A Medium-Voltage Motor Drive Based on Diode-Clamped Modular Multilevel Converters

چکیده

کانورترهای چند سطحی مدولار (MMC) پتانسیل زیادی را در حوزه درایوهای ولتاژ متوسط از خود نشان داده اند، چون می توانند شکل موج خروجی عالی ای را با میانگین فرکانس های سوئیچینگ پایین تولید کنند. یک مسئله مهم در MMC این است که آن نیاز به روش تعدیل ولتاژ پیچیده (مختلطی) برای تعدیل ولتاژ خازن هر زیرماژول (SM) دارد. در این مقاله، یک درایو موتور ولتاژ متوسط بر اساس کانورتر چند سطحی مدولار با کلمپ دیودی (DCM2C) پیشنهاد شده است. این توپولوژی، در کاهش پیچیدگی کنترل تعدیل ولتاژ با استفاده از شاخه تعدیل گر بین هر SM برای کلمپ کردن ولتاژ خازن بسیار مهم است.

Abstract

Modular multilevel converters (MMC) have shown a great potential in the area of medium-voltage drives, for it can produce excellent output waveform with low average switching frequencies. A key issue of MMC is that it requires a complex voltage balancing method to balance the capacitor voltage of each submodule (SM). In this paper, a medium-voltage motor drive based on diode-clamped modular multilevel converter (DCM2C) is proposed. This topology is prominent in reducing voltage balancing control complexity by using a balancing branch between each SM to clamp the capacitor voltage.

مقدمه

به تازگی محققین به درایوهای موتور ولتاژ متوسط مبتنی بر MMC علاقه مند شده اند. در مقایسه با کانورتر منبع ولتاژ دو سطحی، MMC ویژگی های جذاب زیادی دارد مانند مدولار بودن ساختار، کاهش اتلاف کانورتر، و کیفیت بالای شکل موج های خروجی. این ویژگی ها، MMC را برای کاربردهای درایو موتور ولتاژ متوسط مناسب می کند.

MMC شکل موج های خروجی را با وارد کردن یا بای پاس کردن SM های معینی انجام می دهد. ورود نابرابر خازن های زیرماژول و همچنین جریان بازوی نابرابر در زمانی که خازن ها وارد شده اند در نهایت باعث توزیع ولتاژ نابرابر بین SM ها در هر بازو می شود. به علاوه، اختلاف پارامترهای parasitic بین SM ها و پالس های درایو غیرایده آل هم باعث ولتاژهای خازنی نامتعادل می شود. بنابراین، MMC نیاز به ولتاژی دارد که کنترل را متعادل کند برای متعادل کردن ولتاژهای خازن SM ها در هر بازو.

روش کنترل که در [5] تعریف گردید هر کنترلر را به کنترلر میانگین گیر و کنترلر تعدیل گر تقسیم می کند. کنترلر میانگین گیر، ولتاژ میانگین هر فاز را مجبور می کند که از مرجع پیروی کند، و کنترلر تعدیل گر، ولتاژ خازن SM را مجبور می کند که از ولتاژ مرجع پیروی کند. معمولا، کنترلر P یا PI در کنترل میانگین گیر و تعدیل گر استفاده می شود. مسائل تیونینگ (تنظیم) و طراحی کنترلر، نقصی در این روش است. به علاوه، پیچیدگی محاسبات زمانی که تعداد SM ها زیاد می شود به شدت افزایش می یابد.

چون فقط پالس های PWM در مدولاسیون تعیین می شوند، یک الگوریتم دسته بندی می تواند برای انتخاب پالس های PWM برای SM های خاصی بر اساس ولتاژهای خازن SM و  پلاریته جریان بازو اجرا شود. اگر جریان بازو مثبت باشد، سپس SM های با ولتاژهای خازن کمتر از ولتاژ میانگین انتخاب می شوند. از طرف دیگر، اگر جریان بازو منفی باشد، SM های با ولتاژهای خازن بالاتر از ولتاژ میانگین انتخاب می شوند. بنابراین، همه ولتاژهای خازن هر بازو در باند ولتاژ کوچکی قرار می گیرند، و کنترل تعدیل گر ولتاژ محقق می شود. با این وجود، الگوریتم دسته بندی کننده، فرکانس سوئیچینگ برای هر SM را به شدت افزایش می دهد، که منجر به اتلاف های توان بالاتر می شود. به علاوه، این روش ها ممکن است در برابر عملیات نامتعادل یا ناپایداری های شدید مانند نقص های سه فاز و نامتقارن، مقاوم نباشند.

کنترل تعدیل گر ولتاژ خارن ها همچنین می تواند با انتخاب حالت های سوئیچینگ اضافی مناسب وابسته به ولتاژهای خازن و پلاریته جریان فاز به دست آید. با این وجود، این روش خیلی پیچیده می شود زمانی که MMC تعداد زیادی SM برای هر بازو داشته باشد، برای حالات سوئیچینگ اضافی به شدت با تعداد SM ها افزایش می یابد. بنابراین، مسئله کلیدی MMC این است که نیاز به روش تعدیل گر ولتاژ پیچیده ای برای متعادل کردن ولتاژ خارن هر SM دارد. به دلیل پیچیدگی این روش ها، کنترل تعدیل گر ولتاژ بسیار وقت گیر است. به علاوه، مقدار زیادی دیتای ولتاژهای خازن توسط کنترلرها استفاده می شوند.