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npc三电平逆变器的开关管开路故障诊断

电源学报 2019年第5期17卷 65-72页

作者：苗贝贝沈艳霞江南大学物联网技术应用教育部工程研究中心

开关管故障诊断是三电平逆变器系统实现可靠运行的前提。针对二极管中点箝位型npc(neutral-poi-nt-clamped)三电平逆变器,提出了一种新颖的开关管开路故障诊断方法。选取开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征,在不同的... 详细信息

开关管故障诊断是三电平逆变器系统实现可靠运行的前提。针对二极管中点箝位型npc(neutral-poi-nt-clamped)三电平逆变器,提出了一种新颖的开关管开路故障诊断方法。选取开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征,在不同的电流流通路径下进行开路故障特征分析,实现对故障开关管地准确定位。实验验证了所提故障诊断方法的正确性和有效性,与其它开关管开路故障诊断方法相比,该方法不需要复杂的算法,具有诊断迅速、可靠性高的优点。

关键词： npc三电平逆变器开关状态负载相电流桥臂相电压故障诊断

npc三电平逆变器区间可调混合载波调制策略

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电工电能新技术 2022年第10期41卷 11-19页

作者：谷鑫黄文豪张国政金雪峰高效能电机系统智能设计与制造国家地方联合工程研究中心(天津工业大学) 天津300387

零序电压注入载波脉宽调制策略作用于中点钳位型(npc)三电平逆变器时可以有效解决全区间内的中点电压平衡问题,但随着调制度的增加或功率因数的降低,该策略将存在中点电压不可控区间导致中点电压平衡控制能力下降。当采用双调制波载波... 详细信息

零序电压注入载波脉宽调制策略作用于中点钳位型(npc)三电平逆变器时可以有效解决全区间内的中点电压平衡问题,但随着调制度的增加或功率因数的降低,该策略将存在中点电压不可控区间导致中点电压平衡控制能力下降。当采用双调制波载波脉宽调制策略时虽然可以有效降低中点电压的低频振荡,但是开关频率显著增加。为了解决这一矛盾,本文混合上述两种策略提出了一种区间可调混合载波调制策略,通过控制调整因数实现双调制波载波脉宽调制策略作用区间的调整,进而实现中点电压与开关频率的均衡控制。最后,在基于RT-LAB的快速原型开发平台上进行实验研究,验证提出策略的可行性与有效性。

关键词： npc三电平逆变器中点电压平衡区间可调

npc三电平逆变器中点电位波动及共模电压协同抑制策略

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NPC三电平逆变器中点电位波动及共模电压协同抑制策略

作者：戚银天津大学

学位级别：硕士

随着逆变器输出电压等级不断提高,传统两电平逆变器中开关器件所承受的电压应力增大,导致逆变器开关损耗增加,给器件选型带来一定困难。多电平逆变器不仅能有效降低开关器件的电压应力,同时还具有输出电流总谐波失真(THD)值低、电磁干扰... 详细信息

随着逆变器输出电压等级不断提高,传统两电平逆变器中开关器件所承受的电压应力增大,导致逆变器开关损耗增加,给器件选型带来一定困难。多电平逆变器不仅能有效降低开关器件的电压应力,同时还具有输出电流总谐波失真(THD)值低、电磁干扰(EMI)低等特性。二极管钳位型(npc)三电平逆变器作为多电平逆变器的典型代表具有器件少、控制简单等优点,广泛应用于工业领域。同时,npc三电平逆变器仍存在一定的缺陷,主要表现在以下两个方面:一方面,当npc三电平逆变器外接光伏阵列时,由于对地寄生电容的存在,共模电压会导致漏电流的产生,降低并网电能质量、存在人身安全隐患;当其外接电机时,共模电压过大易造成轴承损坏,缩短电机的使用寿命;另一方面,存在中点电位波动问题,中点电位波动过大会带来输出电流低次谐波含量增多、电压应力不均等问题。针对npc三电平逆变器存在的共模电压、中点电位波动等固有问题,在分析小矢量与大矢量对两者影响的基础上,提出了一种通过划分扇区并在不同扇区注入不同零序分量的反相位排列(POD)的调制方法,来实现对共模电压及中点电位波动的协同抑制。与传统基于正弦脉宽调制(SPWM)的PD调制方法、传统基于SPWM的POD调制方法与准PR电容电压闭环控制方法相比,在高调制度阶段本文所提方法可有效抑制共模电压及中点电位波动,同时提升线电流波形质量;在低调制度阶段本文所提方法可有效抑制共模电压,对中点电位波动影响不大,同时提升线电流质量。MATLAB/Simulink仿真和实验验证了本文所提方法的有效性与可行性。

