Investigation and Evaluation of Multilevel H-NPC Converter for Electrically Driven Trains

In this paper the operation of a three level H-bridge converter as well as its parallel operations is analyzed and simulated on the computer. Based on the simulation results the operating behavior between （a） a three level H-bridge neutral point clamped convener, （b） a three level back-to-back H-bridge neutral point clamped convener, （c） two three level H-bridge neutral point clamped converters parallel connected is being compared. From the simulation results it is obvious that in the first two cases the ripples, the distortion in primary and secondary winding currents, and the power factor are quite satisfactory and almost identical to each other. In the third case as compared with the first two, it is observed that current harmonics with higher amplitude appear in the primary winding of the transformer.

基于矩形区域分类的NPC型H桥级联五电平逆变器简化模型预测电压控制

为进一步提高中点电压钳制(neutral point clamped,NPC)H桥级联五电平逆变器的动态响应、降低控制器计算负担的同时确保装置低损耗运行,文中在电压矢量矩形区域分类的基础上,提出一种以满足动态响应和降低开关损耗为目标的两级优化模型预测电压控制策略。首先根据逆变器数学模型和期望电流进行目标电压矢量计算、修正,接着基于矩形区域分类对目标电压矢量进行定位;并以定位后的候选矢量为基础,设计了两级优化目标函数以输出满足要求的最优矢量。仿真和实验结果验证了该方法的有效性,与空间矢量脉宽调制以及传统模型预测电流、电压控制策略相比,该文所研究的两级优化模型预测电压控制策略,在确保逆变器动态响应的前提下既能降低控制器计算负担,还能有效减少器件开关损耗。

NPC/H桥逆变器调制策略及其中点电位控制

以中点钳位型H(neutral point clamped H,NPC/H)桥逆变器为对象,研究该拓扑调制策略中存在的算法繁琐、直流侧电容电压波动问题。在分析了NPC/H桥五电平逆变器主电路工作原理的基础上,为简化空间矢量脉宽调制(spacevector pulsewidthmodulation,SVPWM)算法和抑制低开关频率下逆变器输出畸变,设计了一种基于g-h坐标系的三段式SVPWM算法。该算法开关状态选择灵活,具有开关损耗低、谐波性能好的特点。基于SVPWM算法,分析直流侧电容电压波动原因,根据电流方向和电容电压差,合理选择左、右桥臂的开关状态,平衡电容中点电位。搭建Simulink仿真模型,对比不同开关频率和不同调制度下逆变器输出性能,验证了三段式开关序列在低开关频率工况下的明显优势。基于以数字信号处理器和现场可编程门阵列(digital singnal processor and field-programmable gate array,DSP&FPGA)为控制器的NPC/H桥五电平逆变器实验平台,验证了三段式SVPWM策略和中点电位控制方法的有效性。

中点钳位型H桥级联单相逆变器新型空间矢量脉宽调制方法

通过对中点钳位型H桥级联单相逆变器开关状态分析,得到了27种有效开关矢量。提出一种适用于该拓扑结构的单相空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)方法,该方法将单相一维空间矢量图分为8个区间。根据期望电压矢量幅值和矢量所在区间以及上一个开关周期的终止矢量进行输出脉冲合成类型判断,并基于开关次数最小原则提出3种矢量合成规则。根据伏秒平衡原理对每种脉冲类型的矢量作用时间进行了计算。提供一种兼顾电压均衡、开关次数最小和开关器件均衡利用的冗余矢量使用法则。利用DSP和FPGA芯片实现所提出的算法。仿真和实验验证了提出调制方法的正确性和可行性。

基于新型SVPWM的NPC/H桥五电平逆变器共模电压抑制策略研究

为解决逆变器中共模电压随其电平数增加而幅值增大的问题,以中点箝位H桥五电平逆变器为例,分析共模电压的产生机理,并提出一种基于参考电压矢量分解的新型五电平空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)算法。该算法直接将五电平分解为两电平,避免了先将五电平转化为三电平,再将三电平转化为两电平的繁琐过程且可适用于更高电平。基于该算法设计了一种通过合理选择空间矢量来抑制共模电压的五段式调制方法。理论分析、仿真与实验结果表明,该方法可以将共模电压最大值抑制到单相直流电压源电压值的1/3,比传统SVPWM算法下降了60%;同时,逆变器的开关损耗也得到了减小。

