基于电容电压平衡的五电平堆叠多单元变流器空间矢量调制策略*

文中提出一种基于电容电压平衡的五电平堆叠多单元(SM,Stacked Multicell)变流器的空间矢量控制策略,使空间矢量调制(SVM)算法能应用于堆叠多单元变流器(SMC,Stacked Multicell Converters)这种新型拓扑结构的变流器中。通过对五电平SM变流器拓扑的研究,得出单相电路所有可能的开关状态及其对应的电流通路,并由此分析各个开关状态对电容电压的影响。在不改变空间矢量调制算法计算得出的冗余矢量和占空比的前提下,控制策略仅仅通过开关状态的选择达到同时调整悬浮电容和母线电容电压的效果。因此该控制策略能将任何空间矢量调制算法应用于SM变流器,抑制变流器的悬浮电容与母线电容的中点电位偏移。在Matlab/Simulink中构建SM变流器并进行仿真,仿真的结果证明了该控制策略的有效性。     

单相三电平电机驱动器中点平衡控制算法

提出了一种基于SPWM调制方式的单相三电平电机驱动器中点平衡控制算法。该算法根据当前中点电位状态和负载电流方向,利用SPWM调制中的冗余中间开关状态对调制结果进行修正,从而起到抑制直流侧中点电位偏移的作用。详细阐述了该算法的控制原理和理论依据,并给出了详细的操作步骤。最后,通过MATLAB/Simulink建模仿真,验证了该算法的有效性。该算法适用于各种单相电机驱动器产品和级联高压变频器产品,可以有效地将三电平驱动器直流母线中点电位偏移控制在合适的范围内,且不影响原电路的电压与电流,增加了驱动器的稳定性。     

基于SHEPWM的三电平NPC逆变器中点电位平衡控制算法

以三电平中性点钳位型(NPC)逆变器为对象,提出基于特定次谐波消除脉宽调制(SHEPWM)的中点电位平衡控制算法。首先介绍空间矢量脉宽调制中点电位平衡原理与SHEPWM开关角求解模型,然后分析三相SHEPWM波形在不同调制度下对应的开关矢量序列和作用角度,基于此设计了三种冗余矢量调整方案,最后通过检测负载电流与中点电位,由中点电位滞环控制器和控制逻辑组合作用,直接对三相脉宽调制信号进行在线调整,实现中点电位平衡。实验结果表明:不同的矢量调整方案具有不同的中点电位平衡速度、平均开关频率等,但均不影响线电压的谐波消除能力;采用中点电位三级滞环控制器可兼顾中点电位平衡、波形对称、共模电压幅值,且不增加器件开关次数。     

一种无权重系数的三电平NPC逆变器低共模电压FCS-MPC算法

针对中点钳位式(neutral point clamped,NPC)三电平逆变器,传统低共模电压有限集模型预测控制(finite control set mode predictive control,FCS-MPC)算法通过评价函数约束进行中点电位平衡控制,需要额外设计权重系数,存在参数整定困难、影响输出电流谐波问题。该文提出一种无权重系数三电平NPC逆变器低共模电压FCS-MPC算法。首先,电压矢量控制集中舍弃正小矢量和PPP、NNN两个零矢量,将共模电压幅值抑制在Udc/6以下。其次,对控制集中每一个基本小矢量和中矢量,构造幅值和方向相同、对中点电位影响不同的冗余虚拟电压矢量。在控制执行过程中,第一步选出电流控制目标最优基本矢量,以保证输出电流谐波不受影响。第二步通过比较所选基本矢量及其冗余虚拟矢量作用,选出满足中点电位平衡控制目标矢量作为最优矢量,并将其开关序列作用于逆变器,从而省去权重系数。最后,实验验证所提算法正确性和有效性。     