关键词： npc三电平逆变器 POD调制方法共模电压中点电位波动

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npc三电平逆变器中点电位控制策略研究

NPC三电平逆变器中点电位控制策略研究

作者：朱卫君重庆大学

学位级别：硕士

在多电平变换器结构中,三电平变换器因其成本低、输出电流畸变小等优点,广泛地应用在中高压大功率场合。中点箝位型(npc)三电平逆变器更是因其拓扑结构、控制策略简单,成为一个热门研究方向。但是,npc三电平逆变器由于其自身拓扑结构特... 详细信息

在多电平变换器结构中,三电平变换器因其成本低、输出电流畸变小等优点,广泛地应用在中高压大功率场合。中点箝位型(npc)三电平逆变器更是因其拓扑结构、控制策略简单,成为一个热门研究方向。但是,npc三电平逆变器由于其自身拓扑结构特点,存在直流侧电容分压不均的问题。对此,本文以npc三电平逆变器为研究对象,提出相应的控制策略解决该问题,具体研究如下:本文首先介绍了npc三电平逆变器的拓扑及其工作方式,并分析了各种空间电压矢量与影响中点电位平衡的主要因素。正负小矢量对中点电位产生相反的影响,而中矢量对中点电位的影响则需要根据电流方向进行判断,这是论文控制策略研究的理论支撑。虚拟矢量控制不能在全调制比范围内调节中点电位平衡并且不能有效利用中矢量,而变虚拟矢量控制则存在设置的矢量合成比例是否合理与阈值固化等问题。本文则提出了区间映射控制策略,充分利用了小矢量和中矢量对中点电位的影响实现在全调制比范围内对中点电位的控制;采用区间映射的方式推导出了新的矢量合成规则;利用中矢量对中点电位的影响,对矢量作用时间进行优化,解决了变量过多造成的计算复杂等问题。与变虚拟矢量控制策略相比,区间映射策略不需要设置阈值和矢量的合成比例,并且控制速度更快、具有很好的适应性。通过对比仿真实验,验证了该策略的有效性。针对逆变器开关管出现开路故障时,区间映射控制无法调节中点电位平衡的问题,本文提出了冗余开关状态预测控制策略。首先是对开关故障的波形进行分析,判断电路出现故障的开关状态;采用冗余开关状态的方式,用等效的矢量替代因开关故障不能产生的电压矢量;同时采用预测控制来抑制中点电位的波动。通过确定故障情形下的电容电压模型与矢量合成方式,构建代价函数来求解各矢量的作用时间,达到同时跟踪目标参考矢量和抑制中点电位波动的目的。仿真表明,该策略能够在开关故障情况下控制中点电位平衡,该策略具有一定的容错和中点电位控制性能。最后,搭建了npc三电平实验平台对本文提出的控制策略进行验证。实验结果表明,本文提出的区间映射控制策略相比变虚拟矢量控制具有更快控制速度;冗余开关状态预测控制则能够在开关管发生开路故障时具有一定的中点电位控制能力。

