高压变频器谐波抑制措施的仿真研究

分析了PWM高压变频器谐波成分产生的机理和当变频器接上长输出电缆时对电机的影响。对6000V/2250kW电机的仿真研究发现,在24脉波整流/三电平逆变的高压变频器中,设置共模电抗器,并将整流器中性点、直流侧中间点、输出滤波器中性点和三电平逆变器箝位点相连,再通过小电阻和系统地连接的这一新型拓扑结构,可以有效地抑制谐波电压对高压变频器的不良影响。     

高压变频器输出电缆影响仿真研究

介绍脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)电压源型高压变频器接输出电缆的共模通路、漏电流通路的简化电路模型，详细地分析了输出电缆的电压反射机理和对电机的容性效应。为有效减少共模电压和输出电缆对高压变频器的不良影响，提出了一种LRC滤波器拓扑结构，给出了滤波器各个参数选取原则。并利用Matlab软件，在24脉波整流／三电平逆变的高压变频器驱动6kV／2250kW电机的拓扑结构中，对不同长度的输出电缆和该滤波器拓扑结构进行了仿真研究，给出了相应的仿真波形。     

SPWM死区对三电平高压变频器共模电压的影响

为了研究基于三电平中性点箝位(NPC)逆变器的高压变频器采用SPWM时死区设置对变频器输出共模电压的影响,利用双重Fourier法推导得逆变器不带吸收回路空载条件下采用SPWM调制策略时不同方式设置死区后逆变器输出共模电压的表达式,研究了逆变器带感性负载及开关器件带RC吸收回路条件下死区设置对逆变器输出电压及输出共模电压的影响。利用MATLAB对以上问题进行了仿真研究。对表达式分析得:逆变器不带吸收回路空载时,不论是否设置死区及以何种方式设置死区,逆变器输出共模电压均主要含有调制波3的奇数倍次谐波;逆变器带上RC吸收回路及感性负载时,单边设置死区时正方向的负载电流使输出电压减小,负方向的负载电流使输出电压增加,从而影响了逆变器输出的共模电压。仿真研究验证了以上分析结果。研究表明,当逆变器带上RC吸收回路及感性负载时,分析SPWM死区与变频器输出共模电压的数学关系较复杂。     

大功率变频器中的共模电压及其消除方法

由电网供电,输出到电机的三相中性点可浮动的变流器系统,在负载端往往存在共模电压。本文系统分析了交流调速常用的几种变频器拓扑结构,如两电平电压型、电流型和多电平变频器的共模电压问题,同时考虑了采用有源前端整流桥时的情况。文中分析了共模电压产生的原因,并对不同拓扑的共模电压幅值进行了仿真比较。最后,讨论了共模电压的影响及其减小方法。     

混合有源中性点箝位型七电平逆变器及其控制策略

为了减少开关器件数量、提高效率、降低逆变器体积,本文提出了一种新型混合有源中性点箝位型七电平逆变器拓扑。该逆变器的每相桥臂由一个T字型三电平拓扑和一个有源中性点箝位型三电平拓扑两部分组成,通过与有源中性点箝位型和层叠式多单元的七电平拓扑的对比,可以发现所提出七电平拓扑具有开关器件少、损耗低和控制策略简单等优点。首先对逆变器的电流传输路径及其工作模态进行了分析,阐述了七电平空间矢量调制的基本原理,使用选择冗余矢量的方法设计了可同时控制悬浮电容电压和中性点电压的综合控制器。最后使用搭建的仿真和实验平台,在不同调制度和功率因数条件下进行了仿真和实验研究,验证了所提出拓扑和控制策略的可行性与有效性。     

三相八开关逆变器的容错控制策略

针对中性点箝位型（NPC）三电平逆变器的容错拓扑及其控制问题,考虑逆变器发生功率器件断路故障情况以及故障前后空间矢量的变化,当故障发生时,将输出端子连接到直流链路的中性点,建立可容错三电平逆变器模型,实现开路故障下的容错控制。同时考虑逆变器直流侧中点性电压平衡问题,采用零序电压注入法,抑制了中性点电位的波动。仿真结果证明了该容错控制策略的可行性和有效性。     

