级联模块化多电平中压电机驱动变流器轻量化技术研究

级联模块化多电平中压电机驱动变流器轻量化技术研究 报告人：滕甲训燕山大学电气工程学院tengjiaxun@ysu.edu.cn 2025年12月 内容纲要 多电平中压驱动关键问题 级联模块化多电平驱动轻量化方案 内/外部两类共模电压抑制方案 小结 研究背景 中压电机-应用领域 》技术背景：大功率应用场景，存在线缆设计成本上升，功率损耗增大问题。 》技术优势：运行功率大，承受冲击能力强。广泛应用于工业、冶金、市政、交通运输等高能耗领域。 研究背景 中压电机-多电平驱动技术 口典型驱动方案：级联多电平，移相变压器+整流+CHB。 口技术挑战：庞大笨重，能量回馈困难。 研究背景 中压电机-多电平驱动技术 研究背景 中压电机-双母线供电多电平驱动技术 关键问题 移动装置轻量化需求 模块化多电平电机驱动轻量化需求 MMC级子模块电容 口作用：口吸收波动功率，稳定母线电压。 口特征：重量占比>70%，体积占比>50%(电解电容)，>80%(薄膜电容) 多电平中压驱动系统关键问题 ◆关键问题1：轻量化设计 集成设计，组件优化，先进材料，线缆/模块结构优化 关键问题2：内/外部共模干扰 低频：拓扑+调制：高频：器件特性+寄生参数MVDC 模块化多电平电驱内/外部两类共模电压 外部驱动共模电压 口危害：所形成共模电压与漏电流危害绕组绝缘与轴承寿命 模块化多电平电驱内/外部两类共模电压 、内部桥臂共模电压 口危害：上、下桥臂叠加，相间呈三相负序，形成桥臂环流 》桥臂环流特征： ·相间循环，不参与有功传递 ·增加桥臂开关电流应力与功率损耗 级联型模块化多电平驱动系统关键问题 内容纲要 多电平中压驱动关键问题 级联模块化多电平驱动轻量化方案 内/外部两类共模电压抑制方案 小结 02 级联模块化多电平驱动轻量化方案 子模块波动功率机理 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 子模块波动功率机理 >阻抗分布：对于低频波动电流，在DAB闭环控制带宽内其输入阻抗远高于子模块电容阻抗。 >波动电流分布：绝大部分流入电容中形成电压波动。 02 级联模块化多电平驱动轻量化方案 子模块电容约束 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 02 级联模块化多电平驱动轻量化方案 子模块波动功率解耦方案 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 隔离级功率传递-稳态传递 稳态模式：双边单移相调制下，有功(直流)功率传递：3npsuuivdoPivde2元f,(L, + n,L 02 级联模块化多电平驱动轻量化方案 动态解耦问题1-波动功率如何传递完成解耦？ 02 级联模块化多电平驱动轻量化方案 动态解耦问题2-等效并联是否会引起电流冲击？ 功率回路KVL，KCL： 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 动态解耦问题3-非理想参数是否影响？ 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 子模块电容新约束 子模块电容中实现波动功率解耦后，仅需要处理高频开关谐波，开关谐波主要来自子模块半桥。 子模块电容新约束 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 大功率模块设计与测试 >参数：800V/300A，240kW。 》测试：所提波动解耦方案在大功率应用中的功率传递特性，损耗与热表现 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 ◆大功率模块设计与测试 >测试：所提优化MMC驱动变流器在大功率应用中的功率传递特性，损耗与热表现 02 级联模块化多电平驱动轻量化方案 ◆轻量化评估 >模型I：DAB-MMCDrive模型II:OAB-MMCDrive模型IIl:FDAB-MMCDrive 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 ◆双绕组变压器互联 >变压器数量多 》低压全桥数量灵活 故障几余配置复杂 02级联模块化多电平驱动轻量化方案 课题组工作：变压器设计&低电容系统动态性能优化 内容纲要 多电平中压驱动关键问题 级联模块化多电平驱动轻量化方案 内/外部两类共模电压抑制方案 小结 03内/外部两类共模电压抑制方案 两类共模电压定义 >外部(驱动)共模电压： 口关键因素：上、下桥臂电压数学模型 03内/外部两类共模电压抑制方案 两类共模电压机理 >桥臂电压： >载波移相SPWM 口二维-双重傅里叶变换 03内/外部两类共模电压抑制方案 两类共模电压机理 两类共模电压 ◆驱动共模电压 ◆桥臂共模电压 》低频：三倍频 低频：二、四倍频 》高频：载波、边带谐波 》高频：载波谐波 03内/外部两类共模电压抑制方案 子模块波动功率解耦影响 03内/外部两类共模电压抑制方案 子模块波动功率解耦影响 03内/外部两类共模电压抑制方案 外部驱动共模电压完全抑制方案 03内/外部两类共模电压抑制方案 外部驱区动共模电压完全抑制方案 >CPS-NTM调制原则：相位变化元/6，调制比变化V3/2 03内/外部两类共模电压抑制方案 CPS-NTM扩展应用 >CPS-NTM适用对象：具备载波反相特征，12N组开关单元的AC/DC变换系统 JiaxunTeng,Xiaofeng Sun,ZizheWang et al.,"Nose-to-Tail Modulation ofThree-Phase 12NSwitching-Cells InverterforZeroCommonModeVoltage,'IEEETransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.11,Pp.13555-13560,Nov.2023 内容纲要 