Evaluation Method of Output Waveform Quality for Neutral⁃Point⁃ Clamped Three⁃Level Converter

An analytical evaluation method for output waveform quality of space vector pulse width modulation(PWM)strategies applied in neutral⁃point⁃clamped three⁃level converter(3L⁃NPC)is proposed in this paper.Low frequency error caused by neutral point voltage ripple and high frequency error introduced by space vector synthesis were both taken into account,and the unified error model of output current ripple was established.By taking continuous and discontinuous modulation strategies as examples,the unified error model was validated through Fourier analysis of the experimental results.The proposed evaluation method will be helpful for the switching sequence optimization and the modulation strategy selection.

A novel SVPWM strategy considering neutral-point potential balancing for three-level NPC inverter

This paper proposes a novel SVPWM （space vector pulse width modulation） strategy for the three-level neutral-point-clamped voltage source inverter, based on the particular disposition of all the redundant voltage vectors. The new modulation approach shows superior performance for harmonic voltage and balancing control of neutral-point potential compared to the popular eight-stage centered SVPWM. It realizes suppression of inverter neutral-point potential variation by accurately modifying redundant factor of small vectors pairs, only requiring information of DC-link capacitor voltages and three-phase load currents. This is convenient to apply and is compatible of digital computer realization. Feasibility of the proposed control approach is verified by simulation and experimental results.

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。

电容电压平衡的四电平有源中性点钳位逆变器的改进模型预测电流控制

多电平有源中点钳位(ANPC)逆变器具有功率器件电压应力小、电流谐波低和器件损耗可调控等优点,被广泛应用于工业驱动中。针对四电平ANPC(4L-ANPC)逆变器的控制与调制研究相对较少,现有的调制方案实现复杂,中点电压(NPV)控制难度较大。因此,该文针对三相4L-ANPC逆变器,提出一种改进的有限集模型预测电流控制(FS-MPCC)算法,避免了复杂的调制过程。首先,使用仅包含电流误差的代价函数对位于六边形顶点的6个大电压矢量进行寻优;其次,对参与第一步寻优的大矢量划分扇区,使用包含电流误差和电容电压误差的代价函数对最优大矢量所在扇区的所有电压矢量滚动寻优,得到目标电压矢量并作用于逆变器;最后,仿真和实验结果表明,与传统的FS-MPCC相比,所提方法在降低系统计算负担的同时,还具有较好的控制性能和电容电压平衡能力。

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。

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SVPWM补偿优化的三电平NPC并网逆变器容错控制

为保证并网系统中三电平中点箝位(neutral point clamped,NPC)型并网逆变器单相桥臂短路或断路故障后持续运行,提出一种基于空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)的优化补偿型低共模电压容错控制策略。首先,通过分析故障后八开关三相逆变器(eight switch three phase inverters,ESTPI)拓扑开关状态对应的共模电压大小,确定参考电压矢量合成规则;然后,通过一个基波周期内中点电流情况分析中点电位波动机理,进而对空间矢量合成进行调节补偿;最后,设计低通滤波器和滞环控制器进一步对补偿进行优化调整,保证并网电流质量的同时有效抑制了直流母线中点电位偏移。仿真结果表明,该容错控制策略能够实现三电平NPC并网逆变器单相桥臂故障后并网系统的稳定可靠运行,每个基波周期有三分之一时间的共模电压得到改善,优化补偿后的并网电流质量显著提高,且在并网电流突变时具备良好的控制特性。

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。

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。

NPC三电平整流器的混合参数自适应控制

为降低中点箝位型(neutral point clamped,NPC)三电平整流器的电流谐波,在dq同步旋转坐标系下推导出带中点电压耦合项的NPC三电平整流器数学模型,并分析中点电压对电流控制的影响。对模型中的中点电压耦合项和交流侧等效电阻会增大电流谐波及无法通过常规方法进行准确估计的问题,设计一种混合参数自适应的迭代学习控制方法,以进行解耦控制并消除不确定参数的影响。通过构造Lyapunov函数和理论推导验证控制方法的稳定性。在整流器硬件平台上进行试验验证,结果表明,所设计的控制方法可有效降低电流谐波。

一种三电平变流器故障诊断及容错控制策略

针对中点箝位(NPC)三电平变流器的开关器件故障问题,此处提出一种NPC三电平变流器IGBT开路故障诊断方法与软件容错控制策略。首先,分析了NPC三电平变流器IGBT开路故障时的运行状态,选取直流侧3个桥臂相电压和输出三相电流作为故障初始数据,通过互补集合经验模态分解(CEEMD)算法和能量占比特征提取方法得到故障特征矩阵。然后,将特征矩阵输入参数改进后的1D-CNN框架并实现IGBT的开路故障定位。故障定位后,针对IGBT单管故障提出一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的容错控制策略,通过切换空间矢量使得NPC三电平变流器容错运行。最后,搭建仿真和实验平台,验证了所提故障诊断和容错策略的可行性和可靠性。

