级联模块化多电平中压电机驱动变流器轻量化技术研究-燕山大学

电气学科青年学者学科前沿研讨会级联模块化多电平中压电机驱动变流器轻量化技术研究2025年12月1多电平中压驱动关键问题2级联模块化多电平驱动轻量化方案3内/外部两类共模电压抑制方案4小结研究背景技术背景：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。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。工业领域工业领域市政领域冶金领域交通运输交通运输鼓风鼓风机污水水泵重型车机车牵引船舰推进研究背景◆中压电机-多电平驱动技术Multi-WindingTransformerA工频变压器柜研究背景中压供电低压驱动中中压供电中压驱动ACS1000ACS2000315kW-5MW,2.3-4.162研究背景中压电机-双母线供电多电平驱动技术公共母线级联型模块化多电平驱动子模块母线级联型子模块母线级联型关键问题号号十mYRET全电全电舰船电动汽车火箭火箭发射多电飞机男航天员女航天员身高(cm)体重(kg)⑨口特征：重量占比>70%,体积占比>50%(电解电容),>80%(薄膜电容)。BinbinLi,DandanXuetal,"PrototypedesignandexperimentalverificaA.Christe,E.CoulingeandD.Dujic,"Insulationcoordi◆关键问题1:轻量化设计十十口危害：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：内部共模电压与桥臂环流燕山大學YRET12/49MMC级1多电平中压驱动关键问题2级联模块化多电平驱动轻量化方案3内/外部两类共模电压抑制方案4小结02级联模块化多电平驱动轻量化方案三三相系统等效模型驱动单相电路MMC级单相等效电路模型驱动单相电路ddDABusm_auiiia=Imu./3-Iia=Imu./3-Isin(ot+φ)/2无功波动02级联模块化多电平驱动轻量化方案山大学YRETHalf-Half-Bridge3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RippleRipplePowerRippleVoltagestagehalf-能量守恒能量守恒141811881 电容约束与运行频率负相关电容约束电容约束02级联模块化多电平驱动轻量化方案子模块波动电流波动电流特性dc/dc-Half-stageZae/debridgeHalf-CC基频：三相正序二倍频：三相负序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子模块波动电流波动电流子模块波动电流波动电流特性传导路径优化交流耦合Half-Half-stage—DCcurrent——Ripple-current——Switchingharmonics4c/DC4c/DC4c/DC4c/DC二倍频：三相负序02级联模块化多电平驱动轻量化方案◆高频链互联MMC驱动方案FBisM.⑪ppM优化调制：单边同步双边移相调制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TTiFBa“pp“ppbbum02级联模块化多电平驱动轻量化方案Phase-shiftSignal等效并联等效并联C/μF二阶二阶刀LC串联系统功率回路KVL,KCL:特征根：二阶系统微分方程：模式判定：欠/过阻尼02级联模块化多电平驱动轻量化方案R&[La+ALLRxRxZa1→→漏感不一致对解耦效果影响可以忽略不计!02级联模块化多电平驱动轻量化方案传统传统约束子模块电容中实现波动功率解耦后，仅需要处理高频开子模块电容新约束新约新约束10¹-10²uF等级dc/dc-Half-c——DCcurent—Ripple-current—Switchingharmonics02级联模块化多电平驱动轻量化方案◆波动功率解耦实验大电容0.47mF小电容11.6μF燕山大學YRET额额定频率低频运行解耦通道F-50Hz.““c“cb“c开关周期(过阻尼)开关周期(过阻尼)02级联模块化多电平驱动轻量化方案参数：800V/300A,240kW。佛i佛inArmcurrentprofileF02级联模块化多电平驱动轻量化方案i,100Ndn—o100Ndi—i,100Ndiv—1,1200Ndil温升数据(仿真)JiaxunTeng,XiaofengSun,etalofSubmoduleRipple-PowerTransactionsonPowerElectronics,vol.37,no.7,pp.02级联模块化多电平驱动轻量化方案2十32◆体积：相比于模型I减小45.6%,相比于模型II减小36.9%。◆成本：略有降低。燕心大学toHybridMedi02级联模块化多电平驱动轻量化方案◆不同场景解耦方案号号号◆谐振式推挽◆双全桥+同步调制◆双绕组变压器互联◆多绕组变压器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同步全桥电路需求W44fW44f绝缘材料绝缘材料利兹线元件级绝缘单层交叉烧制系统级绝缘元件级绝缘单层交叉烧制uiv_IAn↑-无差拍预测控制公式(4-23)公式(4-26)ulnxier自由参数绕组匝数，绝缘距离，交叉耦合度损耗计算绝缘评估温度评估分布参数是否满足设计准则系统运行效率——小电容采用传统控制——小电容采用优化控制Z.Bu,W.Zhao,M.Zhang,J.Teng,X.LiandX.Sun,"DyTransactionsonPowerElectronicsdoi:10.1109/TPEL.2023.3326288.1多电平中压驱动关键问题2级联模块化多电平驱动轻量化方案4小结03内/外部两类共模电压抑制方案◆两类共模电压定义口关键因素：上、下桥臂电压数学模型Uacom_eWadif_bLMladifb_ladifaWadif_aladife_NUJ2=L模块化多电平驱动等效模型桥臂电压：载波移相SPWM:Uu①“-NEa+03内/外部两类共模电压抑制方案两类共模电压机理开关函数电容电压两类共模电压端开关函数电容电压两类共模电压端88桥臂共模电压驱动共模电压低频：三倍频JiaxunTeng,XiaofengSunetal.,"TwoTypesofCommon-ModeVoltage03内/外部两类共模电压抑制方案◆子模块波动功率解耦影响一一一一一波动功率解耦子模块电压波动消除一一一一一一一一一一一一dcdc/dc-Half-stageZde/de<<Zcs波动功率解耦方案03内/外部两类共模电压抑制方案一一一一一一一一一一一一一一一一一一一03内/外部两类共模电压抑制方案驱动共模驱动共模条件载波反相模块组优优化调制首尾相接调制(Nose-to-TailModulation,NTM)YRETCPS-NTM调制原则：相位变化π/6,调制比变化√3/2。实验结果实验结果成调制原则03内/外部两类共模电压抑制方案CPS-NTM扩展应用模块化多电平变流器飞跨电容变流器级模块化多电平变流器飞跨电容变流器级联H桥变流器并联三相逆变器①CelloN2.②③⑥C变换系统。ZeroCommonModeVoltage,"/EEETransaction1多电平中压驱动关键问题2级联模块化多电平驱动轻量化方案3内/外部两类共模电压抑制方案4小结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共模电压抑制，进一步实现驱动变流器性能优化◆参考文献1.J.Teng,X.Sun*,Y.Zhang,H.Fu,pp.7082-7099,June2.J.Teng,Z.Bu,X.Sun*,H.Fu,W.Zhao,X.LiRippleandUnbalancePowerDecouplingChannel,"IE04小结3.J.Teng,X.Sun*,Z.Bu,W.ZhaoandX.LTransactionsonPowerElectronics,vol.36,no.12,pp.13645-13659,Dec.2021.4.J.Teng,X.Sun*,Y.Pan,X.Liu,Y.Zhang,W.Zhao,X.Li,"AnInductive-FilteringStrategBasedSSTAppliedtoHybr5.J.Teng,X.Sun*,M.Zhang,W.Zhao,X.TransactionsonIndustrialElectronics,vol.71,no.3,pp.2477-2486.J.Teng,X.Sun*,Z.Wangetal.,"Nose-to-IEEETransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.11,pp.13555-13560,NoDesign,"inIEEETransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.9,pp.11614-11623710,Aug.2022.