注入3次谐波控制的共模电压分析

由于功率器件仅有2个开关状态,输出电压只能离散变化,造成中性点存在共模电压,对电机的运行产生负面效应。以传统两电平变频器和级联型高压变频器为例,分析了共模电压产生机理和3次谐波注入理论,在此基础上,分析注入3次谐波在提高直流电压利用率的同时,对输出共模电压造成的影响。经对比发现,共模电压新增加了3次谐波电压成分,当调制比取最大值时,共模电压中3次谐波电压幅值达到最大,加剧了共模电压对电机可靠运行的影响。通过Matlab仿真,验证了理论分析的正确性,并进一步说明了,对采用同相调制算法的变频器,注入3次谐波将导致共模电压增加。     

基于SVM的级联型高压变频器共模电压抑制研究

为消除级联型高压变频器输出共模电压,针对其特殊结构,提出左右桥臂组概念,并采用两电平SVM,将两参考矢量的相差调整为2π/3。由于级联型结构每层均能输出3种电平,可挑选共模电压为0的三电平矢量进行调制。该两种SVM通过错时采样技术,平滑应用于级联型高压变频器,并可完全抑制其共模电压。仿真和实验结果都证明了这两种SVM的有效性。     

高性能中高压三电平异步电动机矢量控制系统

二极管钳位型多电平变换器具有器件耐压要求低、输出谐波含量低、结构简单等优点,在高性能中高压变频调速系统中有着广阔的应用前景。为改善目前国内多电平变换器调速系统的性能,提出了一种基于三电平中性点箝位式逆变器的异步电动机矢量控制方案。系统中使用快速电流控制的间接转子磁通定向矢量控制模式,由磁通模型计算得到转子磁链幅值和位置角。逆变器控制采用基于60°坐标系的快速空间矢量脉宽调制算法,在矢量选取和作用时间计算方面十分简单。针对电机运行时有功功率的输出导致直流侧电容电压失衡的问题,通过检测电容电压和中性点电流方向来调整冗余矢量的作用时间,稳定中性点电位。仿真结果验证了该算法在三电平逆变器供电的异步电动机上有效地实现了矢量控制,并且具有很好的性能。     

交错并联反激式三电平逆变器

传统Flyback逆变器应用在高电压、大功率场合时常会存在电压应力过大等问题。为此,在传统反激逆变器拓扑中引入二极管箝位多电平技术,提出了一种交错并联反激式三电平逆变器。分析了该拓扑的工作原理,推导了输入与输出的关系,并分析了该逆变器的外特性,给出了电路中主要参数的计算方法。仿真和实验结果验证了所提拓扑的可行性。     

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,并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。     

带续流开关的中点箝位型非隔离光伏逆变器

为了满足非隔离光伏发电系统低漏电流的要求,提出了一种带续流开关的中点箝位型非隔离光伏逆变器。该拓扑在全桥逆变器的交流侧加入了一个续流开关,使得太阳能电池板输出端与电网断开,提高了非隔离光伏逆变器的转换效率。另一方面中点箝位电路的应用使得该拓扑在功率处理阶段和续流阶段的共模电压基本保持不变,降低了漏电流。详细分析了拓扑的工作原理,给出了其控制方法,并通过Saber仿真软件验证了带续流开关的中点箝位型非隔离光伏逆变器良好的共模特性。实验研制了一台300 W的原理样机验证了理论分析的正确性及仿真方案的可行性。     

二极管箝位三电平逆变器共模电压抑制技术

针对二极管箝位三电平逆变器,根据小矢量作用时中点电流与相电流方向,将小矢量分为正小矢量和负小矢量,提出一种不含正小矢量的脉宽调制矢量合成策略,将逆变器输出共模电压幅值由原来的1/3直流母线电压降低到1/6直流母线电压。将参与输出电压合成的负小矢量按照矢量合成关系分为过渡小矢量、附加小矢量1和附加小矢量2,并根据不同小矢量作用时对中点电压的控制能力推导出最优小矢量选择标准,实现对中点电压的有效控制。通过试验验证了纯电感负载和单位功率因数2种典型工况下共模电压抑制策略与中点电压控制策略的有效性。     

多电平SPWM变频器中共模电压抑制技术的研究

鉴于两电平变频器输出的共模电压只能依靠外接滤波器进行消除，研究了三电平PWM变频器中共模电压的抑制技术。利用三电平变频器的有效开关状态，分析了三电平变频器中产生共模电压的原因，得出奇数电平变频器可以通过软件的方法来抑制共模电压的结论。针对常用的变频器控制策略一SPWM，提出了降低和消除共模电压的改进策略，并用仿真结果验证了其正确性。文中还给出了不同的调制策略对电动机性能影响的比较，验证了所提策略的可用性。     