多电平中压驱动关键问题 级联模块化多电平驱动轻量化方案 内/外部两类共模电压抑制方案 04小结 ◆结论 >研究中从级联型模块化多电平变流器波动功率的机理出发，探讨了基于子模块波动功率解耦实现变流器轻量化新思路 >针对电机驱动系统，提出基于DC/DC级调制优化结合硬件电路设计实现波动功率自然解耦的驱动变流器方案，实现驱动系统轻量化 >基于波动功率解耦方案，纟结合MMC级调制优化方案，实现驱动系统内/外部两类共模电压抑制，进一步实现驱动变流器性能优化 ◆参考文献 SpeedRegulationSystemBasedonSolidStateTransformerwithDualDCBus,"IEEETransactionsonPowerElectronics,vol.37,no.6pp. 7082-7099, June 2022.2.J.Teng,Z.Bu, X.Sun*, H.Fu,W.Zhao,X.Li"Common High-Frequency Bus Based Cascaded Multilevel Solid-State Transformer withRippleandUnbalancePowerDecouplingChannel,"IEEETransactionsonPowerElectronics,vol.37,no.8,pp.9345-9361,Aug.2022 3.J.Teng,X.Sun*,Z.Bu,W.ZhaoandX.Li,"OptimizationSchemeBasedonHighFrequencyLinkInterconnectionofSubmodules,"IEEETransactionsonPowerElectronics,vol.36,no.12,pp.13645-13659,Dec.2021.4. J. Teng, X. Sun*, Y. Pan, X. Liu, Y. Zhang, W. Zhao, X. Li, "An Inductive-Filtering Strategy of Submodule Ripple-Power in Triple-Port MMC-BasedSSTAppliedtoHybridMediumandLowVoltageAC/DCInterface,"IEEETransactionsonPowerElectronics,vol.37,no.7,pp8015-8032, July2022.5.J.Teng,X.Sun*M.Zhang.W.Zhao,X.Li,"Low-CapacitanceCHB-BasedSSTBasedonResonantPush-PullDecouplingChannel."IEEETransactions on Industrial Electronics, vol. 71, no.3, pp.2477-2488, March 2024.6.J. Teng, X. Sun*, Z. Wang et al., "Nose-to-Tail Modulation of Three-Phase 12N Switching-Cells Inverter for Zero Common Mode Voltage,"IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 38, no.11, pp.13555-13560, Nov.2023.7.J.Teng,X.Sun*,X.Liu,W.ZhaoandX.Li,"PowerMismatches Elimination StrategyforMMC-Based Photovoltaic SystemandLightweight8.X. Sun, J. Teng*, Z. Bu, Y. Pan, W. Zhao and X. Li, "Research on Triple-Port SST Scheme Based on the Natural Elimination of MMC Sub-ModulesVoltageFluctuationandImbalance,"IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,vol.10,no.4,pp.36973710, Aug.2022.9.X. Sun, X. Liu, J. Teng*, Y. Zhang et al., "A Cascaded Multilevel Modular Energy Router Hybrid Photovoltaic and Energy Storage WithImprovedPowerBalanceCapability,"inIEEETransactionsonPowerElectronics,2o23.tobepublished.10.Y. Pan,J. Teng,X. Sun* et al.,"A Cascaded Modular Isolated Back-to-Back Solid State Transformer Scheme for AC/DC/ACInterconnection With Improved Performance and Simple Control,"in IEEETransactions on Power Electronics, vol.38, no.9,pp.11050-11068,Sept.202311.Z.Bu,J.Teng,X.Sun*,etal.,"LowFrequencyVoltageRipplesDecouplingwithSwitched-CapacitorConversionForanMMC-basedSsT,"IEEETransactionson IndustrialElectronics, vol.69, no.11,pp.11293-11303,Nov.2022.12.滕甲训，赵巍，孙孝峰*.基于开关电容结构的MMC子模块波动功率耦合方案及其参数约束[J].中国电机工程学报，2021，41(21