独立直流母线双三电平中点嵌位式开绕组零序注入调制策略-北极星输配电网

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研究背景

现代大功率的变频调速系统中，传统两电平变流器已经无法满足现有中高电压等级应用需求，多电平变流器在实现更高电压等级的同时可以提升输出电能质量、降低器件开关损耗并改善系统电磁干扰。因此针对大功率多电平变流器的研究已成为电力电子领域发展的热点话题。针对多种多电平拓扑选取双三电平中点嵌位式(Dual-3L-NPC)串联的开绕组拓扑展开研究，通过将电机定子的中性点打开，分别接至2组3L-NPC变流器，实现2组NPC变流器的串联并提升系统电平数。相比于其他应用的多电平拓扑，Dual-3L-NPC串联的开绕组拓扑具有以下优势：1）同单3L-NPC拓扑相比，Dual-3L-NPC串联的开绕组拓扑开关器件的数量多一倍，但单体器件承受的电压等级降低了一倍。同时提供了更多的相电压电平数，在相同开关频率下输出电压更接近正弦波，较好地解决因开关频率提升而增加的开关损耗与因开关频率下降而增加的输出谐波之间的矛盾，适用于开关频率低、输出谐波小的中压大功率变换装置。2）同H桥级联结构相比，输出电压相同电平数条件下，在设备初始成本和变流器体积上，Dual-3L-NPC开绕组拓扑更有优势；同单供电5L-NPC相比，Dual-3L-NPC开绕组拓扑箝位二极管的数量大幅减少，同时只需控制1组中点和2组独立中点的电压平衡问题，控制策略上更为简单。3）开绕组拓扑结构具备良好的容错能力。当一组变流器因故障切除工作时，系统仍然可以维持单边运行，此时电机电流不变，电压降低一半，处于半额运行状态，适用于故障率较高且需保障安全性能的场合，如矿井提升、传送带等。目前适合于Dual-3L-NPC开绕组拓扑的调制策略主要包括空间矢量脉宽调制(SVPWM)和基于零序注入的正弦脉宽调制(SPWM)2种。对于Dual-3L-NPC开绕组拓扑结构，SVPWM体现出一定的弊端。当2组直流母线电压相同时，其等效为五电平变流器空间矢量分布，共有61个基本矢量，每相桥臂都可以实现3种工作状态，故共有729种开关组合，所以在采用SVPWM调制时需要复杂的扇区判断和开关序列选择。同时对于共直流母线开绕组拓扑的电机驱动中，往往开绕组电机本身包含有3次谐波电压，为了抑制电机零序电流，需要变流器的调制波注入等量的零序电压来补偿电机自身的零序电压，而SVPWM更多体现出线电压的调制关系，无法反映和实现零序电压的注入。

主要创新点

针对Dual-3L-NPC拓扑的特殊结构和SVPWM调制存在的困难，本文提出一种基于单相零序电压和三相零序电压联合注入的调制方式，可以满足最近三矢量和损耗最优的控制目标，同时其实现简单，大幅降低了调制策略的复杂程度。

解决的问题及意义

本文主要进行了独立直流母线Dual-3L-NPC开绕组结构调制策略的研究，提出了单相零序电压注入的概念，保证合成参考矢量空间位置不变的同时可以灵活地调整不同控制目标下调制策略。由于不需要扇区划分和矢量分解，实现形式更为简单，程序占有量更低。通过单相零序电压和三相零序电压的联合注入，实现了最近三矢量调制策略，提升了等效输出电压开关频率和输出波形质量；实现了损耗最优为目标的调制策略，尽可能保证电流幅值最大相对应桥臂开关不动作，降低变流器损耗。

后续研究

下一步针对直流母线电压不一致情况下的调制策略展开研究。

主要图表

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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