关键词： npc三电平逆变器中点电位开路故障空间矢量

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npc三电平逆变器调制策略研究

NPC三电平逆变器调制策略研究

作者：韦志鹏湖南工业大学

学位级别：硕士

随着我国经济和科技的进步,逆变器在交流变频调速系统的运用成为热门的研究领域。多电平逆变器对器件的耐压水平要求不高、却有着高的开关频率、波形平滑等等优点。而二极管箝位型(npc)三电平逆变器相对于其他逆变器所表现出来的显著优... 详细信息

随着我国经济和科技的进步,逆变器在交流变频调速系统的运用成为热门的研究领域。多电平逆变器对器件的耐压水平要求不高、却有着高的开关频率、波形平滑等等优点。而二极管箝位型(npc)三电平逆变器相对于其他逆变器所表现出来的显著优点,使之逐渐成为人们的研究热点,已经普遍的运用于众多大容量传动场合。首先,本文通过参考国内外相关文献、期刊,研究了多电平逆变器的研究背景和当前的发展现状,以及留存的主要问题。同时,对二极管箝位型三电平逆变器的拓扑结构以及其主电路的工作原理做了介绍和分析,并建立了npc三电平逆变器相应的数学模型。其次,对多电平逆变器的调制策略进行了分析,并基于npc三电平逆变器,推导了SVPWM算法。针对npc三电平逆变器在运行过程存在的中点电位不平衡问题进行了研究,分析了造成中点电位波动的机理和VSVPWM调制策略,并针对VSVPWM调制策略计算复杂、器件开关损耗较高两个问题,提出了一种三维空间矢量(3 D-SVPWM)与虚拟空间矢量脉宽调制结合的混合调制方法。最后,搭建Simulink平台,利用MATLAB软件分别对混合调制方法和虚拟空间矢量脉宽调制方法建立了三电平逆变器的仿真模型。仿真结果表明,提出的混合调制方法对中点电位的平衡可以有效控制,并在一定程度上减小了逆变器开关器件的损耗,验证所提算法的正确性。

关键词： npc三电平逆变器空间电压矢量调制虚拟空间矢量脉宽调制策略中点电位平衡混合调制方法

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npc三电平逆变器的中点电位平衡研究

NPC三电平逆变器的中点电位平衡研究

作者：王俊鹏山东科技大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的发展,多电平逆变器逐渐发展成为实现中高压大容量功率变换的首要选择。在多电平逆变器多样化的拓扑结构中,二极管箝位型(npc)三电平逆变器因其器件耐压要求低、等效开关频率高、输出波形好等优点得到了广泛的应用。但... 详细信息

随着电力电子技术的发展,多电平逆变器逐渐发展成为实现中高压大容量功率变换的首要选择。在多电平逆变器多样化的拓扑结构中,二极管箝位型(npc)三电平逆变器因其器件耐压要求低、等效开关频率高、输出波形好等优点得到了广泛的应用。但npc三电平逆变器自身存在中点电位不平衡的问题,会带来输出电压波形失真严重、开关器件寿命缩短等不良影响。本文以npc型三电平逆变器为研究对象,采用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)方法作为npc三电平逆变器的控制方法,进行理论分析和仿真研究。首先本文介绍了常见的多电平逆变器拓扑结构及各自的优缺点,阐述了 npc三电平逆变器的工作原理及特点;其次,分析了 SVPWM算法的原理,针对传统SVPWM算法中存在的扇区判断与矢量作用时间计算量大的缺陷,本文采用60°坐标系下的SVPWM算法,可有效减少三角函数计算,提高系统运算速度;然后,针对中点电位不平衡的原因及不良影响做了详尽分析,并分别介绍一种硬件和两种软件控制方法。硬件控制方法是通过改变三电平逆变器电路结构达到抑制中点电压波动的目的。软件控制方法中的一种是通过合理分配正负小矢量作用时间起到控制中点电位平衡的作用;另一种是利用中小矢量构建虚拟空间矢量,使中小矢量都参与对中点电压的控制,以取得更好的控制效果。在MATLAB/Simulink仿真环境中,对三电平逆变器SVPWM调制方法与中点电位平衡的控制方法建立仿真模型,在不同仿真条件下得到逆变器输出电压波形和中点电压波形。并采用TMS320F28335型DSP为控制核心搭建三电平逆变器控制系统硬件实验平台,进行实验。通过仿真与硬件实验验证本文采用的控制方法的正确性与有效性。

