A Pulse Width Modulation Scheme With Zero-sequence Voltage Injection for Single Phase Three-level NPC Rectifiers

直流侧中点电位电压偏移是多电平中性点钳位型变流器的主要缺点。以单相三电平NPC整流器为研究对象，以实现直流侧中点电位无漂移为控制目标，以传统的单相三电平单极性载波脉宽调制方法为基础，首先提出一种基于零序电压分量注入的载波脉宽调制算法；然后在此基础上给出基于零序电压分量极限值注入的载波脉宽调制算法；并给出这2种方法的零序电压分量的设计方案；最后，对这2种方法进行了详细的理论分析、计算机仿真和1kW样机实验对比验证。研究结果表明：所提出的2种算法都能有效实现直流侧中点电位平衡控制，其中基于零序电压分量极限值注入的载波调制算法的中点电位控制具有更快动态响应速度，且其网侧电流的高次谐波主要分布在开关频率附近；而基于零序电压分量注入的载波调制算法的网侧电流高次谐波主要分布在2倍开关频率附近。但是在一个调制信号周期内，基于零序电压分量极限值注入的载波调制算法的开关切换次数比基于零序电压分量注入的载波调制算法低25％左右。

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.

Improved VSVPWM Modulation Method for Three-level NPC Inverter in Rural Power Grid

With the acceleration of agricultural electrification,a lot of nonlinear and shock loads appear in the rural power grid,and the resulting harmonic and reactive currents pollute the rural power grid more and more seriously.To solve the above problem,three-level neutral point clamped(NPC)inverters have been widely used,but their development is greatly restricted by the defect of neutral point voltage imbalance.In this paper,an improved virtual space vector pulse width modulation(VSVPWM)was proposed.Firstly,the mathematical models of various space vectors were established,and the influence of various space vectors on neutral point voltage was analyzed.The sum of the vector current at the neutral point was zero and the voltage control at the neutral point was completed by.introducing the time offset into different switching times of the redundant small vector.This method was simple in design and avoided the redundant calculation of the traditional VSVPWM method and tedious switch sequence design.This balancing control strategy could greatly reduce the influence of virtual vectors on neutral point voltage and effectively control the low-frequency oscillation of neutral point voltage.The validity of the method was verified by establishing a matlab simulation model.

一种新型三电平变换器中点电压平衡调制策略

在大功率轨道交通装备领域中,三电平变换器因具有众多优点,在实际中得到广泛应用,但是也存在中点电压不平衡这一固有问题。为解决三电平中点箝位(NPC)型变换器存在的中点电压不平衡问题,减少输出相电流畸变情况,提高系统运行稳定性,文章提出了一种基于分析中点电荷量的双自由度新型中点电压平衡调制策略。该调制策略首先从数学分析的角度介绍了三电平变换器直流侧中点电压不平衡问题的原因;之后分析了在空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术中,电压矢量输出序列对中点电压的影响;最后基于上述分析结果,改进传统的电压矢量输出序列,并基于改进序列的特点提出了一种新的双自由度中点电压平衡调制策略,通过双自由度的平衡因子调节作用时间。理论上,所提出的新型调制策略具有更多可控电荷量,相较于传统方法具有更良好的控制效果;仿真和试验结果验证了所提的新型调制策略对中点电压的控制效果具有更好的快速性和稳定性。综上所述,文章所提的新型双自由度调制策略可更有效解决三电平变换器存在的中点电压不平衡问题。

T型三电平逆变器中点电位平衡电路及控制

直流母线电压中点电位不平衡是T型三电平逆变器的拓扑结构造成的固有问题。这里从T型三电平逆变器的拓扑结构出发,分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)中大、中和小矢量对中点电位不平衡的影响,针对中点电位不平衡,在电源侧并联一个半桥模块且中点与母线中点串联电感的平衡电路,然后对平衡电路被控对象进行建模与分析,推导出中点电压平衡控制框图,通过对上、下电容进行充放电控制,控制中点电位达到平衡,最后,搭建了T型三电平逆变器实验平台,进行了仿真和实验验证,实验结果验证了所提平衡电路和控制的有效性和可行性。

基于SHEPWM的三电平三相逆变器中点电位主动平衡控制策略

在大功率系统中,常采用特定次谐波消除脉宽调制(SHEPWM)以降低系统的开关损耗。针对三电平中点钳位(NPC)型三相逆变器在SHEPWM下的中点电位偏移问题,分析SHEPWM下逆变器输出相电压基波与3次谐波在不同电压相位范围内对中点电位的影响,设计两种在基波周期内对中点电位总充放电效果相反的开关角组合方案,并提出一种通过测量中点电位偏移值及中点电位滞环控制,选择不同的开关角组合方案进行调制的中点电位主动平衡控制策略。实验结果验证了所提出方法的实用性及有效性。

