A three-level inverter is widely used thanks to its excellent performances, but the voltage may fluctuate at the neutral point of the split DC-Link. Neutral point voltage fluctuations cause inverter performance degradation and switching element damage, so the neutral point voltage control is essential. However, the neutral point control can be also limited by modulation index and power factor. This paper analyzes the limitation of the neutral point voltage control due to the limitation of zero-sequence voltage, and suggests a method to determine the region where the PWM has to be changed for a better neutral point control.
In this paper, we applied a three-level T-type inverter with the one more voltage level than two-level inverter. However, the three-level T-type inverter has a systematic problem with voltage unbalances. So neutral point control is essential. Therefore, the voltage unbalance problem of the three - phase inverter was confirmed to be controlled within 5V using the neutral point control algorithm in charge and discharge mode. In addition, total harmonic distortion was reduced in three phases (u phase, v phase, w phase) when neutral point control was performed in charging mode and also in three phases (u phase, v phase, w phase) in discharge mode. In this paper suggests a neutral point control algorithm to solve the voltage unbalance of a three-level T-type inverter, and shows the improvement of the performance of the proposed algorithm through experiment.
This study introduces an analysis and control method for the variation of neutral point current in a grid-tied three-level neutral point clamped (NPC) converter under various grid imbalance operating conditions. Various fault cases with unbalanced amplitude and phase are systematically categorized and described using a unified metric called the imbalance factor. The fundamental component of neutral point current is generated under grid imbalance cases. The pattern and behavior of this fundamental component of neutral point current highly depend on the imbalance factor regardless of the particular type of grid fault cases. The control scheme for regulating the negative sequential component of AC input current effectively reduces the size of the fundamental component of neutral point current under a wide range of grid imbalance cases. The control scheme will enable a grid-tied three-level NPC converter to operate reliably and stably under various types of grid faults.
In order to suppress the low frequency oscillation of the neutral-point voltage for three-level inverters, this paper proposes a new discontinuous pulse width modulation (DPWM) control method. The conventional sinusoidal pulse width modulation (SPWM) control has no effect on balancing the neutral-point voltage. Based on the basic control principle of DPWM, the relationship between the reference space voltage vector and the neutral-point current is analyzed. The proposed method suppresses the low frequency oscillation of the neutral-point voltage by keeping the switches of a certain phase no switching in one carrier cycle. So the operating time of the positive and negative small vectors is equal. Comparing with the conventional SPWM control method, the proposed DPWM control method suppresses the low frequency oscillation of the neutral-point voltage, decreases the output waveform harmonics, and increases both the output waveform quality and the system efficiency. An experiment has been realized by a neutral-point clamped (NPC) three-level inverter prototype based on STM32F407-CPLD. The experimental results verify the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed DPWM method.
A novel algorithm is proposed to regulate the neutral point potential in neutral point clamped three-level inverters. Oscillations of the neutral point potential and an unbalanced dc-link voltage cause distortions of the output voltage. Large capacitors, which make the application costly and bulky, are needed to eliminate oscillations. Thus, the algorithm proposed in this paper utilizes the finite-control-set model predictive control and the multistage medium vector to solve these issues. The proposed strategy consists of a two-step prediction and a cost function to evaluate the selected multistage medium vector. Unlike the virtual vector method, the multistage medium vector is a mixture of the virtual vector and the original vector. In addition, its amplitude is variable. The neutral point current generated by it can be used to adjust the neutral point potential. When compared with the virtual vector method, the multistage medium vector contributes to decreasing the regulation time when the modulation index is high. The vectors are rearranged to cope with the variable switching frequency of the model predictive control. Simulation and experimental results verify the validity of the proposed strategy.
This paper presents a neutral point deviation compensating control algorithm applied to a 3-level NPC converter. The neutral point deviation is analyzed with a focus on the current flowing out of or into the neutral point of the dc link. Based on the zero sequence components of the reference voltages, this paper analyzes the neutral point deviation and balancing control for 3-level NPC converter. An analytical method is proposed to calculate the injected zero sequence voltage for NP balancing based on average neutral current. This paper also proposes a control scheme compensating for the neutral point deviation under generalized unbalanced grid operating conditions. The positive and negative sequence components of the pole voltages and ac input currents are employed to accurately explain the behavior of 3-level NPC converter. Simulation and experimental results for a test set up of 30kW are shown to verify the validity of the proposed algorithm.
Three-level diode clamped multilevel inverter, generally known as neutral point clamped (NPC) inverter, has an inherent problem causing neutral point (NP) potential variation. Until now, the NP potential problem of variation has been investigated and lots of solutions have also been proposed. This paper presents a neutral point voltage control technology using the anti-windup PI controller and offset technology of PWM (Pulse Width Modulation) to control the variation of NPC 3-phase three-level inverter neutral point voltage. And the proposed algorithm is tested and verified using a PLL (Phase Locked Loop) in order to synchronize the phase voltage from the line voltage of grid. It significantly improves the voltage balancing under a solar fluctuation conditions of the inverter. Experimental results show the good performance and effectiveness of the proposed method.
This paper presents a neutral point deviation and ripple compensation control method for application to 3-level NPC converters. The neutral point deviation and its harmonic components are analyzed with a focus on the average current flowing through the neutral point of the dc-link. This paper also proposes a control scheme to compensate for the neutral point deviation and dominant harmonic components under generalized unbalanced grid operating conditions. The positive and negative sequence components of the pole voltages and ac input currents are employed to accurately explain the behavior of 3-level NPC converters. Simulation and experimental results are presented to verify the validity of the proposed method.
In recent years, multilevel technology has become an effective and practical solution in the field of moderate and high voltage applications. This paper discusses an APF with a three-level NPC inverter. Obviously, the application of such converter to APFs is hindered by the problem of the voltage unbalance of DC capacitors, which leads to system instability. This paper comprehensively analyzes the theoretical limitations of the neutral-point voltage balancing problem for tracking different harmonic currents utilizing current switching functions from the space vector PWM (SVPWM) point of view. The fluctuation of the neutral point caused by the load currents of certain order harmonic frequency is reported and quantified. Furthermore, this paper presents a close-loop digital control algorithm of the DC voltage for this APF. A PI controller regulates the DC voltage in the outer-loop controller. In the current-loop controller, this paper proposes a simple neutral-point voltage control method. The neutral-point voltage imbalance is restrained by selecting small vectors that will move the neutral-point voltage in the direction opposite the direction of the unbalance. The experiment results illustrate that the performance of the proposed approach is satisfactory.
For the high power variable speed applications, the DCTLI(diode clamped three-level inverter) have been widely used. This paper describes the analysis of the neutral point current of the DCTLI and the improved space vector-based PWM strategy considering the switching frequency of power devices, that minimizes the fluctuation of the neutral point current in spite of high modulation index region and low power factor. It contributes to decrease the capacitance of dc-link capacitor bank and to increase the neutral point voltage controllable region. Especially, even if second (or even) order harmonic is induced in load current (at this situation, is was investigated that the general control method can not suppress the neutral point voltage variation), this PWM can provide effective control method to suppress the neutral point voltage variation. Various simulation results by means of Matlab/Simulation are presented to verify the proposed PWM.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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