摘要
哈爾濱工業大學電氣工程與自動化學院的研究人員周少澤、李彬彬等，在2018年第16期《電工技術學報》上撰文指出，模塊化多電平換流器（MMC）由於其模塊化、易於拓展的結構以及理想的正弦輸出波形，在高壓直流輸電中得到廣泛應用。而對於高壓變頻領域，MMC面臨低速下電容電壓波動過大的問題。
一種改進型MMC（HMMC）拓撲結構因其良好的波動抑制特性受到關注。詳細分析HMMC的電容電壓波動特徵，推導出其基頻及二倍頻波動表達式，並在此基礎上給出電容的選型方法。此外，從HMMC內部的能量、環流控制到外部的電機驅動方面提出整體的控制方法，高效穩定地實現高壓電機的變頻調速。通過仿真和實驗對所提方法的有效性進行了驗證。
隨著電力電子技術的發展，模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）在高電壓領域受到愈發廣泛的關注與應用[1-9]。但對於變頻應用，MMC子模塊電容上的電壓波動會隨著運行頻率的降低而增大，理論上在頻率接近零時電容電壓波動趨於無窮大[10]。為實現電機從零速起動，MMC不得不選取更高耐壓等級或更大容量的電容器，增加了模塊成本和體積。
國內外的專家學者針對MMC電容電壓波動抑制技術進行了深入的研究。文獻[11]提出將相鄰橋臂的子模塊電容通過隔離的雙向變換器相連，在橋臂間構建了新的功率通道，實現電容電壓波動抑制。但是該方法顯著增加了功率器件的數量，且雙向變換器面臨著高壓絕緣問題。
文獻[12,13]提出採用全橋MMC背靠背連接，通過降低直流母線電壓減小橋臂吸收的能量，實現電容電壓波動的抑制，但全橋MMC在成本和效率上不佔優勢。目前最廣泛採用的電容電壓波動抑制方案是高頻注入法[14-17]，該方法通過在MMC橋臂上注入一個高頻環流、同時在交流輸出電壓中注入高頻共模電壓，兩者在上下橋臂間構建新的功率通道，實現電容電壓波動抑制。但注入的環流增大了橋臂電流應力，開關器件的損耗加劇。
此外，注入的高頻共模電壓會對電機帶來嚴重的絕緣與軸電流問題，甚至會損壞電機軸承，危害電機的使用壽命。對此，文獻[18]提出通過加入額外的橋臂為高頻的共模電壓和環流提供通路，避免共模電壓作用在電機上，但這種方法所需的開關器件約為傳統MMC的1.5倍，顯著增加成本。
文獻[19]提出一種改進型MMC（Hybrid MMC, HMMC）拓撲，該拓撲在MMC直流側串聯一個可控開關，通過斬波的方式等效降低直流母線電壓，實現電容電壓波動抑制。由於避免了注入高頻環流和共模電壓，HMMC既不會額外增加橋臂電流應力，也不會對電機的絕緣和軸承帶來危害，是一個極具競爭力高壓變頻方案。
本文進一步詳細分析了HMMC電容電壓波動特徵並給出電容的選型方法，提出了HMMC的變頻控制方法。最後，通過仿真和實驗驗證了所提方法的有效性。
圖1 HMMC變頻器拓撲結構
圖4 HMMC變頻器總體控制
結論
本文介紹了一種適用於高壓變頻的改進型模塊化多電平拓撲結構（HMMC），推導了其電容電壓波動的準確表達式，提出了電容的選型方法。此外，本文系統地提出了HMMC的控制方法，實現了串聯開關的零電流關斷以及電機的變頻調速。仿真和實驗對上述內容進行了驗證。
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