Influence of switching sequences on the neutral point voltage balance in a three-level voltage source invertor

封面


如何引用文章

全文:

详细

BACKGROUND: Ensuring the voltage balance of the neutral point of the DC link within acceptable limits is one of the mandatory requirements during the operation of a three-level autonomous neutral point clamped voltage source inverter. It is known that neutral point voltage imbalance can adversely affect the operation of the inverter and the load at all, lead to the failure of both power switches and capacitors in the DC link. Neutral point voltage imbalance mostly often occurs due to the asymmetry of the nominal values of DC capacitors, inconsistent properties of switching devices, asymmetric three-phase load, and also due to the imperfection of the converter control algorithm.

AIMS: Selection of the optimal switching sequence that ensures the smallest deviation of the neutral point voltage and the number of switching of power switches in a three-level voltage source inverter.

METHODS: For an objective comparison of the considered switching sequences and their influence on the neutral point voltage balance, a simulation model of a three-level neutral point clamped voltage source inverter was developed in the MATLAB/Simulink software. To control this inverter, a space vector modulation method was used with three different switching sequences: five-segment, seven-segment and standard.

RESULTS: The topology of a three-level neutral point clamped voltage source inverter is presented. The experimental dependencies of the neutral point voltage deviation error was taken with a change in the modulation coefficient, the frequency of the fundamental harmonic at the inverter output, and load characteristics for three different switching sequences.

CONCLUSIONS: In this paper, the influence of the basic vectors and the influence of switching sequences on the neutral point voltage balance are studied. Combinations of states of large and zero basic vectors do not affect the neutral point voltage. For the medium basic vectors, the neutral point voltage can increase or decrease depending on the operating conditions of the inverter. The small basic vectors significantly affect the neutral point voltage. Considering the abovementioned, the seven-segment sequence that ensures both the optimal balance of the neutral point voltage and the level of switching losses should be considered as the best switching sequence for a three-level inverter.

作者简介

Alexander Shishkov

Moscow Polytechnic University

Email: shan1982@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9851-8745
SPIN 代码: 5099-9286
Scopus 作者 ID: 43861781400
Researcher ID: A-4517-2014

Cand. Sci. (Tech.), Head of the Electrical Equipment and Industrial Electronics Department

俄罗斯联邦, 38 Bolshaya Semenovskaya street, 107023 Moscow

Maxim Dudkin

South Ural State University (National Research University)

Email: dudkinmax@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4876-8775
SPIN 代码: 5703-3117
Scopus 作者 ID: 55755728100

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Electric Drives, Mechatronics and Electromechanics Department