NPC三电平逆变器最优化虚拟电压矢量控制

三电平逆变器的中点电位不平衡不仅使开关管的电压应力增加,还会导致输出电流的谐波畸变率增高。因此,三电平逆变器的中点电位平衡控制一直是国内外学者的研究热点。以中点钳位型(NPC)三电平逆变器作为研究对象,提出了一种最优化虚拟电压矢量中点电位平衡控制方法。该方法首先以三电平逆变器固有的有限个离散电压矢量为基础,构造出连续的虚拟电压矢量。然后以参考电压和中点电位平衡为控制目标定义代价函数,此代价函数可以灵活方便地控制逆变器的综合性能。由最优化方法求解出使代价函数值最小的虚拟电压矢量,即为控制参考电压和中点电位平衡的全局最优解,此方法不仅可以保证输出电压有较好的跟踪效果,还具有较强的中点电位平衡能力和抗干扰能力。仿真和实验都对此进行了有效的证明。     

非隔离三电平电压型并网逆变器共模电流抑制策略

针对无变压器非隔离型三电平并网逆变器共模电流问题,详细分析了影响共模电流的主要因素。根据非隔离型三电平并网逆变器的共模等效结构模型,采用能消除共模电压的SPWM调制策略和改进LC滤波器方法,抑制共模电流。LC滤波器滤除寄生电容电压高频分量,改变了直流侧中点电位的平衡机理。改进的注入零序电压分量方法使中点电位得到有效控制。仿真验证了共模电流抑制策略的有效性。     

非隔离型三电平并网逆变器的输出滤波器优化设计

将非隔离型三电平并网逆变器的LCL滤波器电容公共点直接引回直流侧中点,可以有效减小漏电流,但同时也会导致桥臂电流有效值增大且易发生共模谐振,降低了逆变器效率和稳定性。对于诸如光伏并网发电场合,建立了非隔离型三电平并网逆变器的共模和差模等效模型,在此基础上分析上述问题的产生机理,并提出一种基于共模差模解耦的输出滤波器设计方案。该方案首先在结构上将滤波电容分为并联的两部分,仅将其中容值较小的电容公共点引回直流侧中点以降低共模和差模滤波回路之间的参数耦合程度;其次在分析逆变器桥臂电流纹波和输出共模源频谱分布的基础上,给出所提滤波器的参数设计原则。最后,通过一台5kW三相三电平逆变器样机对所提滤波器优化设计方案进行实验验证,结果表明所提方案在满足并网标准和漏电流抑制要求的同时,能够有效提高系统稳定性和效率。     

新型PWM逆变器输出无源滤波器的研究

研究了变频器在长线传输时产生的过电压问题，理论分析表明，电动机端过电压与PWM变频器采用的开关器件上升时间和PWM变频器与电动机之间的电缆长度密切相关：上升时间越短，电缆长度越长，电压反射现象越显著，过电压也越高。为消除PWM变频器长线传输时在电动机端产生的过电压等负面效应，提出了一种逆变器输出无源滤波器。实验研究验证了该滤波器能够将变频器输出的PWM电压滤成近似正弦波，从而有效地抑制电动机端的过电压。这种滤波器还可以有效降低共模电压。文中分析了这种滤波器的共模结构及其可以降低共模电压的原因，实验验证了设计思想的正确性。同一种结构的滤波器能够同时消除差模dv／dt和共模电压，减小了滤波器的体积和成本，结构简单，是一种消除逆变器输出负面效应的有效手段。     

非隔离型三电平逆变器漏电流抑制与中点电位平衡控制

针对中点钳位型三电平逆变器在光伏并网系统中存在的漏电流和中点电位不平衡的问题,文中对漏电流产生的机理和影响中点电位的因素进行了分析.针对已有调制策略存在的不足,在已有调制策略的基础上,对传统调制策略下的调制扇区进行重新划分,并在此基础上选择合适的开关序列,得到一种新型的大中小矢量调制策略.文中所提调制策略的共模电压变化幅值低、直流电压利用率高、输出电压的总谐波畸变率低,且能够对中点电位进行有效控制.最后,通过仿真和实验,将所提策略与传统调制策略在漏电流抑制和中点电位控制等方面进行对比,验证了所提调制策略的有效性.