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NPC三电平逆变器中点电位控制策略研究

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目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 三电平逆变器拓扑国内外研究现状

1.2.1 中点箝位型与飞跨电容型

1.2.2 级联型结构

1.2.3 其他型结构

1.3 三电平逆变器控制策略国内外研究

1.3.1 基本调制策略

1.3.2 中点电位平衡控制

1.3.3 非正常工况下的中点电位控制策略研究

1.4 本文的主要工作及内容安排

2 NPC三电平逆变器工作原理及中点电位影响因素

2.1 基本原理

2.1.1 工作模式

2.1.2 工作状态的转换

2.2.1 基本原理

2.2.2 矢量的归类以及分析

2.3 影响中点电位平衡的因素

2.4 本章小结

3 正常工况下中点电位平衡策略

3.1 变虚拟矢量控制

3.2 矢量定义

3.3 区间映射控制策略

3.3.1 区间映射

3.3.2 各矢量作用时间求取

3.3.3时间优化

3.3.4 区间的判断

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

4 开关故障情况下中点电位平衡控制

4.1 故障判别

4.1.1 第Ⅰ类开路故障分析

4.1.2 第Ⅱ类开路故障分析

4.1.3 故障判断

4.2 冗余开关预测控制策略

4.2.1冗余开关状态替换

4.2.2 预测控制

4.3 仿真分析

4.4 本章小结

5 实验验证及分析

5.1.1 电路硬件

5.1.2 DSP程序设计

5.2实验验证

5.2.1区间映射控制策略

5.2.2 冗余开关状态预测控制

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

附 录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致 谢

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摘要

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。

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