NPC型直挂储能变流器桥臂断路故障下低电压穿越的容错控制

NPC型直挂储能变流器长期运行可能发生桥臂断路故障造成设备停运以及影响低电压故障穿越,基于故障相与直流母线中点直连构成虚拟桥臂重构容错故障拓扑,提出了基于模型预测控制的桥臂容错低电压穿越控制策略。考虑重构后的容错拓扑结构降低了直流侧电压的利用率,研究分析了该容错结构进行低压穿越的最大输出电流整定方法。由于低电压穿越过程中电压跌落后的容错拓扑输出特性发生改变,对储能直挂容错结构的输出电流、电压进行模型预测矢量分析,推导出电压跌落与最大输出电流的关系式。在重构的空间电压矢量内选择能够支撑低电压穿越的矢量状态,控制储能变流器按照低电压穿越技术规范进行有功无功功率分配,支撑电网电压。仿真结果验证了所提出的控制策略保证容错拓扑结构可以在桥臂故障期间运行的有效性以及低电压穿越过程中提供无功功率支撑的可靠性。

NPC三电平虚拟同步机桥臂故障容错模型预测控制

虚拟同步机VSG(virtual synchronous generator)通过模拟同步机特性为新能源并网提供惯性和阻尼。然而,电力电子开关器件高频开关过程中可能会发生断路故障,导致输出电流波形严重畸变,影响电网安全稳定运行。针对中点箝位型NPC(neutral point clamped)三电平VSG桥臂故障问题,提出一种中点电压均衡的VSG容错模型预测控制策略。分析NPC三电平VSG单相桥臂故障后运行机理,在开关器件故障后利用直流侧电容组成虚拟桥臂,重构为VSG桥臂故障容错结构。建立故障情况下预测电流模型,重构故障状态空间电压矢量,将直流侧中点电容电压引入容错模型代价函数,减小电容电压波动,实现VSG桥臂故障容错运行。实验结果表明,在开关器件发生故障后,NPC三电平VSG能容错连续运行,验证了所提模型预测容错控制策略的有效性,提高了VSG运行可靠性。

基于快速MPC的三相LCL并网NPC逆变器

针对三相LCL并网逆三电平中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)逆变器中有限集模型预测控制(Finite Control Set-Model Predictive Control,FCS-MPC)计算量大和控制速度慢导致NPC逆变器性能变差的问题,设计了一种快速模型预测控制方法。通过改变快速模型预测控制中参考电流电角度控制逆变器输出电流的相位,实现入网电流与电网同步;通过在冗余短矢量中选择合适的短矢量,实现直流侧中点电压平衡,减少计算量;通过缩小计算扇区,使快速模型预测控制仅在当前最优输出电压矢量附近进行寻优计算,进一步减少计算量。在MATLAB/SIMULINK中搭建了三相LCL并网NPC逆变器仿真模型,仿真结果验证了上述控制方法的快速性和可行性,运算速度提高了18.31%,入网电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)值减少了2.38%。

A Novel Serial Hybrid Three-level NPC Topology for Multi-MW Medium Voltage Wind Power Converters

提出一种新型的串联混合三电平中点钳位（neutralpoint clamped,NPC）拓扑,该拓扑是基于传统三电平NPC拓扑的改进和优化,引入大功率IGBT的串联应用。该新型拓扑中,桥臂的两个外管分别用两个低压IGBT串联,两个内管均用高压IGBT。在多兆瓦级中压风电变流器中,大功率IGBT的开关损耗很大,从而限制了开关频率。提出的新型拓扑通过低压IGBT的串联来减小功率器件的损耗,从而提高开关频率,同时可减小输出滤波器的尺寸。通过传统三电平拓扑和新型串联混合三电平拓扑IGBT损耗的对比,说明新拓扑的优势。通过改变门极驱动电阻实现串联IGBT的均压,对新拓扑的应用具有重大意义。最后通过新拓扑的单相样机验证新拓扑的正确性和可行性。

Adaptive Neuro Fuzzy Inference System Based Decoupled Control for Neutral Point Clamped Multi Level Inverter Fed Induction Motor Dri

The presence of an integrator in a reference model of a rotor flux-based model reference adaptive system(RF-MRAS)and non-linearity of the inverter in the output voltage degrade the speed response of the sensorless operation of the electric drive system in terms of DC drift,initial value issues,and inaccurate voltage acquisition.To improve the speed response,a compensating voltage component is supplemented by an amending integrator.The compensating voltage is a coalition of drift and offset voltages,and reduces DC drift and initial value issues.During low-speed operation,inaccurate voltage acquisition distorts the stator voltage critically,and it becomes considerable when the stator voltage of the machine is low.Implementing a three-level neutral point clamped inverter in speed-sensorless decoupled control of an induction motor improves the performance of the drive with superior quality of inverter output voltage.Further,the performance of the induction motor drive is improved by replacing the proportional-integral(PI)controller in the adaption mechanism of RF-MRAS with an adaptive neuro-fuzzy inference system(ANFIS)controller.A prototype model of the three-level neutral point clamped inverter(3L-NPC)-fed induction motor drive is fabricated in a laboratory,and its performance for a RF-MRAS,modified RFMRAS,and modified RFMRAS using ANFIS are compared using different benchmark tests.

Model predictive control of three-level active front-end converter with low switching frequency

In medium voltage-high power(MV-HP)applications,the high switching frequency of power converter will result in unnecessary energy losses,which directly affect efficiency.To resolve this issue,a novel finite control set-model predictive control(FCS-MPC)with low switching frequency for three-level neutral point clamped-active front-end converters(NPC-AFEs)is proposed.With this approach,the prediction model of three-level NPC-AFEs is established inα-βreference frame,and the control objective of low average switching frequency is introduced into a cost function.The proposed method not only achieves the desired control performance under low switching frequency,but also performs the efficient operation for the three-level NPC-AFEs.The simulation results are provided to verify the effectiveness of proposed control scheme.

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。