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。

基于钳位方式切换的Vienna整流器载波断续脉冲宽度调制策略

当Vienna整流器工作在直流电压不平衡条件下时,传统载波断续脉宽调制(carried-based discontinuous pulse-width modulation,CB-DPWM)会增加输入电流谐波和中点电压波动。为解决上述问题,提出一种基于钳位方式切换的CB-DPWM策略。为了减小输入电流谐波,根据变化的电压矢量对子区域和零序分量进行重新划分和计算。据此,建立统一的CB-DPWM调制波,分析可运行区域,得到直流电压不平衡度和可运行区域成反比的结论。结合中点电流分析不同钳位方式对中点电压大小的影响,并根据直流电压不平衡度的大小实时切换钳位方式,从而有效地减小中点电压波动。通过钳位区域判断和优化开关序列,减少切换钳位方式引入的开关动作,提高了Vienna整流器效率。最后,在Vienna整流器实验平台上验证所提策略的有效性。

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。

兼顾共模电压抑制与中性点电压平衡的T型三电平逆变器DPWM策略

为提升T型三电平逆变器的可靠性与效率,提出1种可抑制共模电压的非连续脉宽调制RCVDPWM(reduced-common-mode-voltage pulse width modulation)策略,同时能够降低开关损耗。根据T型三电平拓扑开关序列对共模电压作用机理,总结出5种实现共模电压抑制的非连续脉宽调制DPWM(discontinuous pulse width modulation)钳位方式。分析表明,在任意调制度和相角下,至少存在1种实现共模电压抑制的钳位方式。对于部分相角区间存在的多种钳位方式,优先选取电流绝对值最大相的开关管进行钳位,以降低开关损耗。同时,所提RCVDPWM策略可保证中性点电压直流分量为0,具有中性点自平衡能力。实验结果验证了RCVDPWM策略的可行性与有效性。

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。

直流偏置型游标磁阻电机系统低开关频率交替箝位PWM策略

提出一种具有零序电流调节能力的直流偏置型游标磁阻电机(DC-biased vernier reluctance machine,DC-biased-VRM)系统低开关频率交替箝位脉宽调制(pulse width modulation,PWM)策略。DC-biased-VRM利用电枢绕组中附加的直流偏置电流来构建转子磁链,为调节直流偏置电流,采用开绕组逆变器提供零序电流通路。相比于传统三相逆变器,开关动作的次数增加了1倍,在调整直流偏置电流、降低开关损耗方面存在一定优化空间。针对以上改进需求,引入交替箝位控制方式,并提出重新配置的零电压矢量实现零序电压的实时调节,保证零序电流的调节能力。最后,通过样机实验验证提出策略的有效性。提出策略可以减少开关动作次数,保证逆变器的低开关损耗,为提高DC-biased-VRM驱动系统效率提供有效的解决方案。

中点钳位型三电平逆变器基于调制波分解的调制策略

对于中点钳位型三电平逆变器(NPC TLI),一般通过单调制波与双载波相比较的方式产生脉冲序列,即基于载波的脉宽调制(CBPWM)。然而,该方法在高调制度低功率因数条件下中点电位(NPV)会出现三倍频波动。针对此问题,该文介绍一种简便的调制波分解方法,并以无条件实现NPV平衡的虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)为例说明该方法的可行性。在此基础上,提出一种可同时实现NPV平衡和开关损耗降低的调制策略。该调制策略具有四种模式,因此,将其命名为FM_VSVPWM。此外,对比了FM_VSVPWM与CBPWM、VSVPWM的调制性能。最后,通过实验验证了FM_VSVPWM的有效性和优越性。

基于调制波分解的中点钳位型三电平逆变器的混合调制策略

对于中点钳位型三电平逆变器,传统的载波脉宽调制在高调制度低功率因数下中点电压会发生三倍频波动,而虚拟空间矢量调制虽然能实现中点电压无条件平衡,却存在开关损耗高的问题。针对上述问题,基于调制波分解的多约束目标的协调,提出一种适用于中点钳位型三电平逆变器的混合调制策略。该调制策略采用双调制波单载波比较的方式实现,分析开关次数和中点电压无条件平衡的两类约束,为了在确保中点电压平衡的条件下降低开关损耗,提出上述两类约束的混合调制策略。在此基础上,探讨两种约束下的中点电压主动控制方法。另外,还对比了混合调制策略与其他调制策略的性能指标。混合调制策略可以在全调制度全功率因数下实现中点电压平衡,且相比虚拟空间矢量调制开关损耗有所降低,实验结果证明了其可行性和优越性。

开关电容有源箝位型多电平逆变器的多电压区间调制方法及电容电压控制策略

针对一种开关电容有源箝位型(switched-capacitor active-neutral-point-clamped,SC-ANPC)多电平逆变器的冗余开关状态数量不足,造成电容电压平衡困难的问题,提出一种适用于该拓扑结构的多电压区间调制方法及电容电压控制方法,解决了现有调制方法计算复杂及开关频率受限的问题。首先分析了逆变器的工作原理,根据逆变器开关状态,提出了三电平区间开关状态组合模型,并设计了满足开关电容电压静态平衡约束条件的多电压区间载波移相调制方法。由于满足静态平衡条件,开关电容电压体积和纹波得到了减少,并且开关管的载波之间只有简单的移相关系,工程实现简单。在此基础上,扩展到三相系统,建立了电容电压的纹波模型,提出了相应的电容电压控制方法,通过调节占空比实现开关电容电压控制,注入零序电压实现母线电容电压控制。通过仿真和实验验证所提调制方法、控制方法的可行性。

