NPC三电平逆变器电容电压平衡与开关频率优化策略

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NPC三电平逆变器具有开关频率低、输出电压谐波含量少、功率开关管上电压应力低等优点,成为目前中高压交流领域应用最广泛的多电平变换器。然而,由于NPC三电平逆变器直流侧使用两电容进行分压,工作中易产生电容电压不平衡的问题,进而影响逆变系统的稳定运行及输出性能。牵引逆变器是牵引机车交-直-交变流系统的重要组成部分,随着大功率、高速度运输工具的发展需要,传统的两电平系统渐渐不能满足要求,多电平逆变器成为研究的热点问题。牵引系统在低速运行时,一般采用异步空间矢量调制策略,同时要求开关频率低于1kHz,这使得需要较高开关频率以达到完全控制电容电压平衡的调制策略不再适用。在这种情况下,只能尽量削弱电容电压的不平衡状态。  针对这一问题,本文根据中点电流能否控制为零,将控制区域分为可控区域和不可控区域,在可控区域将中点电流控制为零,在不可控区域将中点电流的绝对值控制为最小。在此基础上,对于需要同时使用两个小矢量的可控区域,由于根据小矢量控制中点电流的能力大小舍弃了一个冗余开关状态,使得在这些可控区域中点电流也并不能完全控制为零,此时若采用控制中点电流为零的策略可能会增大电容电压的不平衡。为此,本文通过判断小矢量占空比分配因子是否在其取值范围内,对控制区域进行修正。将占空比分配因子不在其取值范围内,即对中点电流实际并不能控制为零的可控区域实施中点电流绝对值最小控制,以达到尽量减小电容电压不平衡的目的。同时在不同区域选用不同调制策略时,为满足降低开关频率的要求,将不同开关序列切换时的开关次数降到最少,并对开关次数较多的开关序列进行优化。  本文首先对3种传统空间矢量调制策略进行分析,利用Matlab/Simulink仿真平台对其电容电压平衡控制效果及产生的开关频率进行对比,进而提出了最小中点电流调制策略,并给出了进一步优化开关频率的方法。最后,针对传统调制策略及本文提出的最小中点电流调制策略进行了对比实验验证,结果证明了所提出的调制策略能够更加有效地控制电容电压平衡和降低开关频率,同时可以输出波形质量较高的电流和电压,且在不同调制度下都能达到良好的控制效果。
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