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。

有源钳位四电平能馈变流器预测电流控制

地铁能馈变流器能回收车辆制动能量,实现节能减排。多电平变流器可以降低有源开关的断态电压上升率,有效保护电路元件,提高输出电流的波形质量,一直是中大功率领域研究的热点。模型预测控制算法是应用于多电平变流器的一种控制算法,具有运算简单、速度快和适用性广等优点,在变流器控制领域有广阔的应用前景。目前,能馈变流器的拓扑主要为二电平和三电平,对四电平拓扑的应用关注较少。有源钳位四电平拓扑采用有源器件的T型连接代替钳位二极管,减少了元件数量,降低了系统损耗。在四电平能馈变流器的控制算法方面,载波调制算法仍被广泛使用,模型预测控制算法未能得到应用。在此背景下,提出一种适用于有源钳位四电平拓扑的预测电流控制算法,建立四电平拓扑的数学模型,分析开关状态对直流母线电容电压的影响,建立电流和电容电压的预测模型。通过模型预测控制算法中的代价函数,实现输出电流和电容电压的多目标控制。利用并网仿真模型对所提算法进行验证,在预测控制作用下可以顺利并网,并输出高质量的电流。进行阻感负载实验,能有效跟踪给定电流,维持电容电压稳定,对于负载突变也有较强的鲁棒性。仿真和实验均证明了拓扑模型和控制算法的有效性,展现了其在地铁能馈领域应用的可行性。

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。

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。

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。

考虑吸收电路的五电平有源中点钳位变频器电压过零切换策略

五电平有源中点钳位(five-level active-neutral-point-clamped,5L-ANPC)变频器拓扑结构简单,可直接通过公共直流母线供电,易于实现能量回馈,非常适合用于5~10 kV直流供电的船舶推进变频调速领域。简要介绍了5L-ANPC的主电路拓扑和工作原理,针对5L-ANPC拓扑杂散参数较大的四种换流回路,在兼顾可靠性及适装性前提下,设计了纯电容吸收电路。在上述基础上,分析了设置吸收电路后的5L-ANPC拓扑采用传统电压过零切换策略时存在的内开关管过压问题,并提出一种考虑吸收电路的切换策略,实现了输出电压过零器件安全切换,且避免了电压异常跳变。通过仿真和实验验证了所提考虑吸收电路的输出电压过零切换策略的有效性、正确性。

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。

基于前馈解耦控制的有源中点钳位五电平模型预测控制

为解决五电平变换器电容电压不均衡且控制算法运算量过大的问题,该文结合前馈解耦控制方法提出了一种有限控制集模型预测控制优化算法。以变换器电容均压控制和永磁同步电机dq电流控制为目标选择最优电压矢量,采用前馈补偿对中点电压和悬浮电容电压进行解耦控制,并将解耦后的值代入模型预测控制算法中,以实现电流跟踪的目的。通过突加突卸负载和正反转切换仿真和实验,从响应时间和悬浮电容电压偏移度等多角度验证了该控制策略的有效性。

中点钳位型三电平变换器两种故障状态的检测和保护

针对中点钳位型三电平变换器的故障和保护进行研究,主要讨论系统的单相接地故障和电力电子器件短路故障。单相接地故障会引起变换器直流母线中点接地阻抗上的电压明显变化,提出一种通过检测接地阻抗电压从而检测系统接地故障的方法。变换器桥臂内侧电力电子器件的短路可以导致直流母线电容电压的不平衡,会出现电容电压的翻倍现象,须采取措施保护直流母线电容和电力电子器件。在分析电压翻倍现象产生原因的基础上,提出了抑制电容电压翻倍的方法。对以上两种故障状态的检测和保护进行了仿真和试验验证,仿真和试验结果验证了所提出方法的有效性。

一种零序注入的三电平中点钳位型变换器中点电位平衡控制策略

对三电平的两种调制方法空间矢量脉宽调制(SVPWM)和虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)进行深入比较,详细分析VSVPWM方法线电压dv/dt高和谐波含量大、功率器件开关损耗大以及中点电压平衡动态响应特性慢等问题的本质原因。为克服SVPWM和VSVPWM的不足,提出一种零序注入的载波调制方法。该方法将一种适用于两电平的零序注入法引入到简化的三电平空间矢量图的小六边形中,在每个小六边形中建立中点电流与零序分量之间严格准确的数学关系,并结合6个小六边形开关函数符号特点,只需一路载波和6个等式即可实现三电平载波调制和中点电位平衡控制,且具有计算量小,执行时间短,中点电压平衡动态响应快等优点。最后,本文方法与SVPWM和VSVPWM的实验对比,验证了提出方法的可行性和有效性。

基于五电平有源中点钳位型双PWM变换器的异步电机矢量控制系统

一种基于五电平有源中点钳位型(ANPC)双PWM变换器的异步电机矢量控制系统,其整流侧和逆变侧变换器分别采用五电平ANPC拓扑背靠背连接,可实现网侧单位功率因数输入和异步电机的四象限运行。整流侧采用电网电压定向矢量控制实现有功功率和无功功率的解耦控制。逆变侧采用转子磁场定向矢量控制实现异步电机的高性能变频调速。设计并制作了一台380V/10 kW的样机,实验结果表明该样机运行稳定,控制算法正确可靠。

基于零序电压注入的五电平有源中点钳位型逆变器多目标优化控制策略

针对五电平有源中点钳位型逆变器的母线中点电压平衡、开关频率优化以及共模电压抑制等多目标优化问题展开研究,本文提出了一种基于零序电压注入的方法控制母线中点电压平衡,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。在此基础上进一步限制注入的零序电压的取值范围,可使得串联双管工作在基频,同时限制共模电压的幅值不超过母线电压的1/4。实验结果表明了该控制策略的有效性。

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。

一种适用于高压大功率的新型混合二极管钳位级联多电平变换器

该文在研究传统的级联多电平、传统混合级联多电平以及二级管钳位级联多电平变换器的基础上提出了一种新型的混合二极管钳位级联多电平变换器,这种新型变换器是将具有不同直流母线电压的多个二极管钳位多电平变换器进行级联,输出电压是将这些变换器的输出电压进行矢量相加而合成的。通常,开关速度较快的器件(如IGBT)的耐压值和耐压值较高的器件(如GTO)的开关速度都是有局限性的,新型变换器包含高压模块和低压模块,这使得IGBT和GTO协同工作在一起成为可能。本文对三相拓扑结构进行仿真分析,从仿真结果可以看出,新型变换器可以输出更高的电压,并且输出电压和电流的波形质量也将有进一步改善。

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。

基于新型矢量选择表的电压型三电平中性点钳位整流器直接功率控制策略

在电压型三电平中性点钳位(NPC)整流器的控制策略中,直接功率控制(DPC)策略具有算法简单和动态性能好的优点。分析了电压型三电平NPC整流器DPC策略的基本原理,推导了系统瞬时功率与交、直流侧参数的关系,并研究了系统直流电压利用率对瞬时功率的影响,提出一类新颖的三电平NPC整流器DPC策略。该策略将系统直流电压利用率分成若干区域,在每个区域中选择不同的矢量选择表对系统瞬时功率进行控制。此外,通过合理选择DPC策略矢量表对应的开关状态,解决了三电平NPC整流器直流电容电压不平衡问题。最后,针对某些直流电压利用率区间内系统瞬时无功功率存在非正常波动问题,分析其产生原因,并通过添加过渡扇区及与之对应的矢量选择表格,对系统瞬时无功功率的非正常波动进行修正。仿真和实验验证了理论分析的正确性。