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电动汽车驱动 多电平 ★ 5.0

具有连续输入电流的改进型跨阻抗源有源中点箝位多电平逆变器用于感应电机驱动

Improved Trans-Z-Source Active-Neutral-Point-Clamped Multilevel Inverter With Continuous Input Current for Induction Motor Drives

作者 Lallu Mol K Johny · Jaison Mathew · K. Gopakumar
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年7月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 多电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 Trans - ZSI 多电平输出电压 功率因数 连续输入电流 简单升压控制
语言:

中文摘要

Z源逆变器(ZSI)是近年来用于实现具有升压直流母线电压的单级功率转换的解决方案。采用耦合电感的Trans - ZSI允许在较低直通占空比的情况下实现高升压。尽管具有诸多优势,但由于电流断续导通模式,这些转换器在低功率因数时表现不佳,这在轻载电机驱动等应用中是一个主要问题。本文的目标是开发一种具有多电平输出电压的改进型Trans - ZSI,使其无论负载功率因数如何都能良好运行。所提出的拓扑结构具有连续的输入电流、较低的输入电流纹波,并且阻抗网络中存在有源开关,允许电流双向流动。此外,通过调整耦合电感匝数比、直通时间和调制指数,可以灵活控制输出电压。部分直通状态允许采用最近三矢量开关来获得多电平输出电压并降低 $dv/dt$。输出级保留了有源中性点钳位(ANPC)逆变器的所有优点。本文介绍了其工作原理、分析方法以及一种用于电容平衡的基于载波的空间矢量脉宽调制(CSVPWM)的“简单升压控制”方案。给出了三相、3马力、220伏、1440转/分、V/f控制的感应电机驱动的仿真和硬件实验结果,以验证所提出的方案。

English Abstract

Z-source inverters (ZSIs) are recent solutions for single-stage power conversion with boosted dc rail voltage. Trans-ZSI, employing a coupled inductor, allows high boost with lower shoot-through duty ratio. Albeit the several advantages, these converters exhibit unsatisfactory performance at low power factor due to discontinuous current conduction modes—a major concern in applications like motor drives at light loads. The objective of this article is to develop an improved Trans-ZSI with multilevel output voltage that performs well irrespective of load power factor. The proposed topology has continuous input current, low input current ripple, and the presence of active switches in the impedance network allows bidirectional current flow. Also, there is output voltage control flexibility by adjusting the coupled inductor turns ratio, shoot-through time, and modulation index. Partial shoot-through states allow nearest three vector switching for obtaining multilevel output voltage and reduced dv/dt. The output stage retains all the advantages of active-neutral-point-clamped (ANPC) inverter. Operating principles, analysis and a ‘simple boost control’ with carrier-based space vector pulse width modulation (CSVPWM) scheme for capacitor balancing are presented. Simulation and hardware results on three-phase, 3 HP, 220 V, 1440 rpm, V/f-controlled induction motor drives are presented to validate the proposed scheme.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项改进型Trans-Z-Source ANPC多电平逆变器技术具有显著的应用价值。该技术通过耦合电感实现高升压比的同时降低直通占空比,并解决了传统Z源逆变器在低功率因数下输入电流断续的关键问题,这对我司在光伏发电系统和储能变流器领域具有重要意义。

在光伏逆变器应用方面,该技术的连续输入电流特性能够优化MPPT性能,减少光伏组件侧的电流纹波,提升系统效率和组件寿命。多电平输出降低了dv/dt,可有效减少EMI滤波器体积,这对于我司追求高功率密度的1500V光伏系统具有直接价值。其单级升压架构简化了拓扑结构,有助于降低系统成本和提高可靠性。

在储能变流器领域,该技术的双向电流能力与我司PCS产品需求高度契合。阻抗网络中的有源开关配置支持能量双向流动,适用于电池储能系统的充放电控制。低功率因数下的良好性能表现,对于电网辅助服务中的无功补偿功能尤为重要。

然而,技术应用仍面临挑战:耦合电感的设计和制造需要专门工艺,可能增加成本;ANPC拓扑的控制复杂度较高,需要成熟的CSVPWM算法和电容平衡策略;论文仅验证了3HP电机驱动,向MW级大功率应用扩展需要进一步研究。建议我司技术团队重点关注该技术在组串式逆变器和中小功率储能系统中的适配性,评估其与现有SiC/GaN宽禁带器件结合的可能性,以实现更高的系统集成度和转换效率。