俄罗斯联邦, 76, V.I. Lenin Ave., Ural Federal District, 454080 Chelyabinsk

Van Kan Le

Moscow Polytechnic University

编辑信件的主要联系方式.
Email: canhlv.mta@gmail.ru
ORCID iD: 0009-0007-5183-6077

Postgraduate of the Electrical Equipment and Industrial Electronics Department

俄罗斯联邦, 38 Bolshaya Semenovskaya street, 107023 Moscow

参考

  1. Gorozhankin AN, Dudkin MM. Algorithms and Control Systems for Electric Drives of Cold Pipe-Rolling Mills. Russian Electrical Engineering. 2020;91(7):440–446. doi: 10.3103/s1068371220070068
  2. Dudkin MM. Energy-saving technologies in test benches using single-phase reversible converters. Vestnik YuUrGU. Seriya «Energetika». 2013;13(1):5–18. (in Russ.)
  3. Khramshim RR, Khramshin TR, Khramshina EA, et al. Multilevel high-voltage frequency converter for electric drive. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2010:191-196. (in Russ.)
  4. Donskoy N, Ivanov A, Matison V, et al. Multilevel autonomous inverters for electric drive and electric power industry. Silovaya Elektronika. 2008;1:43-46. (in Russ.)
  5. Makarov VG, Khaybrakhmanov RN. Multilevel voltage inverters. Topology overview and application. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta. 2016;19(22):134-138. (in Russ.)
  6. Lazarev SA. Application of voltage inverters in high-voltage electric drive. Ekspozitsiya Neft Gaz. 2013:31-35. (in Russ.)
  7. Peddapelli SK. Pulse Width Modulation: Analysis and Performance in multilevel inverter. Oldenbourg: De Gruyter Oldenbourg; 2017.
  8. Holmes GD, Lipo TA. Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice. New York: Wiley-IEEE Press; 2003.
  9. Choi U-M, Lee K-B. Neutral-Point Voltage Balancing Method for Three-Level Inverter Systems with a Time-Offset Estimation Scheme. Journal of Power Electronics. 2013;13(2):243–249. doi: 10.6113/JPE.2013.13.2.243
  10. Abulveleev IR, Khramshin TR, Kornilov GP, et al. Principles of constructing vector pulse-width modulation for a three-level inverter. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy. 2016;4(33):72-77. (in Russ.)
  11. Busquets-Monge S, Bordonau J, Boroyevich D, et al. The nearest three virtual space vector PWM - a modulation for the comprehensive neutral-point balancing in the three-level NPC inverter. IEEE Power Electronics Letters. 2004. Vol. 2, N 1. doi: 10.1109/LPEL.2004.828445
  12. Gelman MV, Dudkin MM. Valve converters of direct and alternating current. Chelyabinsk: Izd. tsentr Yuzhno-Uralskogo gosudarstvennogo universiteta; 2013. (in Russ.)
  13. Lewicki A, Krzeminski Z, Abu-Rub H. Space-Vector Pulse width Modulation for Three-Level NPC Converter With the Neutral Point Voltage Control. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011;58(11):5076-5086. doi: 10.1109/TIE.2011.2119453
  14. Koyama M, Fujii T, Uchida R, et al. Space voltage vector-based new PWM method for large capacity three-level GTO inverter. In: Proceedings of the 1992 International Conference on Industrial Electronics, Control, Instrumentation, and Automation. San Diego: IEEE; 1992:271-276. doi: 10.1109/IECON.1992.254621.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Power circuit of the electric drive based on a three-level autonomous neutral point clamped voltage source inverter.

下载 (6KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Influence of neutral point current on voltage of a DC link.

下载 (4KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Influence of large and zero basic vectors on the neutral point voltage balance.

下载 (7KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Influence of medium basic vectors on the neutral point voltage balance.

下载 (3KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Influence of small basic vectors on the neutral point voltage balance.

下载 (17KB)
索引源数据
7. Рис. 6. Векторная диаграмма сектора 1 для 3У АИН с ФНТ.Fig. 6. Vector diagram of the sector 1 for a three-level autonomous neutral point clamped voltage source inverter.

下载 (28KB)
索引源数据
8. Fig. 7. The five-segment switching sequence for the sector 1.

下载 (5KB)
索引源数据
9. Fig. 8. The seven-segment switching sequence for the sector 1.

下载 (10KB)
索引源数据
10. Fig. 9. The standard switching sequence for the sector 1.

下载 (9KB)
索引源数据
11. Fig. 10. Time-domain diagrams of current i0 and voltages uCd1, uCd2 at the modulation coefficient μ = 0.8; f(1) = 50 Hz; cos φ = 0.8 for the five-segment (a), the seven-segment (b) and the standard (c) switching sequences.

下载 (241KB)
索引源数据
12. Fig. 11. Dependence of δuC.max on the coefficient μ at f(1) = 50 Hz, cos φ = 0.8 for the five-segment (1), the seven-segment (2) and the standard (3) switching sequences.

下载 (61KB)
索引源数据
13. Fig. 12. Dependence of δuC.max on the frequency f(1) at μ = 0.8, cos φ = 0.8 for the five-segment (1), the seven-segment (2) and the standard (3) switching sequences.

下载 (51KB)
索引源数据
14. Fig. 13. Dependence of δuC.max on cos φ at μ = 0.8, f(1) = 50 Hz for the five-segment (1), the seven-segment (2) and the standard (3) switching sequences.

下载 (44KB)
索引源数据

版权所有 © Eco-Vector, 2023

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0国际许可协议的许可。

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».