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具有改进功率因数范围和有源电容电压平衡的八开关三相三电平逆变器混合虚拟矢量调制
Hybrid Virtual Vector Modulation With Improved Power Factor Range and Active Capacitor Voltage Balancing for Eight-Switch Three-Phase Three-Level Inverter
| 作者 | Xiaojun Deng · Xiumei Yue · Hongliang Wang · Yang Jiang · Yibo Si · Di Kang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年6月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | 三电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 八开关三相三电平逆变器 混合虚拟空间矢量调制 功率因数范围 中性点电压控制 实验验证 |
语言:
中文摘要
随着光伏（PV）应用对低成本的需求，一种八开关三相三电平逆变器（TP - TLI）被提出。然而，采用先前提出的调制策略时，该逆变器只能在高功率因数（PF）条件下运行。本文提出了一种具有改进功率因数范围的混合虚拟空间矢量调制（HVSVM）方法，该方法包含三种具有不同功率因数范围和输出性能的基本虚拟空间矢量调制（VSVM）方法。这三种基本VSVM方法的功率因数范围的并集可以覆盖逆变运行的全范围。所提出的HVSVM方法不仅可以通过检测每个扇区内的三相电流极性自适应地切换这三种VSVM方法，还能尽可能保证输出质量。与先前提出的方法相比，所提出的HVSVM方法将功率因数角的运行范围从约[−30°，30°]扩展到[−90°，90°]，这极大地扩展了八开关TP - TLI的应用范围。此外，本文还针对HVSVM方法提出了一种使用统一中点电压控制（NPVC）模型的有源中点电压控制方法。该方法的亮点在于，在调制指数的全范围内，对于任意功率因数角，中点电压都可以被主动调节。所提出的策略通过一台3 kVA样机的实验结果得到了验证。
English Abstract
As the demand of low cost in photovoltaic (PV) applications, an eight-switch three-phase three-level inverter (TP-TLI) has been proposed. However, it can only operate under high power factor (PF) with the previously proposed modulation strategies. This article proposes a hybrid virtual space vector modulation (HVSVM) with improved PF range, which contains three basic VSVMs with different PF ranges and output performances. The union of PF ranges for these three basic VSVMs can cover the full range of inverting operation. The proposed HVSVM not only can adaptively switch these three VSVMs by detecting the polarities of three-phase current in each sector, but also guarantees the output quality as much as possible. Compared to the previously proposed methods, the proposed HVSVM expands the operation range of PF angle from about [−30°, 30°] to [−90°, 90°], which greatly expands the application range of the eight-switch TP-TLI. Moreover, an active neutral-point voltage control (NPVC) method using a unified NPVC model is also proposed for the HVSVM. The highlight of this method is the NPV can be actively adjusted for any PF angle over full range of modulation index. The proposed strategies are verified by experiment results with a 3-kVA prototype.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项八开关三相三电平逆变器的混合虚拟空间矢量调制技术具有显著的战略价值。该技术通过减少开关器件数量实现成本优化，直接契合光伏应用对经济性的核心需求，这对阳光电源在竞争激烈的分布式光伏和户用储能市场尤为重要。
技术突破主要体现在两个维度：首先，功率因数运行范围从±30°扩展至±90°，基本覆盖逆变运行全工况。这意味着该拓扑不再局限于高功率因数场景，可适应电网波动、无功补偿需求以及储能系统充放电等复杂工况，显著拓宽了八开关拓扑的应用边界。其次，提出的主动中性点电压控制方法在全调制度范围内有效，解决了三电平拓扑的固有难题，这对保障逆变器长期稳定运行和延长电容寿命至关重要。
从产品应用角度，该技术最适合集成到阳光电源的中小功率光伏逆变器（如户用及小型工商业系统）和储能变流器产品线中。相比传统十二开关方案，可降低15-20%的功率模块成本，同时保持三电平拓扑的低谐波、高效率优势。3kVA原型验证表明技术已具备工程化基础，但向20-50kW产品级应用迁移时，需重点关注高功率下的热管理、电磁兼容性以及复杂调制算法的DSP实时实现。
技术挑战在于低功率因数工况下的开关损耗优化和极端电网条件下的控制鲁棒性验证。建议阳光电源可将此技术作为下一代成本优化型逆变器平台的候选方案，优先在对成本敏感的新兴市场进行试点应用。