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。

ANPC⁃5L逆变器电容电压平衡的优化算法

针对有源中点钳位五电平(ANPC⁃5L)逆变器在g-h坐标系的空间矢量脉宽(SVPWM)算法下的悬浮电容电压和直流电容中点电压发散问题,提出了一种建立边沿触发脉冲控制开关状态时间的方法,降低悬浮电容电压波动,减小直流侧电容电压偏移。通过悬浮电容电流波动导致悬浮电容电压偏移的原理,依据不同开关状态下输出相同的电平,且不同开关状态导致悬浮电容电流方向相反的原理,在一个完整周期内,使得悬浮电容电流相互抵消,降低悬浮电容电压波动。建立一种主动功率流动模型,通过减小悬浮电容电压波动来实现直流侧电容中点电压的平衡。最后,通过搭建仿真平台,对比应用所提方法前后ANPC⁃5L的电容电压平衡情况,使方法的有效性得到验证。

五电平ANPC变换器多目标优化调制技术研究

针对五电平有源钳位型变换器现有的调制策略存在SPWM直流侧电压利用率低,中点电压控制的计算复杂,SVPWM数字化实现难度大等问题,研究了一种操作简单,满足电压利用率高、中点电位平衡、悬浮电容电压稳定、共模电压较小等多目标优化的五电平新型SPWM调制算法。首先通过研究SVPWM与SPWM的本质联系,将SVPWM等效至PD-SPWM,其次分析不影响中点电位平衡的共模电压抑制边界,重构五电平低幅值共模电压矢量空间,并采用注入零序电压自由选择开关序列、实时切换等效PD-SPWM种类等方法实现多目标优化。最后搭建了实验样机,应用仿真和实验等手段对多目标优化算法进行了验证,试验结果表明在保证中点电压平衡、悬浮电容电压稳定可控的同时,共模电压幅值减小约32.8%,表明了优化的有效性。

基于混合ANPC逆变器的永磁电机解耦预测控制策略

永磁电机具有效率高、启动快、过载能力强及噪声小等优点,已被成功应用于大功率交流传动系统。为解决传统Si基变流器开关频率低造成电机转矩动态响应慢、转矩脉动大的问题,文中结合SiC器件耐高温和开关频率高的特点,将Si/SiC协同的三电平有源中点钳位型(active neutral-point-clamped,ANPC)逆变器混合拓扑引入到永磁电机驱动系统。首先研究Si/SiC混合ANPC逆变器拓扑的运行原理与换流模式,分析不同换流模式下的损耗分布规律及调制策略。结合模型预测控制技术的多目标和多约束特性,提出基于混合ANPC逆变器的永磁电机高解耦预测控制策略,以实现Si/SiC混合拓扑中Si器件的低频运行和SiC器件的高频运行。稳态和暂态实验结果证实了所提控制策略的可行性和有效性。

基于ZVS变频控制的Si/SiC混合ANPC逆变器损耗评估

零电压开通变频控制(variable frequency controlled zero-voltage-switching,VF-ZVS)可在无辅助电路条件下实现零电压开通(zero-voltage-switching,ZVS),进一步提升碳化硅MOSFET逆变器的功率密度。但在三相有源中点钳位逆变器(active-neural-point-converter,ANPC)中,全功率器件ZVS会大幅增加输出电感电流纹波,改变ANPC逆变器的电流续流路径,影响SiC器件损耗分布特征。论文建立电流纹波关于矢量作用时间的分段数学表达式,提出计及电流纹波的SiC器件损耗建模方法,表征VF-ZVS控制下电流纹波对开关管损耗特性的影响规律。进一步,分析VF-ZVS控制下2SiC、4SiC I和4SiC II 3种典型混合ANPC拓扑的新增工作模态特性;利用所提出的损耗模型,评估在不同调制度、全功率等级下上述3种混合拓扑的开关损耗、通态损耗和损耗分布均衡度,并通过6kW SiC实验平台,在不同功率等级下实验验证了SiC器件损耗模型和3种混合拓扑损耗评估结果的正确性。

基于SiC器件的三电平ANPC牵引变流器损耗分析

在大功率牵引变流器中,采用具有开关速度快、耐高温、开关损耗低等诸多优势的SiC器件替代Si器件,并构建基于SiC器件的三电平ANPC变换器,可以大大减轻变流器的散热系统负担,有助于实现牵引系统轻量化,提升变流器的功率密度和整体效率。对4种三电平ANPC变换器拓扑(2种SiC+Si的混合型三电平ANPC拓扑、全SiC型三电平ANPC拓扑和全Si型三电平ANPC拓扑)及适用于不同拓扑结构的调制策略进行了详细的分析。结合4种拓扑工作于各自最优调制策略下的换流过程,对不同拓扑的功率损耗和热平衡特性等方面通过仿真验证进行了定量分析比较。结果表明,全SiC型三电平ANPC拓扑损耗分布最均衡,工作效率最高;2-SiC混合型三电平ANPC拓扑在保证性能的基础上成本更低,可以作为采用SiC器件的牵引变流器的一种较高性价比的选择。