具有共模电压减小和电容电压平衡的五电平有源中点钳位型变换器SVPWM算法

针对五电平有源中点钳位型(ANPC)变换器共模电压和电容电压平衡问题,提出一种基于gh坐标系的改进空间电压矢量调制(SVPWM)算法。所提SVPWM算法能够减小共模电压,同时实现悬浮电容电压和直流侧电容电压的平衡控制。首先,通过选取合适的冗余开关状态减小共模电压。其次,根据各相悬浮电容电压偏差和输出电流方向,选取合适的冗余开关组合,实现悬浮电容电压平衡。同时,提出一种中点电压模型预测控制(MPC)策略,根据目标函数对所有五段式开关序列进行滚动寻优,选取最优开关序列。最后,实验验证了所提SVPWM算法的有效性。     

VIENNA整流器中点电位平衡控制策略研究

针对三相三电平VIENNA整流器存在的中点电位波动问题,文章在传统载波移相调制技术(CPS-PWM)的基础上进行改进,提出一种14脉波的中点电位平衡控制策略。根据等效电路分析VIENNA整流器工作原理,根据空间矢量调制原理分析载波移相调制过程,确定中点电位不平衡原因,根据面积等效原理通过高频PWM异或控制脉冲实现分解冗余和非冗余矢量成分,并设立中点电位补偿系数D调节分解比例,保证中点电位平衡。实验结果表明,提出的控制算法不仅平抑中点电位波动、稳定直流侧输出电压,还降低了网侧电流畸变,且原理简明易于实现。     

二极管钳位型三电平逆变器共模电压抑制

二极管钳位型(NPC)三电平逆变器是一种应用广泛的多电平逆变器结构。中点电位不平衡是NPC三电平逆变器固有的缺点。传统虚拟空间矢量调制(NTV2)能在输出电压全范围内控制中点电位平衡,但其产生的共模电压较大。针对上述缺点,提出了一种新型NTV2方法,选用产生共模电压较小的基本电压矢量合成新的虚拟小矢量和虚拟中矢量。同时,提出相占空比法,降低了新型NTV2方法的开关频率,使其开关频率固定。仿真和实验结果验证了新型NTV2方法能够有效地抑制共模电压,且在输出电压全范围内控制中点电位平衡。     

一种新的三电平NPC变换器中点电位平衡控制策略

三电平NPC变换器相较传统两电平变换器来说具有较多优点,但其特殊的拓扑结构也带来了中点电位不平衡问题。在简化三电平SVPWM算法和虚拟空间矢量的基础上,提出一种将两者混合的中点电位控制方式。即在低调制度环境下,调用简化三电平空间矢量算法,并参照中点电位与中点电流的实际情况,确定怎样选择重叠扇区的归属或改变七段式开关矢量序列;在高调制度时则可利用虚拟空间矢量能够控制中矢量的优势来抑制中点偏移。最后在Matlab中建模并进行仿真,结果证明了这种控制方式能够在高低调制度区域明显抑制中点电位波动与偏移。     

具有电压补偿的四开关并网逆变器等效SVPWM控制方法

针对三相四开关并网逆变器因直流母线中点偏移引起的逆变器输出不平衡问题,采用逆变器输出等效电路分析的方法,指出电源阻抗差异是造成四开关逆变器三相输出不平衡的内在原因。在对比分析SVPWM与三角波调制方法基础上,依据矢量合成等效原理,提出可等效SVPWM的改进三角波调制方法。给出了具有直流中点偏移电压补偿的参考值生成策略。仿真结果表明,该方法实现简单,既可有效抑制因直流中点电压偏移引起的三相四开关输出不平衡问题,又能抑制因参数差异引起的输出不均衡问题。     