中点钳位型三电平逆变器并联系统的零序环流抑制策略

针对中点钳位型(NPC)三电平逆变器并联系统内普遍存在的零序环流问题,该文首先分析模块间环流的通路,建立零序环流的电路和数学模型。根据等效模型阐述零序环流各成分的产生机制,并对零序环流进行定量分析。定义零序环流的三类具体成分:通态零序环流、开关零序环流及混合零序环流。对于不同类别的零序环流,提出共享直流侧中线和改进型LCL滤波器的硬件措施及准比例积分谐振(PIR)控制器的软件措施去抑制对应环流成分的高频、低频分量;另外,针对改进型LCL滤波器中交流滤波电容中点和直流侧电容中点连接电缆上有较大高频电流的缺陷,提出载波移相控制下模块共用滤波电容的优化方案,在保证环流抑制效果的同时将奇数次开关频率的高频纹波转移到共用电容上,实现奇数纹波分量的自动抵消,使连接电缆上的电流减小近50%;最后,仿真与实验结果验证了所提环流抑制策略的可行性。

基于有源中点钳位五电平电路的双有源桥DC/DC变换器

采用多电平电路构建的双有源桥(dual active bridge,DAB)DC/DC变换器可适用于更高的电压等级并能显著地提高功率密度及性能。基于九开关管五电平有源中点钳位(five-level active neutral point clamed,5L ANPC)电路构建DAB变换器,消除传统的八开关管5L ANPC电路所存在的电平跳变问题。通过分析开关状态之间的切换过程,选取的零开关状态实现所有高压开关管的软开关运行;通过分析不同开关序列对飞跨电容电压和直流侧中点电压的影响,提出一种飞跨电容电压的平衡控制方法。基于1kW样机的实验结果表明,该文构建的5L ANPC DAB变换器获得了优良的性能。

一种基于ghγ坐标系的三电平四桥臂逆变器简化空间矢量脉宽调制方法

针对中点钳位型三电平四桥臂逆变器拓扑,该文提出一种基于ghγ坐标系的简化三维空间矢量脉宽调制方法。该方法以各冗余小矢量为中心点,将原矢量空间降阶分解为若干个两电平四桥臂矢量空间,仅需要简单的坐标变换和计算就能得到开关器件的占空比,还能自动获取冗余矢量和相邻电压矢量并优化组成开关序列,克服了传统三电平空间矢量调制方法存在过多的四面体选择、占空比计算过程存在较多的三角函数运算和需人工查找冗余矢量并存储大量开关序列的缺点。同时,针对中点电位平衡的问题,提出一种通过调节冗余矢量占空比以精确补偿电容电荷量的计算方法。所提简化调制方法能拓展应用于多电平四桥臂逆变器中。最后,通过仿真和实验结果验证了该文所提方法的正确性和有效性。

无人机倾斜摄影在滑坡区域监测中的应用研究

为了提高滑坡区域监测能力,采用无人机倾斜摄影技术实现滑坡区域监测,同时采用特征点提取和匹配特征点的方法对滑坡监测区域数据信息特征进行监测。通过影像分析和变换,以提取所需特征的方法,提高数据信息应用和监测能力。将不同的硬件结构划分为电源模块和处理器、模拟/数字(A/D)转换模块、脉冲宽度调制(PWM)驱动模块、电平转换模块。通过这四个模块的配合,能够实现远程摄影相关工作。试验结果表明,该研究所运用的方法监测误差更小,最低达到4%以下。试验结果验证了方法的稳定性。

五电平有源钳位型变换器SVPWM死区效应分析与补偿方法研究

针对五电平有源钳位型变换器SVPWM调制的死区时间会导致跨电平跳变电压尖峰,产生过高的dv/dt影响系统稳定性的问题,提出一种不影响SVPWM调制效果的死区跨电平跳变补偿方法。首先对死区寄生模态导致电压误差的产生原理进行分析,列举了所有跳变过程中寄生电流的导通路径,采用在特定参考电压限定开关模态、筛选开关序列和脉冲调整等方法,重新规划电流导通过程,分类消除了跨电平跳变现象。最后搭建了实验样机,通过仿真和实验的手段对补偿方法进行了验证,对相同条件下的实验结果进行快速傅里叶对比分析,证明提出的死区补偿方法对输出电压谐波含量只产生了0.51%的微弱影响,且能有效消除跨电平跳变电压尖峰,表明该方法能维持五电平SVPWM良好的调制效果的同时,消除跨电平跳变隐患。