关键词： npc三电平逆变器中点电位 SVPWM 60°坐标系 DSP

npc三电平逆变器中点电位与输出电压平衡控制研究

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NPC三电平逆变器中点电位与输出电压平衡控制研究

作者：汪洋安徽大学

学位级别：硕士

中点箝位型(Neutral Point Clamped—npc)三电平逆变器具有结构简单、大容量、输出电压谐波含量低以及开关管电压应力低等优点,逐渐成为光伏发电并网、中高压交流传动等场合首选的电力电子变换装置。然而随着功率等级的增加,使得对三电... 详细信息

中点箝位型(Neutral Point Clamped—npc)三电平逆变器具有结构简单、大容量、输出电压谐波含量低以及开关管电压应力低等优点,逐渐成为光伏发电并网、中高压交流传动等场合首选的电力电子变换装置。然而随着功率等级的增加,使得对三电平逆变器输出效率和电压质量的要求越来越高。本文以npc三电平逆变器为研究载体,详细研究内容如下:***三电平逆变器因其自身结构存在中点电位偏移问题,而中点电位维持在直流电源的一半,不仅能够降低功率器件的电压应力,还降低输出电压中谐波含量,对保证逆变器正常运行具有非常重要意义。文中采用基于参考矢量分解的三电平空间矢量调制,解决传统方法实现复杂的问题,降低谐波含量,并与中点电位控制结合。针对滞环控制中点电位存在控制精度不高问题,在此基础上与基于电荷守恒的精确控制相结合,在两者之间构造切换函数,解决了中点电位的偏移和波动问题。***三电平逆变器输出电压质量不仅受自身中点电位影响,也与所接三相负载有关,本文针对最常见的不平衡负载导致输出电压不平衡问题进行研究。首先建立三电平逆变器数学模型,并根据模型设计了PI控制器参数。然后分析了双闭环PI控制无法控制不平衡负载下输出电压的原因,据此介绍了基于双同步旋转坐标系下的传统电压控制策略,但该策略存在延时和误差,并且对谐波抑制能力不强。而根据内模原理,重复控制器相较于PI控制器具有更好地抑制谐波能力,与PI控制器结合提高控制器动态性能。但由于重复控制器设计时受到系统稳定性影响,导致其在谐振频率处的增益不够大,影响不平衡负载下输出电压的控制。在此基础上引入谐振控制器,提高系统在谐振频率处的增益。最后对所提控制策略进行了仿真对比分析。3.搭建基于dSPACE的npc三电平逆变器实验样机,包括对主功率电路、驱动电路以及采样调理电路等的调试和设计,并在实验平台验证本文所提控制策略的可行性。

关键词： npc三电平逆变器空间矢量调制中点电位不平衡负载输出电压

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npc三电平逆变器中点电压平衡研究

NPC三电平逆变器中点电压平衡研究

作者：贾万水湖南工业大学

学位级别：硕士

中点箝位型三电平逆变器(npc)已广泛应用于高压大功率传输、新能源发电、电网质量控制等领域。针对该逆变器存在直流母线中点电压不平衡这一问题,提出了两种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的改进方法。首先介绍了最近三矢量调制策略(NTV)... 详细信息

