[发明专利]基于电荷通道的MMC电机驱动电路电容电压波动抑制方法

说明书

本申请公开了一种基于电荷通道的MMC电机驱动电路电容电压波动抑制方法；本方法中在子模块间构建电荷通道，每个电荷通道均由功率开关器件、限流电感和通道钳位电容组成；电荷通道为子模块电容极板间的电荷流通提供路径；为提出的电荷通道设计了单边互锁控制和双边互锁控制两种控制方法；本发明中的方法利用MMC子模块电容电压基波分量和三次分量波动反向、二次分量三相对称的特点，通过子模块电容极板间电荷转移实现相互之间自行充放电，从而抵消电容电压波动，保证MMC电机驱动电路在低频工作状态下的稳定、可靠运行；本发明中的电荷通道控制简单，不需要高频变压器，体积小，功率密度高，并且没有在电机侧引入轴电流，不会损害电机使用寿命。

技术领域

本申请涉及一种基于电荷通道的模块化多电平变流器(MMC,modular multilevelconverter)电机驱动电路电容电压波动抑制方法，属于电机驱动控制领域。

背景技术

相较于传统的舰船动力装置，舰船综合电力系统利用电动机推进的方式将以往分离的电能模块与推进模块结合到一起，显著提高了舰船功率密度，有利于实现全船的精准控制和资源综合利用。舰船电力推进系统作为舰船综合电力系统的重要组成部分，对于提高舰船航行机动性、降低舰船噪声等方面具有重要作用，因此得到了广泛关注与研究。

面对舰船电力推进系统大功率、中高压等特点，多电平变流器由于不需要体积庞大的滤波器、能提供高质量的正弦输出波形，在舰船电力推进系统中得到了越来越多的关注。与其他多电平变流器相比，MMC有模块化程度高、冗余成本低和效率高等优点，因此具有巨大发展潜力。通过对MMC子模块电容电压的数学模型进行分析可以发现，MMC子模块电容电压主要包括稳定的直流分量和波动的基波分量、二次分量和三次分量。其中，MMC每相上、下桥臂子模块电容电压的基波分量与三次分量呈反向波动，二次分量呈同向波动，并且二次分量为三相对称量。子模块电容电压的基波分量、二次分量和三次分量的幅值均与MMC工作频率成反比。低频状态下MMC子模块电容电压会产生大幅波动，过大的电容电压波动会导致MMC内部功率不平衡，恶化MMC输出波形质量，甚至导致MMC在低频情况下无法正常工作。这是阻碍MMC作为逆变器大规模应用在舰船推进系统的重要原因。

目前抑制MMC电容电压波动的主要方法是高频谐波注入法和功率通道转移法两种方法。高频谐波注入法的主要思路是在桥臂电压和桥臂电流中同时引入频率差为基频的高频分量，形成波形为拍频形式的桥臂功率，在上下桥臂间进行高频功率交换，从而抑制电容电压波动。这种方法不可避免地会增大功率开关器件的电流应力并增加额外损耗，尤其是高频工作状态下损耗将变得很大；另外，这种方法会对电机带来严重的轴电流问题，危害电机的使用寿命。基于功率通道的电容电压波动抑制方法中，在子模块间构建功率通道，由于电容电压波动主要由功率不平衡导致，因此可以利用功率通道平衡子模块电容功率来抑制电容电压波动。这种方法不存在电流应力和额外损耗的问题。根据控制方法的不同，功率通道可以添加在每相上下桥臂之间，也可以分别添加在三相上桥臂之间和三相下桥臂之间。但目前现有的功率通道转移法都是采用DC-DC变换器加高频变压器作为通道连接两侧的子模块，控制复杂，硬件成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电荷通道的MMC电机驱动电路电容电压波动抑制方法，在MMC上桥臂与下桥臂子模块间构建电荷通道，从而在子模块电容间创建电荷流通的路径，通过转移电容极板上的电荷抵消电容电压波动，实现基于MMC的电机驱动电路在低频、高频全转速范围内的电机驱动控制，解决现有技术的不足。

技术方案具体如下：

一种基于电荷通道的MMC电机驱动电路电容电压波动抑制方法，在模块化多电平变流器MMC的子模块之间设置电荷通道，用于极板间电荷流通，从而抵消MMC子模块电容相内反向波动的基频电压和三次谐波电压以及同向波动的二次谐波电压。

本发明提供的技术方案中，所述MMC的子模块为半桥子模块。