级联模块化多电平中压电机驱动变流器轻量化技术研究

研究背景

中压电机广泛应用于工业、冶金、市政、交通运输等高能耗领域，但传统大功率应用场景存在线缆设计成本上升、功率损耗增大等问题。多电平驱动技术（典型方案为级联多电平，移相变压器+整流+CHB）虽具有运行功率大、承受冲击能力强等优势，但存在庞大笨重、能量回馈困难等挑战。

关键问题

1. 轻量化设计：子模块电容（重量占比>70%，体积占比>50%-80%）是主要负担，需通过集成设计、组件优化、先进材料、线缆/模块结构优化实现轻量化。
2. 共模电压抑制：
   • 外部驱动共模电压：由上、下桥臂电压数学模型决定，危害绕组绝缘与轴承寿命。
   • 内部桥臂共模电压：上、下桥臂叠加形成三相负序，导致桥臂环流（相间循环、增加开关电流应力与功率损耗）。

级联模块化多电平驱动轻量化方案

1. 子模块波动功率机理：低频波动电流主要流入电容，输入阻抗远高于电容阻抗，需解耦处理。
2. 子模块电容约束：解耦后仅需处理高频开关谐波（主要来自子模块半桥）。
3. 子模块波动功率解耦方案：
   • 隔离级功率传递：稳态模式下，双边单移相调制下有功功率传递公式为 \(P = \frac{3}{2\pi} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{U_d^2}{L_n} \sin^2(\frac{n\pi}{6})\)。
   • 动态解耦问题：
     • 波动功率如何传递完成解耦？
     • 等效并联是否引起电流冲击？
     • 非理想参数是否影响？
4. 大功率模块设计与测试：参数为800V/300A（240kW），验证功率传递特性、损耗与热表现。
5. 轻量化评估：对比DAB-MMCDrive、OAB-MMCDrive、FDAB-MMCDrive模型。
6. 双绕组变压器互联：变压器数量多、低压全桥数量灵活，但故障冗余配置复杂。

内/外部两类共模电压抑制方案

1. 两类共模电压定义：
   • 外部共模电压：关键因素为上、下桥臂电压数学模型。
   • 桥臂共模电压：载波移相SPWM下，低频（三倍频、二/四倍频）、高频（载波/边带谐波）成分。
2. 子模块波动功率解耦影响：解耦后需优化调制策略抑制共模电压。
3. 外部驱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。
   • CPS-NTM扩展应用：适用于12N组开关单元的AC/DC变换系统。

研究结论

1. 基于子模块波动功率解耦实现变流器轻量化，提出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。
2. 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，进一步优化驱动变流器性能。
3. 关键数据：子模块电容重量占比>70%，体积占比>50%-80%；800V/300A（240kW）大功率模块测试验证。

参考文献

（略）