中点箝位型三电平逆变器(npc)已广泛应用于高压大功率传输、新能源发电、电网质量控制等领域。针对该逆变器存在直流母线中点电压不平衡这一问题,提出了两种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的改进方法。首先介绍了最近三矢量调制策略(NTV),其优点是实现容易、控制简单,但此策略基本矢量作用时间固定、不可动态调节,控制中点电压平衡的能力较弱,因此提出一种改进型NTV调制策略,即通过比较上、下电容电压差值得到输出K,进而动态调节冗余小矢量的作用时间。仿真结果表明改进型NTV调制提升了静态、动态工况下控制中点电压的能力。其次,为了解决NTV调制控制盲区的问题,通过引入虚拟空间矢量调制策略(NTV),实现了无盲区控制,但NTV调制会使npc三电平逆变器产生较大的共模电压(CMV),为此提出一种改进型NTV调制策略,即选取共模电压较小的基本矢量用于合成虚拟矢量,降低系统共模电压的同时还减小了开关状态切换次数。仿真结果表明改进型NTV调制策略产生的共模电压仅为传统调制策略的一半,并且还能提升中点电压平衡速度50%。最后,利用RT-LAB实验平台对所提两种改进型调制进行了相关实验验证,实验结果表明:(1)改进型NTV调制对中点电压的控制精度以及控制能力优于传统调制;(2)改进型NTV调制在抑制共模电压及提升中点电压平衡速度方面优于传统调制。

关键词： npc三电平逆变器中点电压平衡改进型最近三矢量调制策略改进型虚拟空间矢量调制策略

npc三电平逆变器驱动永磁同步电机模型预测控制研究

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NPC三电平逆变器驱动永磁同步电机模型预测控制研究

作者：刘川泽兰州交通大学

学位级别：硕士

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）具有体积小、重量轻、功率密度高和运行可靠等优点,近些年被广泛应用于新能源汽车、石油化工和航空航天等诸多领域。在PMSM的控制系统中,矢量控制和直接转矩控制是两种传统主... 详细信息

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）具有体积小、重量轻、功率密度高和运行可靠等优点,近些年被广泛应用于新能源汽车、石油化工和航空航天等诸多领域。在PMSM的控制系统中,矢量控制和直接转矩控制是两种传统主流控制策略。随着PMSM对控制系统的快速性和鲁棒性要求越来越高,这两种传统控制技术已很难满足复杂的控制要求。有限集模型预测控制（Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC）凭借结构设计简单、动态性能好和易于处理非线性、多约束等问题的特点,近些年成为电机控制领域的研究热点。在电力电子与电力传动领域的快速发展下,传统两电平逆变器在大容量交流调速系统的应用会受到诸多限制。多电平逆变器因其具有输出波形好、谐波含量低、电压跳变和开关损耗小等特点,非常适合在大容量交流调速系统中使用。在多电平逆变器多样化的拓扑结构中,二极管钳位型（Neutral Point Clamped,npc）三电平逆变器具有电平数适中、控制简单等优点得到了广泛的应用。因此本文采用npc三电平逆变器驱动PMSM的模型预测控制系统进行分析研究。本文主要研究内容如下:（1）介绍了PMSM基本结构,基于坐标变换理论建立不同坐标系下PMSM的数学模型,并对npc三电平逆变器和模型预测控制的基本原理进行分析和讨论,为本文研究提供理论基础。（2）针对npc三电平逆变器驱动PMSM模型预测转矩控制（Model Predictive Torque Control,MPTC）系统存在计算量大的问题,提出了一种基于无差拍控制的MPTC改进策略。通过电磁转矩与定子磁链的无差拍方法,直接估算单个控制周期内所需电压矢量,通过扇区细分对矢量选取进行优化,从而减少系统运算量;与此同时,在目标函数中引入中点电压约束项,以实现中点电压平衡控制。（3）为进一步改善系统控制性能,设计基于锁相环（Phase Locked Loop,PLL）技术的超螺旋算法（Super-twisting Algorithm,STA）滑模观测器PMSM的模型预测电流控制（Model Predictive Current Control,MPCC）系统,实现对PMSM系统的无传感器控制。

关键词： npc三电平逆变器永磁同步电机模型预测控制超螺旋滑模观测器