T型中点钳位三电平逆变器的零电流转换软开关技术

依据T型中点钳位(T-NPC)三电平逆变器的换流特点,提出了一种零电流软开关拓扑,每相桥臂仅需要额外使用两个辅助谐振开关器件和一条LC谐振支路。详细介绍了该软开关技术的换流过程和工作原理,在不改变传统PWM控制策略的前提下就能够保证主桥臂和辅助桥臂的开关器件实现零电流开关。通过对拓扑电路的简化并结合相平面分析图的方法,指出了所提出软开关拓扑具有谐振圆心偏移的对偶关系,并对该软开关拓扑的谐振参数选择和辅助桥臂的控制时序进行了理论分析和推导。最后通过半桥样机实验,对所提出软开关拓扑的可行性和优点进行了验证。

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。

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。

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。

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。

改进的中点钳位型三电平逆变器非连续脉宽调制策略

为了降低开关损耗,非连续脉宽调制(DPWM)方法被广泛应用于中点钳位型三电平逆变器(NPC-TLI),但是DPWM在中点电压的控制上表现了某些不足。为了减少NPC-TLI的开关损耗并同时控制中点电压,文中采用切换钳位模式来实现对中点电压的有效控制。为了避免在切换钳位模式时引入附加开关动作,提出了一种可实现钳位模式无缝切换的改进的脉宽序列的DPWM策略。通过仿真和实验,对所提策略、传统DPWM和现有优化DPWM算法进行了比较。理论分析和实验结果均表明,所提策略具有良好的中点电压控制能力以及开关损耗降低能力。

三电平中点钳位变换器电容电压自平衡机理与均压控制策略

三电平中点钳位(3L-NPC)半桥拓扑输入端为电容串联结构,由于电路的非理想因素,存在电容电压不均衡问题。文中根据推导出的3L-NPC半桥等效电路,从时域角度详细分析了电容压差与电容电流的关系,表明3L-NPC具有自平衡特性,且其自平衡电流主要来自于负载电流的直流分量。基于此总结出2类均压控制策略:第1类,采用传统比例—积分或比例—谐振等调节器,加入特定变量反馈,以恢复3L-NPC自平衡特性;第2类,采用不破坏3L-NPC自平衡特性的调节器。根据第2类均压控制思想,提出了采用准谐振调节器的均压控制策略,可简化系统控制,降低系统成本。此外还给出了具备自平衡特性的双环控制方案,改善了系统的响应速度。仿真与实验结果证明了理论分析的正确性。

开关电感Z源三电平中点钳位逆变器的研究

Z源三电平中点钳位逆变器有效地结合了Z源网络的开关电感特性和三电平逆变器的特点,但升压能力有限。针对这一问题,文章提出了开关电感Z源三电平中点钳位逆变器。新逆变器通过改进电路拓扑获得了更强的升压能力,能显著提高系统的输出电压。文章采用改进载波同相层叠调制法控制开关管的工作,该方法简单、可靠、易于实现。仿真结果验证了新拓扑的可行性及有效性。

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。

基于恒最大化升压比Z源三电平中点钳位逆变器研究

三电平中点钳位逆变器由于具有低谐波和波形质量好而备受关注;然而为了实现光伏等分布式电源高电压,需要增加DC/DC才能实现升压和逆变功能,这降低了系统效率。为了解决上述问题,研究了Z源三电平中点钳位逆变器。传统的同相电压偏移(phase disposition,PD)的方法虽然能够减少开关次数和降低开关损耗,但是升压能力不够。提出一种恒最大化升压方法,能够在任何调制比情况下实现最大化的升压;而且能够消除低频纹波和减少电压应力的作用。详细地分析了升压比和开关频率之间的关系;并通过仿真和实验证明了所提算法方法的有效性。

适用于大功率三电平中点钳位整流器的SVPWM和DPWM策略研究

大功率三电平中点钳位(NPC)整流器在满足网侧谐波电流限值、直流侧中点电压平衡和避免相电压两电平跳变(TLJ)的前提下,要尽可能降低开关频率。基于以上功能需求,首先分析了空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)和不连续脉冲宽度调制(DPWM)的基本原理,介绍了传统的四种SVPWM开关序列和八种DPWM开关序列并对比了各自作用下的相电压波形。针对传统SVPWM相电压存在的TLJ和开关频率较高缺陷,提出两种改进型SVPWM开关序列;针对传统DPWM相电压存在的TLJ,提出两种改进型DPWM开关序列。在此基础上,该文从TLJ、开关频率、中点电压自平衡能力、谐波总畸变率(THD)和各次谐波电流含量等方面对SVPWM和DPWM的性能进行了详细分析,总结了适用于大功率三电平NPC整流器的三种SVPWM开关序列。最后搭建三电平NPC变流器样机,通过实验验证了所提出改进型开关序列的有效性。

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。

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。

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。

基于精细分区控制的三电平逆变器中点电位平衡策略

针对中点钳位型(NPC)三电平逆变器中点电位波动问题,在三矢量四状态合成方法的基础上,提出一种精细分区控制的中点电位平衡策略。在低调制度下,对占空比分配因子进行限幅,尽量控制中点电流为零。在高调制度下,通过对比最值电流法和分配因子法分区结果的不同,将工作区域划分为可控区域(CI)、不可控区域(UI)和存疑区域(DI),并对DI区域按中点电流控制效果进行归属判定,在不增加开关频率的情况下,尽可能将中点电流的绝对值控制为最小,实现减小中点电位波动的目的。仿真和实验结果验证了所提策略在降低开关频率的同时,可有效抑制中点电位的波动。

基于d-q轴解耦和中点电位控制的高性能三电平NPC整流器控制方法

首先建立了基于开关函数的三电平中点钳位(NPC)电压型整流器的数学模型,分析了它的工作原理。提出了一种基于d-q轴解耦和中点电位控制的高性能三电平中点钳位PWM整流器控制方法。该方法具有电流控制精度高,能够实现有功电流和无功电流的无差调节的优点,并且通过设计中点电位控制器,能够有效抑制由外部扰动和调制方法造成的中点电位的直流和低频脉动。通过系统的仿真和实验,验证了该数学模型的正确性,以及该控制方法的优异性能。

真空管道磁浮列车三电平中点钳位整流器的改进型模型预测控制研究

真空管道磁浮列车三电平中点钳位(NPC)整流系统所需的控制目标较多。与PWM控制方式相比,模型预测控制可以在单个代价函数中增加任何必要的控制目标,故更适用于多目标控制,但其计算量更大,主要控制目标相互耦合,影响输出性能。为了解决传统模型预测控制存在的问题,本文提出一种改进型模型预测控制策略,可在保证系统稳定运行的基础上,节省约22%的计算时间。同时,本文考虑负载与开关频率权重系数的变化对电流谐波畸变率(THD)及平均开关频率(损耗)的影响,提出变开关频率权重系数的控制策略,以满足不同负载情况下系统对谐波和损耗的要求。最后,仿真验证了所提策略的有效性。