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。

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。

基于自适应滑模观测器的中点钳位型三电平并网逆变器开关管和电流传感器故障诊断

为提高中点钳位型三电平(3L-NPC)并网逆变器故障诊断的准确性和可靠性,针对其开关管开路故障和电流传感器故障,提出一种基于自适应滑模观测器的开关管开路故障和电流传感器故障同时诊断方法。该方法首先针对3L-NPC并网逆变器,设计一种收敛速度快且能显著抑制抖振的自适应滑模观测器来精确估计正常状态下的三相电流值;其次,利用实际电流和估计电流设计了故障检测变量;同时,利用实际三相电流之和以及估计三相电流之和来区分开关管故障和电流传感器故障;在此基础上,构造开关管故障定位变量和电流传感器故障识别变量,实现开关管开路故障的准确定位以及电流传感器故障类型的快速识别。实验结果验证了该文所提诊断算法的有效性和鲁棒性。

电容电压平衡的四电平有源中性点钳位逆变器的改进模型预测电流控制

多电平有源中点钳位(ANPC)逆变器具有功率器件电压应力小、电流谐波低和器件损耗可调控等优点,被广泛应用于工业驱动中。针对四电平ANPC(4L-ANPC)逆变器的控制与调制研究相对较少,现有的调制方案实现复杂,中点电压(NPV)控制难度较大。因此,该文针对三相4L-ANPC逆变器,提出一种改进的有限集模型预测电流控制(FS-MPCC)算法,避免了复杂的调制过程。首先,使用仅包含电流误差的代价函数对位于六边形顶点的6个大电压矢量进行寻优;其次,对参与第一步寻优的大矢量划分扇区,使用包含电流误差和电容电压误差的代价函数对最优大矢量所在扇区的所有电压矢量滚动寻优,得到目标电压矢量并作用于逆变器;最后,仿真和实验结果表明,与传统的FS-MPCC相比,所提方法在降低系统计算负担的同时,还具有较好的控制性能和电容电压平衡能力。

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。

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。

面向残差评价的中点钳位型逆变器开路故障诊断方法

在基于解析模型的故障诊断系统中,为了显化残差信号所包含故障信息的能力,提出一种面向残差评价的中点钳位型三电平三相逆变器快速开路故障诊断方法。首先,构建诊断观测器获取三相电流观测值并通过观测矩阵计算电流残差;其次,通过引入基于范数的标准评价函数,计算残差性能指标与阈值,将残差转换为可用的特征信号并与阈值相比较实现高效实时的故障检测;再次,推导不同功率开关器件开路故障状态下的电流残差特性,并依据此特性实现精准的故障隔离;最后,在仿真平台及半实物实验平台上验证了该文所提算法的有效性与可行性。仿真与实验平台结果表明,相较于传统基于信号与知识的诊断方法,残差性能评价的引入使得诊断速度提高80%以上。针对NPC型三电平三相逆变器常见的四种开路故障情况,均可实现快速且精准的故障检测及定位。

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。

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I-DPWM的三电平中点钳位光伏逆变器漏电流抑制方法

对于三电平中点钳位光伏逆变器,基于断续脉宽调制(discontinuous pulse width modulation,DPWM)并通过选择特定矢量进行钳位控制的方法,存在矢量分解计算时间长、注入共模电压分量和漏电流过大等不足。对此,提出了一种基于I-DPWM的三电平中点钳位光伏逆变器漏电流抑制方法。通过计算各类DPWM等效调制波来解析注入的低频共模电压分量。针对低频共模电压分量最小的DPWM1,在低频共模电压不连续点注入新的零序分量,通过减小低频共模电压来抑制漏电流幅值。同时,采用载波实现DPWM,免去了复杂的矢量运算。最后,在Matlab/Simulink平台建立了20 kW三电平中点钳位光伏逆变器的仿真模型,同时结合所设计的125 W实验样机验证了所提方法的有效性。

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。

基于深度强化学习的有源中点钳位逆变器效率优化设计

传统电力电子变换器设计多采用顺序设计法,依赖人工经验。近年来,电力电子自动化设计可通过计算机快速优化设计电力电子系统而备受关注。该文以有源中点钳位(ANPC)逆变器的效率优化设计为例,提出一种基于深度强化学习(DRL)的电力电子自动化设计方法,可实现在变换器设计需求变化时,根据设计目标快速得到最优的设计参数。首先介绍了基于DRL的逆变器效率优化整体框架;然后建立了逆变器的效率模型;接着通过深度确定性策略梯度(DDPG)算法的自学习不断训练智能体,获得了最小化功率损耗的优化策略,该策略能够快速响应设计规格变化提供最大化效率的设计变量;最后,搭建了140 kW的实验样机,实验结果验证了所提方法的有效性,相比于遗传算法和强化学习(RL),实测效率分别提高了0.025%和0.025%。