多电平变换器简化虚拟矢量PWM及应用

二极管钳位型变换器存在着直流母线电容电压不平衡的问题,对于多电平(>3)拓扑,传统空间矢量PWM在单位功率因数且调制比高于0.55时无法实现中点电压平衡,已有的虚拟矢量PWM随着电平数的增多计算负担急剧增加。针对这一问题,该文提出一种简化虚拟矢量PWM算法,通过组合2个或多个相邻的开关状态来定义新的虚拟开关状态,使得每个虚拟开关状态下流过所有中性点的电流相等,从而保证理想稳态条件下中点电压的自平衡。另外,简化虚拟PWM将任意电平的空间矢量图转换为三电平空间矢量图,简化了子扇区的辨识和占空比的计算。对五电平二极管钳位型变换器的仿真和实验结果表明,简化虚拟矢量PWM可以在全调制比和全功率因数范围内实现直流母线中点电压平衡,验证了该算法的有效性。     

一种新型的三电平VIENNA整流器调制策略

对三相三线三电平VIENNA整流器进行研究,构建了整流器电压和电流双环控制环路。针对该整流器降低开关损耗和中点电位控制问题,在分析冗余小矢量对中点电位影响的基础上,首先提出了2种新的对中点电位影响相反的五段式断续调制序列,在此基础上又提出了旨在降低开关损耗的集中式大电流不动作调制原则并引入一角度调节量对不动作区域进行拓展,实现了兼顾中点电位平衡控制的同时最大限度地降低开关损耗。仿真和实验进一步验证了所提调制策略的有效性。     

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。     

基于三电平SVPWM调制的Vienna整流器中点电压均衡控制

Vienna整流器的中点电压振荡问题会造成直流侧电容电压分布不均,导致交流侧输入电流波形畸变,开关器件承受电压不一致而损坏等问题。针对Vienna整流器中点电压不平衡的问题,研究了三电平空间矢量调制对Vienna整流器中点电压产生的影响。首先介绍了Vienna整流器的工作原理,然后分析了空间矢量对中点电压的影响,并基于SVPWM调制提出了一种中点电压波动的抑制策略。最后,搭建了15 kW实验样机,验证了所提控制策略的有效性,解决了中点电压不平衡的问题,明显改善了输入电流波形质量。     

Line-to-line Voltage Space Vector Modulation for Neutral-point Clamped Multi-level Converter with DC-link Capacitor Voltage Balancing Using Redundant Vectors

This article presents space vector modulation of line-to-line voltage for the three-phase neutral-point clamped n-level converter with DC-link capacitor voltage balancing using redundant vectors. The developed modulation strategy is based on an equivalent matrix structure of the neutral-point clamped n-level converter. The relation between the 3 × (n – 1) switching functions of the matrix converter and gate signals of transistors of the neutral-point clamped n-level converter is given. A line-to-line space vector modulation strategy for a matrix inverter is used to obtain the switching function. For one switching function, there is more than one combination to produce each output voltage. Thus, redundancies of different switch configurations for generation of intermediate voltages are used to limit the deviation of capacitor voltages. The gate signals of the neutral-point clamped n-level converter can be calculated by inversing the modeling parts. Here, line-to-line voltage space vector modulation for a neutral-point clamped n-level converter is designed without using a Parks transform. Moreover, n × (n – 1) redundant vectors are used for DC bus voltage balancing. To highlight the performances of the developed modulation strategy, simulation results are given for five- and seven-level neutral-point clamped converters. Experimental results are given for a neutral-point clamped three-level converter.     

具有中点电位非对称控制的VSVPWM技术

在降低NPC式三电平逆变器中点电位波动问题时,传统的VSVPWM算法未考虑直流侧电容电压非对称情况。为此,需从理论上探讨对称时的虚拟矢量形式是否适用于非对称状态下的各虚拟矢量。提出了具有中点电位非对称控制的VSVPWM技术,并在引入中点电位不平衡度的基础上通过改进零矢量的持续作用时间实现直流侧电容电压非对称控制。该方法具有较宽的调制比适用范围,并能够精确地控制直流侧电容电压,提高线电压质量,有效降低中点电位波动幅度。仿真和实验结果验证了该方法的有效性和优越性。     

