负小矢量的方法。构建了三电平中点钳位型逆变器实验平台,对基于虚拟空间矢量的三电平NPC逆变器中点电压平衡控制方法的有效性进行了验证。

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逆变器SHE-PWM开关角度的计算方法研究

以应用于高压变频调速装置中的三电平中点嵌位(Neutral Point Clamped)逆变器为研究对象,对特定消谐技术(Selected Harmonic Elimination PWM)的应用进行了分析与研究;针对用数值方法求解SHE-PWM开关角度时非线性方程组计算初值选择困难的情况,给出了采用解轨迹微分预估初值的计算方法,并总结了调制比m 0时的开关角度解初值公式;实际计算结果表明:该文提出的方法在数值计算中可以得到快速收敛和准确的结果,并通过计算结果分析了SHE-PWM技术应用于NPC逆变器时所能达到的最大调制比,且其计算结果得到实验验证。

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。

三电平ANPC变换器SVPWM优化控制方法

有源中点钳位型拓扑是一种能够克服传统的二极管钳位型和电容钳位型拓扑缺点的新型多电平拓扑。在对三电平有源中点钳位型变换器工作状态进行分析的基础上,对各开关管通态损耗和开关损耗进行了研究;提出一种空间矢量的优化控制算法,该算法在维持了空间矢量调制方法的直流电压利用率高及有效控制中点电压平衡等优点的同时,有效控制了每相开关管的损耗分布平衡,防止了热量的过分堆积,并且降低了传统有源中点钳位变换器算法复杂度,减少对温度采样电路数量的要求;最后搭建了三电平有源中点钳位型变换器仿真和实验平台对控制策略的有效性进行了验证。

基于IGCT的大功率NPC逆变器设计仿真与分析

新的门极换流晶闸管IGCT(IntegratedGateCommutatedThyristor)器件,优化的系统设计以及三电平拓扑的应用使大功率逆变器得到巨大的发展。详细描述了1个5MV·A基于IGCT的中点箝拉式NPC(NeutralPointClamped)逆变器的设计、仿真和分析。该逆变器直流母线电压为5kV,使用的IGCT是4.5kV/4.0kA,无关断吸收电路。成本、可靠性和开关特性是此逆变器设计的主要准则。该逆变器在软件包PSIM下仿真,其中IGCT模型是在PSIM下实现的功能型模型,控制算法采用的是空间矢量脉宽调制SVPWM(SpaceVectorPulse鄄WidthModulation)算法。仿真结果中既有逆变器的系统性能,也有单个IGCT的暂态过程。通过仿真结果,详细分析了该逆变器主电路在SVPWM算法控制下的换流过程,重点分析了1个桥臂中各杂散电感位置和定义以及它们对换流过程的影响。最后给出优化的设计规则和方案。