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。

中点钳位型中压三电平风电变流器的损耗分析

中点钳位(NPC)型中压三电平变流器在兆瓦级风电机组中具有广阔的应用前景。由于变流器容量及电压等级较高,功率器件的损耗是一个不容忽视的问题。文中详细分析了各个功率器件的开关动作与实际电流通路,在此基础上推导了其损耗的实用计算公式,指出了损耗在机侧变流器和网侧变流器之间的不同分布,为变流器的散热设计提供参考,并结合风力发电的特点,研究了功率波动对变流器效率的影响,得出了变流器的效率与功率成正相关的结论。最后,通过MATLAB/Simulink与GH Bladed的联合仿真系统,对分析结果进行了验证。

三相七电平H桥换相有源钳位变流器

可用于中压系统的少元件型多电平变流器具有广阔的应用前景,通过将半桥单元嵌入传统的三相H桥三电平变流器的直流母线,演绎了一种新颖的三相七电平变流器拓扑,该少元件型有源中点钳位多电平拓扑利用H桥的开关网络实现换相和电平倍增,获得了对称结构,规避了中点电压偏移问题,并拥有足够的冗余模态,便于实现直流母线电容的均压控制。详细分析了其工作原理,深入揭示了该拓扑的结构特点,设计了两层复合均压控制策略,并给出了一种新型的基于目标波—状态矢量函数的多电平脉宽调制(PWM)算法,用于新拓扑的驱动脉冲的生成。最后,建立了3.3kV/5 MW并网变流器MATLAB/Simulink仿真模型,仿真结果验证了工作原理、调制算法、均压控制策略的正确性。

三电平变流器的压频转换式中点钳位控制方法研究

中点钳位式三电平变流器(NPC)的直流侧电压平衡问题直接影响着变流器的工作可靠性。本文分析了造成其直流侧电压失衡的原因并提出了一种压频转换式中点钳位控制方法,给出了利用87C196MC单片机实现的具体控制和编程思路,通过仿真和实验结果证明了该控制方法的正确性与可行性。

基于七电平有源中点钳位型双PWM变流器的同步电机矢量控制系统

有源中点钳位型(ANPC)多电平变流器是一种新型的变流器。该文首先介绍七电平有源中点钳位型(ANPC-7L)双PWM变流器同步电机矢量控制系统的结构及变流器控制问题;然后研究系统的预充电问题,提出一种分段同步的预充电控制策略;并对ANPC-7L变流器在不平衡电网下的PWM整流控制策略及同步电机矢量控制策略进行研究。在一台380 V/5 kW的ANPC-7L双PWM变流器样机上取得的实验结果表明该文所提算法是有效的。

七电平有源中点钳位型变流器故障状态运行策略

首先对七电平有源中点钳位型(ANPC-7L)变流器由开关器件短路和断路引起的单相和多相故障进行了分析,找出变流器可继续运行的所有单相和多相故障状态,接着针对各种故障状态提出一种统一调制策略,并对变流器在各种故障状态下的中点电压平衡控制问题进行讨论,最后在一台380V/5kW的ANPC-7L变流器样机上对所提故障状态运行策略进行实验验证。

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。

三电平有源中点钳位逆变器损耗分布平衡控制策略

有源中点钳位型拓扑通过增加新的零状态电流通路,可以对各开关管上的损耗分布进行平衡。以三电平有源中点钳位逆变器为研究对象,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,采用空间矢量脉宽调制方法,对8种换流模式及其损耗分布进行了系统的研究;针对负载功率因数的不同特点,提出了两种损耗分布平衡优化控制策略,在不同的负载条件下有效地实现了器件损耗的平衡分布。最后搭建了三电平有源中点钳位逆变器实验平台进行验证,实验结果验证了所提出控制策略的有效性。