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。

一种以降低逆变器开关损耗为目标并考虑中点电位平衡的适用于中点钳位式三电平逆变器的调制方法

介绍了中点钳位式(neutral point clamped,NPC)三电平逆变器载波脉冲宽度调制(carrier-based pulse width modulation,CBPWM)、空间矢量脉冲宽度调制(space vector PWM,SVPWM)、最小开关损耗脉冲宽度调制(switching loss minimize PWM,SLPWM)3种典型的调制策略。当中点电位偏移时,提出了一种非对称载波脉冲宽度调制(asymmetric carrier disposition PWM,ASPDPWM)策略,可以在中点电位偏移时输出正确的PWM序列,有效抑制逆变器输出的低频谐波含量。分析了基于载波移位脉冲宽度调制(carrier disposition PWM,PDPWM)策略的中点电位平衡方法。提出了一种SLMPWM和PDPWM混合调制策略,这两种调制策略的切换采用滞环控制方式。在实验室搭建了NPC三电平逆变器实验平台,通过阻感性负载和永磁同步电机负载验证了混合调制策略的有效性。实验结果验证了SLMPWM和PDPWM的混合调制策略能够有效降低开关损耗和控制中点电位。

Z源级联三电平中点钳位逆变器

将Z源网络级联,并采用交替反相电压偏移(alternativephase opposition disposition,APOD)的方法对逆变器进行控制。在matlab/sinmulink下,建立Z源级联三电平逆变器的APOD调制模型,仿真结果显示新型拓扑升压因子有明显提高。为进一步验证新拓扑的有效性,进行了Z源级联逆变器的试验研究,试验结果证实新拓扑能够提高升压因子,扩大Z源逆变器的电压调节范围。

基于中点钳位型三电平逆变器的改进型虚拟空间矢量调制策略

在高电压大功率应用场合中,中点钳位型(NPC)三电平逆变器是一种被广泛应用的多电平逆变器,但是该类型逆变器存在中点电压波动和共模电压问题。针对上述两个问题提出一种改进型虚拟空间矢量(NTV^2)调制法,采用零矢量、中矢量和大矢量对虚拟小矢量和中矢量重新定义,使得到的虚拟矢量产生的共模电压最大值为U_(dc)/6,是传统虚拟空间矢量法产生的共模电压幅值的1/2,从而实现对共模电压的抑制。在此基础上,通过合理选取虚拟中矢量分配系数的值,可以在一定范围内抑制中点电压的波动。与传统虚拟空间矢量法相比,所提方法能够有效地抑制共模电压和中点电压波动。仿真和实验验证了该方法的正确性和有效性。

Z源三电平中点钳位逆变器的空间矢量调制方法

为克服双Z源网络三电平中点钳位(NPC)逆变器所需储能元件多、硬件成本高的缺点,研究了一种单Z源网络三电平NPC逆变拓扑,该拓扑仅需要一个输入电源和Z源网络,但是具有与双Z源网络NPC逆变器相同的升压特性。提出了一种适用于Z源三电平NPC逆变器的空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法。该方法基于原点变换思想,将三电平SVPWM等效为两电平SVPWM,简化了计算。通过在等效零矢量内合理配置直通矢量,实现了逆变器的升压输出,且最大程度减小了直通动作产生的开关损耗。最后,仿真及实验结果均证实了所提SVPWM方法的有效性。

一种适用于大容量中点钳位型三电平逆变器的绝缘栅双极型晶体管吸收电路研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),关断过压问题始终是设计者亟待解决的主要问题。单单依靠合理的多层复合母排设计不足以消除中点钳位型(neutral point clamped,NPC)三电平IGBT逆变器大换流路径杂散电感所引起的IGBT关断电压尖峰。因此,必须设计有效的IGBT吸收电路。该文将Undeland吸收电路在NPC三电平逆变器中进行扩展应用,结合NPC三电平逆变器运行模式,详细分析LRCD吸收电路工作原理。研究LRCD吸收电路与逆变器电路性能之间的定量关系与影响,给出了数学表达式,提出吸收电路参数设计原则。通过仿真与实验验证了分析与参数设计的正确性。将LRCD吸收电路成功应用于1.4MW级NPC三电平逆变器原理样机。研究结果表明,LRCD吸收电路在NPC三电平逆变器中实现了主开关器件IGBT和钳位二极管的"软"开通与"软"关断,通过对吸收参数的合理设计能够定量的控制主开关管的开通电流的变化率(di/dt)和关断电压的变化率(dv/dt),有效抑制开关器件的关断过压尖峰,优化开关管的瞬态特性。该吸收电路适合大容量NPC三电平IGBT逆变器应用。

一种N相中点钳位型三电平逆变器的PWM策略

本文研究了N相中点钳位型三电平逆变器(NPC 3LI)的调制策略和中点电压控制方法。提出一种适用于N相NPC 3LI的PWM策略——N相虚拟空间矢量脉宽调制策略(N-VSVPWM),这种PWM策略通过准确地计算和执行每相1电平占空比实现中点电压无条件平衡。一些非理想因素(如死区插入)会破坏该PWM策略的中点电压自平衡能力,因此,本文还提出基于N-VSVPWM的中点电压主动控制方法。理论分析和实验结果表明,N-VSVPWM较空间矢量脉宽调制策略(SVPWM)具有更好的中点电压控制能力,较好的谐波特性,但是开关损耗有所上升。

具有飞跨电容辅助桥臂的三电平中点钳位逆变器方案

提出了一种改进的具有飞跨电容辅助桥臂的三电平中点钳位逆变器的拓扑结构,该逆变器可被应用于具有轻型高压直流传输线的近海风电系统中。第四飞跨电容辅助桥臂的引入可以解决三电平中点钳位逆变器固有的中点失衡(包括直流漂移和电压脉动)问题。首先,具体阐述了第四桥臂的工作原理,接着对三种电压闭环控制方案及其控制性能进行了分析和比较。最后,仿真和实验验证了所提出的控制方案的有效性。