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。

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。

六相NPC-H逆变器共模电压消除与中点电压平衡

多相逆变器具有容错性好、控制自由度高、低压大功率等优势,在船舶推进、多电飞机等领域得到广泛应用。为了实现更高电压的输出,通常采用多电平拓扑。在多电平拓扑中,保持中点电压平衡是维持系统稳定运行的关键。研究的H桥逆变器共模电压是产生开绕组永磁同步电机零序环流的主要因素之一。因此,有必要抑制逆变器输出的共模电压。针对六相NPC-H桥逆变器,提出共模电压消除和中点电压平衡的调制方法,在该调制方法的基础上通过注入零序电压的方式使中点电压保持平衡,并且充分利用了多相的优势,使响应速度更快、平衡效果较好。最后,通过仿真和实验验证了该调制策略的有效性。

辅助谐振变换极逆变器的中点电压稳定控制策略

辅助谐振变换极逆变器(ARCP)在高频大功率领域具有高效率和低损耗的优势。然而实际应用中,中点电压偏移问题会使ARCP软开关失败率增加。文中针对ARCP母线分压电容中点电压偏移以及中点电压偏移导致的主开关管零电压开通失败的问题,提出了一种中点电压自抗扰控制策略。分析了母线电容等效串联电阻(ESR)对中点电压和交流侧电压的影响,建立了可变时序控制模式下包含母线电容ESR的中点电压模型。在此基础上设计了中点电压自抗扰控制器,利用辅助管控制过充电调节时间,实现了三相辅助支路谐振电感电流平衡,达到了中点电压稳定、主开关管零电压开通和提高逆变器效率的目标。与PI控制模式下97.0%的逆变器效率相比,自抗扰控制模式在最大功率下可达97.5%的逆变器效率。该控制策略无需改变电路结构,易于实现。仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性。

VIENNA整流器中点电压控制策略研究

三相三电平VIENNA整流器因开关管所受电压应力不均及中点电压不平衡导致电流过零畸变,降低系统整体性能。为此,该文从空间矢量角度分析了中点电压不平衡产生的原因及七段式算法中矢量对中点电位的影响,并在传统SVPWM基础上,提出了一种改进的空间矢量调制策略来减小输出电压波动:在同一采样周期内,通过一种调节因子来合理分配正负小矢量的作用时间,进而抵消中矢量,维持电压稳定。此外,还通过分析调节因子与系统调制比间关系来优化算法实现。最后,通过仿真发现该控制策略与传统控制策略相比中点电压波动由±12 V降低至±4 V,证明所提策略的正确性及有效性。

基于60°坐标系的改进三电平逆变器中点电压调制策略

中点电压不平衡直接影响逆变器输出电压波形的质量以及器件的寿命。针对NPC型三电平逆变器中点电压不平衡问题,对传统的虚拟空间矢量调制方法进行改进,设计了一种改进的虚拟空间矢量脉冲宽度调制(improved virtual space vector pulse width modulation,IVSVPWM)方法。首先,定义了新的虚拟矢量,目的是降低共模电压幅值;然后,对扇区小三角形区域进行划分,计算了虚拟矢量的作用时间,设计了空间矢量的作用顺序;最后,在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型,对传统的虚拟空间矢量脉冲宽度调制(virtual space vector pulse width modulation,VSVPWM)方法和本文设计的IVSVPWM方法进行比较。结果表明本文设计的方法具有更好的中点电压平衡效果。

三电平LLC谐振变换器中点电压平衡控制方法

针对全桥二极管中性点箝位(NPC)三电平LLC谐振变换器的中点电压偏移问题,此处提出了一种基于五电平脉宽调制(5L-PWM)的中点电压平衡控制方法。首先介绍了5L-PWM策略下变换器工作原理,并分析了不同工作模式下对中点电压的影响;之后提出了根据中点电压偏移情况选择合适工作模式的中点电压平衡控制方法,该方法无需比例积分(PI)控制器,同时在中点电压调节过程中不会造成功率传输波动。最后通过仿真和实验验证了所提控制方法可以有效解决中点电压的偏移问题。

三电平PWM整流器双环控制技术及中点电压平衡控制技术的研究

该文在建立了三电平PWM整流器系统数学模型的基础上,比较了三电平PWM整流器模型与直流电机模型的相似性,基于对控制对象的状态反馈解耦,提出把直流电机的双闭环控制应用于三电平PWM整流器中,使三电平PWM整流器具有良好的动态性能和稳态性能,并且保证输入电流波形正弦性好,实现了单位功率因数。同时,针对三电平PWM整流器所固有的直流侧电容中点电压平衡问题,提出根据每相输入电流方向和中点电压波动方向来优化选取冗余的正小矢量和负小矢量,实现中点电压平衡控制的方法。最后通过实验验证了双环控制器和控制中点电压方法的可行性和有效性。

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。

基于两类脉宽调制方式本质联系的三电平逆变器中点电压平衡控制的研究

为解决中点钳位式三电平逆变器中点电压波动问题,本文基于三电平逆变器空间矢量调制和三角载波调制两类调制方法的本质联系,提出了一种新的中点电压平衡控制方法。这种方法只需电容电压和负载三相电流信息,通过调整小矢量对的时间分配实现对中点电流的控制,控制算法简便易行,有利于计算机数字实现。仿真和实验研究结果证实了所提控制方法的有效性。