一种三相双输出有源中点钳位型三电平变换器

该文基于有源中点钳位型三电平变换器(ANPC-TLC)结构,通过每相增加两个开关管形成一种具有两组三相交流电压输出端口的双输出有源中点钳位型三电平变换器(DOANPC-TLC)拓扑。该文详细介绍DO-ANPC-TLC的拓扑结构,对其工作原理进行分析,研究其不同开关状态下的电流路径、输出相电压电平和各开关的电压应力。针对DO-ANPC-TLC结构特点及工作原理,应用一种双输出虚拟空间矢量脉宽调制(DO-VSVPWM)方法,能够独立控制两组交流输出,并保持直流链路电容电压平衡。为了进一步简化控制过程,研究一种基于载波的简化双输出虚拟空间矢量脉宽调制(CB-VSVPWM)策略,在器件损耗和总谐波畸变率(THD)方面,对所提出DO-ANPC-TLC的性能进行分析。实验结果验证了所提拓扑的可行性和调制策略的有效性。

基于线电压坐标系的ANPC-5L逆变器SVPWM算法的研究

在6～10kV的高压变频领域，与传统拓扑结构相比，有源中点箝位型五电平（active neutral-point-clampedfive-1evel，ANPC-5L）逆变器具有很高的实用价值。针对传统五电平逆变器空间矢量脉宽调制（spac evector pulse width modulation，SVPWM）控制算法复杂、计算量大等缺点，研究一种基于线电压坐标系的SVPWM控制算法，通过进行坐标变换，减少对基本矢量的确定步骤，简化基本矢量对应作用时间的求解过程，并将其应用到ANPC-5L逆变器中，通过实验波形和电流谐波分析证明控制算法的正确性。结合ANPC-5L逆变器和新控制算法的特点，提出一种高效的中点电压平衡的控制算法，通过对中点电位的检测和判断计算出所需的开关序列及复用矢量的作用时间比值，实现中点电流流入与流出的平衡，进而达到控制中点电压平衡的目的。实验结果证明了该中点控制算法有效性。

矿山高压多电平ANPC变频调速系统损耗分析

以五电平有源中点箝位ANPC高压变频调速系统为研究对象,在介绍ANPC五电平拓扑数学模型和PWM调制方法的基础上,对系统开关损耗、电容损耗以及传导损耗进行了量化分析。分析结果表明,ANPC五电平拓扑虽然损耗构成种类更多,但其在开关损耗抑制方面优势显著,可使变频调速系统整体运行效率更高。

基于混合载波调制的三电平ANPC逆变器开路故障容错控制策略

与二极管中点箝位型(neutral-point-clamped,NPC)逆变器相比,有源中点箝位型(active NPC,ANPC)逆变器具有零电平下的冗余开关状态,增加控制自由度和容错运行能力。为进一步提高三电平ANPC逆变器的可靠性,提出一种基于混合载波调制技术的容错控制方法,通过改变参考调制信号和载波信号,可以实现单个和多个功率器件开路故障下的多模式容错运行,采用改进的零序电压注入法,维持正常和容错运行模式下直流侧电容电压的平衡,并抑制中点电位的低频脉动。所提方法不需要增加额外的功率器件和传感器,可以提高三电平ANPC逆变器的可靠性和输出性能。仿真和实验结果验证所提容错控制策略的可行性和有效性。

Low-complexity model predictive control of a four-level active neutral point clamped inverter without weighting factors

The four-level active neutral point clamped(ANPC)inverter has become increasingly widely used in the renewable energy indus-try since it offers one more voltage level without increasing the total number of active switches compared to the three-level ANPC inverter.The model predictive current control(MPCC)is a promising control method for multi-level inverters.However,the conven-tional MPCC suffers from high computational complexity and tedious weighting factor tuning in multi-level inverter applications.A low-complexity MPCC without weighting factors for a four-level ANPC inverter is proposed in this paper.The computational burden and voltage vector candidate set are reduced according to the relationship between voltage vector and neutral point voltage balance.The proposed MPCC shows excellent steady-state and dynamics performances while ensuring the neutral point voltage balancing.The efficacy of the proposed MPCC is verified by simulation and experimental results.

一种基于双矢量恒定开关频率的三电平ANPC型全桥逆变器模型预测控制方法

针对三电平有源中点箝位型(activeneutral-pointclamped,ANPC)全桥逆变器在使用有限集模型预测控制(finite control set mode predictive control,FCS-MPC)方法时,存在开关频率不固定、电流谐波大、多目标优化复杂、对处理器运算效率要求高等问题,该文首先提出一种双矢量恒定开关频率FCS-MPC方法,该方法以逆变器输出电压矢量而非开关矢量为有限集进行模型预测,降低模型计算量;然后,通过代价函数寻优以确定最优和次优电压矢量,消除多目标优化问题;根据代价函数值计算矢量作用时间,并在下一控制周期中同时输出2种电压矢量,实现恒定开关频率,降低输出电流谐波;再次,推导基于不同变量约束实现所提方法的原理;最后,该文提出基于比例积分控制器调整冗余矢量作用时间来实现直流侧电容电压均衡控制的方法,此方法具有很快的调节速度。仿真和实验验证所提方法的良好性能。

