[發明專利]基于電荷通道的MMC電機驅動電路電容電壓波動抑制方法

在審

• 申請號: 202310410095.3
• 申請日: 2023-04-17
• 公開（公告）號: CN116582011A
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 姚飛;楊文廣;劉華山;李征;陳恩澤
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02P25/16;H02P27/06;H02P27/14
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;陳金

本申請公開了一種基于電荷通道的MMC電機驅動電路電容電壓波動抑制方法；本方法中在子模塊間構建電荷通道，每個電荷通道均由功率開關器件、限流電感和通道鉗位電容組成；電荷通道為子模塊電容極板間的電荷流通提供路徑；為提出的電荷通道設計了單邊互鎖控制和雙邊互鎖控制兩種控制方法；本發明中的方法利用MMC子模塊電容電壓基波分量和三次分量波動反向、二次分量三相對稱的特點，通過子模塊電容極板間電荷轉移實現相互之間自行充放電，從而抵消電容電壓波動，保證MMC電機驅動電路在低頻工作狀態下的穩定、可靠運行；本發明中的電荷通道控制簡單，不需要高頻變壓器，體積小，功率密度高，并且沒有在電機側引入軸電流，不會損害電機使用壽命。

技術領域

本申請涉及一種基于電荷通道的模塊化多電平變流器(MMC,modular?multilevelconverter)電機驅動電路電容電壓波動抑制方法，屬于電機驅動控制領域。

背景技術

相較于傳統的艦船動力裝置，艦船綜合電力系統利用電動機推進的方式將以往分離的電能模塊與推進模塊結合到一起，顯著提高了艦船功率密度，有利于實現全船的精準控制和資源綜合利用。艦船電力推進系統作為艦船綜合電力系統的重要組成部分，對于提高艦船航行機動性、降低艦船噪聲等方面具有重要作用，因此得到了廣泛關注與研究。

面對艦船電力推進系統大功率、中高壓等特點，多電平變流器由于不需要體積龐大的濾波器、能提供高質量的正弦輸出波形，在艦船電力推進系統中得到了越來越多的關注。與其他多電平變流器相比，MMC有模塊化程度高、冗余成本低和效率高等優點，因此具有巨大發展潛力。通過對MMC子模塊電容電壓的數學模型進行分析可以發現，MMC子模塊電容電壓主要包括穩定的直流分量和波動的基波分量、二次分量和三次分量。其中，MMC每相上、下橋臂子模塊電容電壓的基波分量與三次分量呈反向波動，二次分量呈同向波動，并且二次分量為三相對稱量。子模塊電容電壓的基波分量、二次分量和三次分量的幅值均與MMC工作頻率成反比。低頻狀態下MMC子模塊電容電壓會產生大幅波動，過大的電容電壓波動會導致MMC內部功率不平衡，惡化MMC輸出波形質量，甚至導致MMC在低頻情況下無法正常工作。這是阻礙MMC作為逆變器大規模應用在艦船推進系統的重要原因。

目前抑制MMC電容電壓波動的主要方法是高頻諧波注入法和功率通道轉移法兩種方法。高頻諧波注入法的主要思路是在橋臂電壓和橋臂電流中同時引入頻率差為基頻的高頻分量，形成波形為拍頻形式的橋臂功率，在上下橋臂間進行高頻功率交換，從而抑制電容電壓波動。這種方法不可避免地會增大功率開關器件的電流應力并增加額外損耗，尤其是高頻工作狀態下損耗將變得很大；另外，這種方法會對電機帶來嚴重的軸電流問題，危害電機的使用壽命。基于功率通道的電容電壓波動抑制方法中，在子模塊間構建功率通道，由于電容電壓波動主要由功率不平衡導致，因此可以利用功率通道平衡子模塊電容功率來抑制電容電壓波動。這種方法不存在電流應力和額外損耗的問題。根據控制方法的不同，功率通道可以添加在每相上下橋臂之間，也可以分別添加在三相上橋臂之間和三相下橋臂之間。但目前現有的功率通道轉移法都是采用DC-DC變換器加高頻變壓器作為通道連接兩側的子模塊，控制復雜，硬件成本高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于電荷通道的MMC電機驅動電路電容電壓波動抑制方法，在MMC上橋臂與下橋臂子模塊間構建電荷通道，從而在子模塊電容間創建電荷流通的路徑，通過轉移電容極板上的電荷抵消電容電壓波動，實現基于MMC的電機驅動電路在低頻、高頻全轉速范圍內的電機驅動控制，解決現有技術的不足。

技術方案具體如下：

一種基于電荷通道的MMC電機驅動電路電容電壓波動抑制方法，在模塊化多電平變流器MMC的子模塊之間設置電荷通道，用于極板間電荷流通，從而抵消MMC子模塊電容相內反向波動的基頻電壓和三次諧波電壓以及同向波動的二次諧波電壓。

本發明提供的技術方案中，所述MMC的子模塊為半橋子模塊。