基于IGCT的大功率五电平中点钳位/H桥变流器

将三电平中点钳位(NPC)交直交变流技术和H桥级联技术相结合的五电平NPC/H桥变流器可以实现更高等级的输出电压和容量。该文研究基于集成门极换向晶闸管(IGCT)的大功率五电平NPC/H桥变流器的主电路拓扑结构,并采用模块化结构设计方式减少了杂散参数。在变流器输出中低频时采用一种改进型载波层叠正弦脉宽调制(IPD-SPWM)方法,并提出一种解决低调制度时最小脉宽问题的方法。在变频器输出高频时采用特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)方法来减小输出电压的总谐波畸变率(THD),并给出计算的开关角度轨迹。实验结果验证了该文研制的变流器所采用的拓扑结构设计和调制方法的可行性,表明变流器达到了设计要求,具有良好的性能。

一种基于两电平的5电平空间矢量调制算法

多电平逆变器被广泛地应用于高压大功率工业领域,但是随着电平级数的增加,其空间矢量调制算法(SVPWM)也越来越复杂。研究一种基于两电平的新型5电平SVPWM算法,该算法易于确定参考矢量的位置及其作用时间。以5电平NPC/H逆变器为例解释该算法,该算法可以非常容易地推广到更多电平级数的逆变器中。最后,实验波形验证了该算法的正确性。

一种新型多电平载波脉宽调制方法研究

为减少传统多电平载波脉宽调制方法所需要的三角载波数目,以二极管钳位式三电平逆变器为例,研究了一种新型多电平载波脉宽调制方法,同时将其推广应用于NPC/H桥5电平逆变器。该新型多电平载波脉宽调制方法所需要的三角载波数目仅是传统多电平载波脉宽调制方法的一半,同时,该方法的三角载波和调制波全都位于零参考轴之上,更易于DSP编程实现,且可推广到更多电平。搭建NPC/H桥5电平实验平台,采用对称规则采样法对该方法进行实验验证,实验结果验证了该新型多电平载波脉宽调制方法在整个线性调制区内的正确性和可行性。

同步旋转非正交坐标系下五电平SVPWM算法

文中介绍了NPC/H桥五电平逆变器的拓扑结构和工作原理,研究了一种同步旋转非正交坐标系下的五电平SVPWM算法。该算法将静止的直角坐标系变换为与参考电压矢量所在扇区保持同步的旋转非正交坐标系,扇区判断方法简单,参考电压矢量的位置可以用一组公式快速确定,基本电压矢量作用时间公式统一、简便,克服了传统五电平SVPWM算法计算量大、实时性差和不易向更高电平推广的缺点。实验结果验证了该算法的有效性。

60°坐标系下五电平NPC/H逆变器的SVPWM实现

研究了一种新型五电平NPC/H逆变器拓扑,并采用60°坐标系下的SVPWM算法,该调试算法在参考矢量扇区的判断和基本矢量作用时间的计算方面,可以避免较多的三角函数运算,减少计算时间,提高控制系统的灵活性。最后,在MATLAB仿真软件中搭建五电平NPC/H逆变器仿真模型并验证该算法,仿真结果证明了该算法的有效性。

中点钳位型H桥级联单相变换器均压SVPWM最优工作点转移路径研究

针对二极管中点钳位型单相级联变换器直流侧电压不平衡问题,提出一种新型空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略。其核心为在冗余矢量选择时引入过渡开关状态,使当前矢量逐渐切换到均压能力最强的矢量,避免开关动作时模块端口电压发生越级跳变所带来的危害,降低了变换器的开关频率。文章分析了该调制策略的计算方法,给出最优路径选择步骤,并设计了基于可编程逻辑器件的SVPWM算法的控制核心。最后,通过级联两模块实验系统验证了所提调制策略的均压能力及系统的动静态性能。

IGCT-NPC/H桥型变流器换流过程研究

五电平NPC/H桥型变流器是从三电平NPC变流器的拓扑结构发展而来的,它具有输出电压谐波含量小,容量大,易于实现模块化等优点,适用于高压大功率调速系统场合。本文主要对单相NPC/H桥型变流器的拓扑结构特点进行分析,研究了NPC/H桥变流器的工作原理及其换流过程和数学模型,分析了杂散电感对换流过程的影响和换流过程中的IGCT过电压。通过仿真验证上述分析是正确的。