三电平辅助变流器寿命优化控制

辅助变流系统是动车组车辆上关键的电气组成部分,主要为空调机组、风机、照明等交流负载提供稳定的三相电源。结温是影响动车组三电平辅助变流器IGBT(Insulated-gate Bipolar Transistor)模块寿命的主要因素。为了提高动车组三电平中点钳位(Neutral-Point Clamped,NPC)型辅助变流器寿命,提出一种降低结温的模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)策略。首先,考虑传统MPCC在每个采样周期需要代入27个电压矢量循环计算,计算量较大,因此将三电平基本电压矢量划分在间隔60°的6个扇区中,通过计算电压矢量在两相静止坐标下的相角,进而判断参考电压矢量所处扇区,将备选矢量数目从27缩减至10,减少了计算量;其次,传统MPCC直接应用于动车组辅助变流器会使IGBT模块的结温较高,老化速度加快,对变流器安全稳定运行产生不可预测的损害,本文对IGBT模块的开关损耗和导通损耗进行近似等效,得到了和集射极电压、集电极电流相关的功率损耗因子。通过预测每相电流的方向,进而预测IGBT模块的开关和导通情况,动态加入功率损耗因子,并在代价函数中约束每相IGBT及其续流二极管(Free Wheeling Diode,FWD)的功率损耗,使得最优电压矢量在降低功率损耗的同时保证一定的控制性能。通过仿真与实验验证,本文所提方法相比传统MPCC策略降低了功率器件的结温,提高了变流器寿命。

三电平变流器中点电位平衡及低开关损耗SVPWM策略

分析二极管钳位型三电平变流器主电路原理。在此基础上,结合大功率变流器自身控制的要求与特点,基于不连续空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法,提出一种能够同时降低开关损耗和控制中点电位平衡的混合调制策略。该策略包含通过检测变流器交流侧三相瞬时电流的方向以及直流侧两个电容的电压差值来切换矢量序列方式,实现中点电位平衡控制和选择电流最大相或较大相不动作来降低开关损耗两个部分,这两个部分之间采用滞环控制方式进行切换。最后,通过仿真和实验验证了所提混合调制策略不仅能够实现中点电位平衡控制,而且还能有效地减小开关损耗,实现算法简单,在工程实践上具有一定的实用性。

基于切换调制波的三电平有源中点钳位逆变器优化容错技术研究

传统基于空间矢量脉宽调制的容错技术可在不增加硬件设备的情况下实现三电平有源中点钳位(ANPC)逆变器的容错运行,但存在两电平跳变、中点电压不平衡和输出电流畸变的缺陷。为解决以上缺陷,该文首先分析了三电平ANPC逆变器在开路故障时的有效开关状态,然后推导了控制三相只输出负、零电平和正、零电平的调制波;然后在此基础上,依据故障相电流方向切换使用调制波并利用有效开关状态输出三相电平,提出基于切换调制波的优化容错技术(OFTBSM)及其中点电压平衡控制策略;最后,分析OFTBSM的容错性能、中点电压波动和谐波性能。仿真和实验结果证明,OFTBSM可使三电平ANPC逆变器在单相最多四个器件同时开路时保持平稳运行,并可防止两电平跳变、降低电流谐波、控制中点电压平衡。此外,OFTBSM还具备鲁棒性强、计算简单、实现方便的优点。

有源中点钳位型三电平逆变器开关器件损耗均衡调制方法

三电平有源中点钳位型(Three-Level Active Neutral-Point-Clamped,3L-ANPC)逆变器可以克服传统三电平逆变器内外层开关器件损耗不均衡的问题,但是其实现损耗均衡的控制方法,一般要求在线计算开关器件温度进行直接控制,或者实时采集开关器件温度进行反馈控制,实现过程比较复杂。为在实现损耗均衡的前提下,同时降低控制器的复杂程度,本文提出一种按照工频周期轮换选择零电平开关状态的开关器件损耗均衡调制策略,分析了采用该方法时开关器件的换流过程以及损耗特性。在单相全桥3L-ANPC逆变器上的仿真结果表明,本文提出的方法简单易实现,可以有效减小开关器件的损耗不均衡程度。