中点箝位型三电平逆变器中点电压低频振荡抑制方法

对于三电平逆变器中点电压低频振荡问题,传统正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)控制一般不具有中点电压平衡控制作用。该文基于不连续脉宽调制(discontinuous pulse width modulation,DPWM)的基本原理,提出了一种半周期动态调节的DPWM(dynamic half carrier-cycle regulative DPWM,DHCR-DPWM)中点电压平衡控制方法。该DHCR-DPWM控制方法通过控制载波周期内某相桥臂开关不动作,使得正负小矢量作用时间相等,实现对中点电压低频振荡的抑制,控制中点电压平衡。与传统SPWM控制相比,该方法能够提高输出波形质量和系统效率。在基于STM32F407-CPLD的二极管中点箝位型三电平逆变器实验平台上进行了实验验证,实验结果验证了理论分析的正确性和方法的有效性。

中点电压偏移对SVM控制的三电平逆变器的影响及补偿措施

简要介绍了三电平逆变器的传统SVM控制算法。针对逆变器负载运行时,负载动态特性对于三电平逆变器的中点电压的影响,以及由中点电压偏移造成的空间矢量图的变化,引入中点电压前馈控制方法,进行新的矢量分区和作用时间计算,从而改进逆变器带负载时的输出电流波形。在Matlab软件平台上进行仿真,结果表明改进的SVM得到的输出电流波形较传统的SVM控制方法下的输出电流波形有明显的改善。

五电平有源中点钳位型逆变器母线中点电压平衡问题

五电平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多电平变换器。针对五电平有源中点钳位型逆变器的母线中点电压平衡问题展开研究,建立母线中点电压的波动模型,通过计算母线中点电流在一个基波周期内的平均值,证明了母线中点电压在理想和稳态下可自平衡。提出一种基于零序电压注入的中点电压平衡控制方法,通过计算所有关键零序电压对应的中点电流,并从中选择最优的关键零序电压来产生所需的目标中点电流,从而使母线中点电压波动最小。实验结果证明了该控制方法的有效性。

基于空间电压矢量的有源中点箝位型五电平逆变器母线中点电压平衡问题的研究

有源中点箝位型五电平(active neutral-point-clamped five-level,ANPC-5L)变换器与三电平相比,具有输出电压等级较高、输出功率更大、电流谐波含量较低等特点,在高压大功率领域具有较高的研究价值。以ANPC-5L变换器作为研究对象,采用空间电压矢量脉宽调制控制算法,通过分析ANPC-5L变换器的单相拓扑结构及其工作原理,针对不同开关状态下的ANPC-5L变换器的母线中点电压的波动模型进行研究分析,得出了平衡母线中点电压偏差的公式及ANPC-5L变换器中点电位的平衡域曲线。以此为基础,提出一种有效平衡中点电压的控制方法,通过选择参考电压矢量所在三角形的开关序列及同时控制复用矢量的作用时间之比,实现了悬浮电容电压与中点电压的解耦和平衡控制,最后通过实验进一步验证了控制算法的正确性和有效性。

NPC三电平变换器中点电压控制方法综述

中点箝位型(NPC)三电平拓扑是目前最常用的一种高压大功率多电平拓扑。在NPC三电平变换器的控制中,中点电压波动问题是一个直接关系到系统安全性与输出性能的重要问题,需要妥善解决。目前存在许多种可以抑制NPC变换器中点电压波动的控制方法,这里针对NPC三电平变换器,对其中点电压波动进行了分类并分析了其产生原因。归纳总结了常见的NPC三电平变换器中点电压控制方法,尤其对中点电压的软件控制算法进行了细致的分类和对比分析。

基于载波的三电平中点电压平衡控制策略

中点电压平衡问题是二极管钳位式三电平逆变器的固有问题,本文对此进行了深入探讨,分析了中点电压失衡的原因,从载波的角度研究了载波幅值变化对中点电压的影响,推导出中点电压波动和调制比、调节量、功率因数之间的关系,讨论了调节量、功率因数对中点电压波动的影响,提出了一种基于载波变幅的SPWM调制策略,通过保持调制波不变,改变载波的幅值来实现中点电压平衡控制。最后在基于DSP的二极管钳位型三电平逆变器试验平台上验证了上述调制方案的有效性。

直流母线零电压过渡软开关逆变器中点电压不平衡问题研究

分析了轻载时直流母线零电压过渡软开关逆变器存在的中点电压不平衡问题。通过理论分析对其产生的原因和对电路工作过程的影响进行了详细描述,并给出了该中点电压不平衡问题的解决方案,最后通过实验验证了方案的可行性。

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。

三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究

建立了三电平中点箝位型逆变器中点电压的数学模型;分析了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;利用合成空间矢量的调制方法,实现了对中点电压的有效控制。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小矢量的方法。用MATLAB/Simulink仿真研究了中点电压平衡控制的效果,并用MOSFET搭建了三电平逆变器实验电路模型,对中点电压平衡控制效果进行了验证。实验结果证明了基于合成空间矢量的三电平NPC逆变器中点电压平衡控制方法的有效性。

T型逆变器中点电压全范围精确平衡研究

中点电压不平衡是T型逆变器的固有缺点。分别建立空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法和虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)算法的中点电压偏移量数学模型,得到两种算法的中点电压不可平衡区域与负载功率因数角、调制比之间的关系,提出一种中点电压全范围精确平衡算法。该算法通过计算和修正小矢量作用时间的平衡因子来实现中点电压的精确平衡,通过判断平衡因子的取值来确定控制算法,以确保在保持中点电压精确平衡的基础上有效减小输出谐波和开关损耗,仿真和实验验证了所提算法的有效性。