一种新型五电平SVPWM调制方法的研究与实现

在交流电动机调速领域,大功率变换器得到越来越广泛的应用。为了改善器件开关损耗和输出电压谐波特性,本文分析了NPC/H型多电平逆变器的工作原理,研究基于五电平的空间矢量调制方法,实现了一种改进的三段式PWM算法。与传统的七段式调制算法相比,该新型算法能够有效地降低功率器件的实际开关频率,减少逆变器输出电压谐波,提高系统效率。该调制方法原理简单,通用性强,在工业、运输等多电平逆变器领域有着广泛的应用前景。

基于脉冲跳变SVPWM的单相中点钳位型H桥级联逆变器开关损耗解析计算

为实现单相中点钳位(NPC)型H桥级联逆变器性能优化设计,分析基于脉冲跳变空间矢量脉宽调制(SVPWM)均压调制的开关损耗计算方法。针对开关管有效动作频率与控制频率不同、开关动作分散且无规律的问题,提出基于整体的开关损耗计算方法,直接计算得到所有开关的暂态损耗之和;针对均压冗余矢量动作不确定的问题,提出最值估算法对开关暂态损耗进行理论估算。仿真结果表明,推导的开关损耗解析式计算值与实际值的单个周期最大误差为9.55%,最小误差为1.29%,实验得到的损耗结果与理论值最大误差均在10%以内,表明该损耗解析式较为准确。

2250kVA/6kV矿用防爆变频器系统的设计与开发

随着生产设备的单机功率越来越高,国内煤矿迫切地需要3.3kV、6kV甚至更高电压等级的变频器及配套装备来提高其生产能力。但是国内自主研发的高电压等级矿用防爆变频器很少,特别是6kV以上电压等级的高压矿用防爆变频器目前国内还处于空白。因此,本文考虑煤矿井下特殊环境要求,以二极管箝位三电平级联H桥(NPC/H)五电平为主电路拓扑设计并开发出一款6kV矿用高压防爆变频器。文中完成了该高压防爆变频器的硬件架构、控制策略和人机交互界面,并进行了相关电气及防爆实验。实验结果表明所开发高压防爆变频器能够满足相关标准的要求。

NPC/H桥五电平逆变器直流侧电容电压平衡控制

针对三相NPC/H桥五电平逆变器直流侧电容电压不平衡问题,由逆变器拓扑结构及负载结构建立数学模型,详细分析直流侧电容电压不平衡机理,阐述MPC与SVPWM算法相结合的思想。基于模型预测(MPC),提出平衡直流侧电容电压的新型电压预测算法,利用SVPWM算法确定参考电压矢量位置,并选择参与预测的位置矢量和平衡矢量,进而根据代价函数值择优输出。与传统MPC相比,其具有结构简单,计算量小及每次寻优矢量均不超过10个等优点。仿真和实验均表明提出的电压预测算法能有效平衡直流侧电容电压并且具有较强的动态响应能力。

五电平NPC/H桥逆变器的调制策略

在分析了五电平NPC/H桥逆变器拓扑结构和工作原理的基础上,设计了载波层叠脉冲宽度调制(pulse w idth modulation,PWM)和三段式空间矢量脉冲宽度调制(space vector pulse w idth modulation,SVPWM)的策略,并介绍了这2种调制策略的原理。通过Simulink软件搭建仿真模型,对比了不同调制度和不同载波频率下逆变器的输出特性,得出结论:输出电压波形的电平数与调制度有关;提高载波频率可使主要高次谐波频率增大,减小谐波含量。以DSP+FPGA工控开发板为控制器搭建实验平台,实验结果表明调整策略有效。

五电平NPC-HB逆变器快速空间矢量调制算法的研究

针对多电平空间矢量调制算法在实际应用中复杂、计算量大等缺点,研究了一种快速的空间矢量调制算法,并运用到五电平NPC-HB桥逆变器中,简化了矢量定位及作用时间的求解过程,分析了NPC-HB五电平逆变器的工作原理,考虑到五电平逆变器含有125种开关状态,提出了减小开关频率及损耗的冗余开关状态选择方法。通过实验样机验证了该算法的有效性和可行性。