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改进型模块化多电平高压变频器及其控制方法

模块化多电平换流器(MMC)由于其模块化、易于拓展的结构以及理想的正弦输出波形,在高压直流输电中得到广泛应用。而对于高压变频领域,MMC面临低速下电容电压波动过大的问题。


一种改进型MMC(HMMC)拓扑结构因其良好的波动抑制特性受到关注。详细分析HMMC的电容电压波动特征,推导出其基频及二倍频波动表达式,并在此基础上给出电容的选型方法。此外,从HMMC内部的能量、环流控制到外部的电机驱动方面提出整体的控制方法,高效稳定地实现高压电机的变频调速。通过仿真和实验对所提方法的有效性进行了验证。


随着电力电子技术的发展,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)在高电压领域受到愈发广泛的关注与应用[1-9]。但对于变频应用,MMC子模块电容上的电压波动会随着运行频率的降低而增大,理论上在频率接近零时电容电压波动趋于无穷大[10]。为实现电机从零速起动,MMC不得不选取更高耐压等级或更大容量的电容器,增加了模块成本和体积。


国内外的专家学者针对MMC电容电压波动抑制技术进行了深入的研究。文献[11]提出将相邻桥臂的子模块电容通过隔离的双向变换器相连,在桥臂间构建了新的功率通道,实现电容电压波动抑制。但是该方法显著增加了功率器件的数量,且双向变换器面临着高压绝缘问题。


文献[12,13]提出采用全桥MMC背靠背连接,通过降低直流母线电压减小桥臂吸收的能量,实现电容电压波动的抑制,但全桥MMC在成本和效率上不占优势。目前最广泛采用的电容电压波动抑制方案是高频注入法[14-17],该方法通过在MMC桥臂上注入一个高频环流、同时在交流输出电压中注入高频共模电压,两者在上下桥臂间构建新的功率通道,实现电容电压波动抑制。但注入的环流增大了桥臂电流应力,开关器件的损耗加剧。


此外,注入的高频共模电压会对电机带来严重的绝缘与轴电流问题,甚至会损坏电机轴承,危害电机的使用寿命。对此,文献[18]提出通过加入额外的桥臂为高频的共模电压和环流提供通路,避免共模电压作用在电机上,但这种方法所需的开关器件约为传统MMC的1.5倍,显著增加成本。


文献[19]提出一种改进型MMC(Hybrid MMC, HMMC)拓扑,该拓扑在MMC直流侧串联一个可控开关,通过斩波的方式等效降低直流母线电压,实现电容电压波动抑制。由于避免了注入高频环流和共模电压,HMMC既不会额外增加桥臂电流应力,也不会对电机的绝缘和轴承带来危害,是一个极具竞争力高压变频方案。


本文进一步详细分析了HMMC电容电压波动特征并给出电容的选型方法,提出了HMMC的变频控制方法。最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。


改进型模块化多电平高压变频器及其控制方法

图1  HMMC变频器拓扑结构


改进型模块化多电平高压变频器及其控制方法

图4  HMMC变频器总体控制


结论

本文介绍了一种适用于高压变频的改进型模块化多电平拓扑结构(HMMC),推导了其电容电压波动的准确表达式,提出了电容的选型方法。此外,本文系统地提出了HMMC的控制方法,实现了串联开关的零电流关断以及电机的变频调速。仿真和实验对上述内容进行了验证。

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