面向微网群的多端口电流源变流器共模电压抑制仿真

研究了一种基于电流源的多端口变换器,并将其应用于微网群的互联。针对微网群系统共模电压较高,易造成电机绝缘损坏、电磁干扰、通信故障、保护误动作等问题,提出一种改进的综合空间矢量调制策略。首先,对零矢量的冗余开关状态进行优选,抑制零矢量作用产生的共模电压尖峰。然后,研究变流器不同矢量排序方案对系统共模电压的影响,提出一种优选的排序策略,进一步降低无序的矢量排列造成的共模电压尖峰。最后,在MATLAB/Simulink环境下搭建含多端口电流源的微网群仿真模型,并针对所提综合调制策略进行仿真分析,结果证明了该调制策略的可行性和对共模电压抑制的有效性。     

基于三矢量模型预测电流控制的共模电压抑制策略

针对永磁同步电机(PMSM)驱动系统中存在的共模电压高、电流脉动大的问题,提出将无零矢量调制(NSPWM)方法与三矢量模型预测电流控制算法结合进行控制。已有的单矢量模型共模电压抑制策略电压矢量方向固定,可选矢量范围有限,电流脉动仍较大。而三矢量模型预测电流控制共模电压抑制策略基于NSPWM在每个扇区利用3个非零矢量合成目标电压矢量,矢量范围覆盖广。结合无差拍电流控制,在实现共模电压抑制的同时,还能减小电流脉动,提高系统动态响应。通过仿真和试验验证了所提控制策略的有效性。     

一种具有中点电位平衡功能的三电平空间矢量调制方法及其实现

基于冗余电压矢量的不同处理,提出一种三电平空间电压矢量调制模式这种调制模式较之常见的八段对称式SVPWM具有明显的谐波和控制优势。为解决三电平逆变器中点波动问题,基于这种调制方法提出了一种新的中点电压平衡控制方法,推导了分配因子计算公式,这种方法只需直流电容电压和负载三相电流的信息,通过调整小矢量对的时间分配因子实现对中点电流的精确控制。控制算法简便易行,有利于计算机数字化实现。所提出控制方法的有效性通过仿真和实验研究得到了证实。     

无零矢量作用的逆变器结构仿真研究

文章在原有三相两电平的逆变器结构的直流母线上增加了两个开关管,使得共模电压在零矢量作用时得到了消减。同时在MATLAB/Simulink中搭建三相永磁同步电机（PMSM）矢量控制的仿真模型,基于此模型研究了无零序矢量脉宽控制（NZPWM）减少共模电压幅值的控制策略。通过不改变传统空间矢量脉宽调制（SVM）策略,构建了一种逆变器的拓扑结构使得零序矢量作用时无共模电压产生。结合理论与仿真分析,并与SVM比较,结果表明,NZPWM能够有效抑制共模电压幅值,但是线电压的谐波含量有所增加,定子电流、转矩、转速出现大的波动,改变逆变器拓扑的方式比NZPWM更好的抑制共模电压幅值,输出线电压的谐波含量也未增加且电机的电流、转矩、转速特性也未发生改变,研究表明这种结构能有效抑制共模电压且保持原有输出性能不变。     

大功率并联电流源变流器五电平特定谐波消除法

随着电压和功率等级的不断提高,并联电流源拓扑被广泛应用于中压大功率电流源系统的扩容.为解决并联电流源系统中直流桥臂电流不均衡和共模电压过高这2个问题,提出了一种应用于大功率并联电流源的五电平特定谐波消除(5L-SHE)调制方法,同时实现了直流桥臂电流的均衡控制和共模电压的抑制,并且保证了在较低开关频率下并网电流的电能质量.首先,按照脉宽调制(PWM)电流模长的不同将开关状态进行分类,并计算每个开关状态所对应的共模电压大小;其次,在分析冗余开关状态对直流桥臂电流均流影响的基础上建立了均流控制策略;再次,以共模电压较低的开关状态构建5L-SHE波形,并依据均流策略对冗余开关状态进行合理挑选.最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性.