有源中点箝位式(ANPC)五电平逆变器调制方法和飞跨电容电压控制策略研究

分析了ANPC型五电平逆变器开关状态和输出电平的关系,并提出单周期SPWM调制方法。该调制方法在一个开关周期内实现有效电平且包含飞跨电容充电、放电两个状态。针对控制飞跨电容电压的问题,提出了在调制策略中增加充电因子,通过检测飞跨电容电压和实时调节充电因子实现飞跨电容电压闭环可控。最后对单周期SPWM调制方法和飞跨电容电压控制策略进行了仿真和实验,验证了其正确性。

5L-ANPC逆变器中器件过电压分析及抑制

针对光伏发电系统中的五电平中点有源箝位型逆变器进行研究,分析并抑制了三类引起低压器件过电压的问题。首先,通过引入吸收电容,抑制换流回路过长引起的高关断应力;其次,优化动作时序抑制前级高压器件切换引起的低压器件过电压;然后,设计特殊的关机模式抑制传统驱动全封锁关机造成的过电压问题。最后,在60 kW的实验样机上验证了电压应力抑制方法的有效性。

一种考虑中点平衡的ANPC变换器的混合断续脉冲宽度调制策略

对于ANPC(active neutral-point-clamped)变换器,采用断续脉冲宽度调制DPWM(discontinuous pulse width modulation)具有开关损耗小的优点,但也存在中点电位波动较大的问题,为此提出了一种基于切换钳位的混合断续脉冲宽度调制Hybrid DPWM策略,实现DPWM策略下ANPC变换器的中点电位平衡。在单位功率因数下,该方法根据中点电位的高低采用不同钳位方式,并对不同钳位方式下的开关序列进行优化,减小开关次数;在非单位功率因数、高调制比下,该方法根据电荷守恒计算大矢量、中矢量和小矢量作用时间,通过中矢量、小矢量和大矢量的合理分配实现中点电位平衡。同时,2种中点平衡方式在全范围内具有互补性,使开关管在每个开关周期内动作4~6次。最后,对多种调制策略的动稳态性能和中点电位平衡能力等进行了实验对比,验证了所提混合断续脉冲宽度调制策略的有效性。

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。

五电平有源钳位型变换器SVPWM死区效应分析与补偿方法研究

针对五电平有源钳位型变换器SVPWM调制的死区时间会导致跨电平跳变电压尖峰,产生过高的dv/dt影响系统稳定性的问题,提出一种不影响SVPWM调制效果的死区跨电平跳变补偿方法。首先对死区寄生模态导致电压误差的产生原理进行分析,列举了所有跳变过程中寄生电流的导通路径,采用在特定参考电压限定开关模态、筛选开关序列和脉冲调整等方法,重新规划电流导通过程,分类消除了跨电平跳变现象。最后搭建了实验样机,通过仿真和实验的手段对补偿方法进行了验证,对相同条件下的实验结果进行快速傅里叶对比分析,证明提出的死区补偿方法对输出电压谐波含量只产生了0.51%的微弱影响,且能有效消除跨电平跳变电压尖峰,表明该方法能维持五电平SVPWM良好的调制效果的同时,消除跨电平跳变隐患。

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%。

有源中点钳位型五电平整流器电容建压方法

有源中点钳位型五电平(active neutral-point-clamed five-level,ANPC-5L)变换器在中高压大功率变频传动场合应用潜力巨大。针对传统电容建压方法无法适用于ANPC五电平整流器内部电容器的建压问题进行研究,在充分分析了其拓扑结构特点的基础上,提出了一种ANPC-5L整流器的电容建压方法,在不增加其他外部充电设备的前提下,通过控制每相桥臂中不同开关管的导通与关断,对整流器中的所有电容器进行充电。在分析不同阶段建压电路结构特点的基础上,推导出各阶段电容器建压公式,并给出建压速度与等效预充电阻及电容器容量的关系。该方法具有充电速度快、效果好、通用性强等特点,同时还具有成本低、操作简单、易于控制等优点。最后,以ANPC-5L整流器为例,进行了仿真和实验验证,仿真和实验结果均验证了所提电容建压方法的正确性和有效性。

有源钳位三电平变频器改进SVPWM策略

中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件损耗不平衡问题,部分器件发热严重,限制了变频器容量和开关频率的提升,有源中点钳位(ANPC)三电平变频器通过不同的零电压输出状态可以平衡功率器件的损耗。通过选取不同的冗余零状态,提出一种适用于ANPC三电平变频器、可以平衡功率器件损耗的改进空间矢量调制(SVPWM)算法。对所提SVPWM算法和传统正弦矢量脉宽调制(SPWM)算法进行仿真对比,分析功率器件损耗分布情况,结果表明所提方法可以平衡功率器件的损耗,提高变频器的容量和开关频率。另外,和SPWM算法相比,采用SVPWM算法输出电压可以提高15%,电流谐波畸变率会有所降低,最后通过实验验证了所提算法的正确性。