适用于二极管钳位型三电平有源滤波器的母线电压数字控制方法

传统两电平有源电力滤波器(active power filter,APF)由干功率开关耐压水平和载流能力的限制,难以实现对高压大容量非线性负载的谐波补偿。在高压大容量系统中,二极管钳位型三电平变换器得到了广泛的应用。对三电平APF进行研究,提出一种母线电压闭环数字控制策略。在同步旋转dq坐标系下,将三电平APF母线电压控制系统分为电压外环和电流内环2部分。在电压外环中,采用自适应滤波器求出直流侧电压平均值,采用PI控制器产生有功指令电流维持直流侧电压恒定。在电流内环中,针对三电平APF直流侧中点电位不平衡问题,从空间矢量PWM调制方法的角度出发,对中点平衡问题进行仔细研究,提出一种简单的中点电压平衡控制策略,只需检测各相电流和中点电压波动的方向,对小矢量进行取舍实现APF中点电位平衡控制。实验结果表明了所提出算法的正确性和有效性。

有源钳位三电平变频器改进SVPWM策略

中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件损耗不平衡问题,部分器件发热严重,限制了变频器容量和开关频率的提升,有源中点钳位(ANPC)三电平变频器通过不同的零电压输出状态可以平衡功率器件的损耗。通过选取不同的冗余零状态,提出一种适用于ANPC三电平变频器、可以平衡功率器件损耗的改进空间矢量调制(SVPWM)算法。对所提SVPWM算法和传统正弦矢量脉宽调制(SPWM)算法进行仿真对比,分析功率器件损耗分布情况,结果表明所提方法可以平衡功率器件的损耗,提高变频器的容量和开关频率。另外,和SPWM算法相比,采用SVPWM算法输出电压可以提高15%,电流谐波畸变率会有所降低,最后通过实验验证了所提算法的正确性。

有源中点钳位型三电平并网逆变器多目标优化预测控制

有源中点钳位型(ANPC)三电平变换器作为并网逆变器能够实现功率器件的热损耗平衡,适用于光伏发电系统。针对传统中点钳位型(NPC)三电平并网逆变器开关管发热不均衡等问题,本文提出一种ANPC三电平并网逆变器的多目标模型优化预测控制方法,基于三电平输出的开关状态需要遵循单位电平跳变的原则,剔除不符合跳变原则的开关状态,减少模型滚动优化的次数。针对开关管的发热不均衡问题,根据ANPC三电平并网逆变器的结构特点,通过对开关管的开通和关断损耗进行线性拟合,实时计算各开关管的功率损耗,把各开关管的不均衡损耗加入目标价值函数以实现不均衡损耗的最小化。最后通过ANPC三电平并网逆变器直接功率控制的实验结果验证了所提控制方法的正确性和有效性。

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FPGA的三电平风电变流器三维空间矢量调制算法

将三电平变流器拓扑应用于风电系统中可有效提高整机效率,降低电压应力,具有诸多优势。传统三电平空间矢量调制算法计算繁琐,在数字控制系统中需占用大量资源,降低了系统性能。本文针对三电平二极管中点钳位式变流器的三维空间矢量调制算法进行了研究,采用三维坐标系进行矢量计算,避免了传统空间矢量调制算法中烦琐的计算。基于现场可编程门阵列(FPGA)实现了这一算法,实验结果验证了算法的正确性。

三电平变流器高电压穿越下的中点电压控制研究

针对高电压穿越条件,分析中点钳位型三电平变流器的中点电压数学模型,推导出三相功率与零序电压的传递函数。提出一种新型的注入零序电压控制方案,该方案通过控制中点处的零序总功率为0,来实现中点电压的平衡控制。具体方案是,通过计算中点处的三相功率偏差,经PI调节器输出零序电压调制波,经过3s/2s坐标变换,叠加至三相基波调制波,并采用SVPWM调制算法实现。仿真显示,该方案能够实现中点电压的平衡控制,具有较好的动态响应。

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。