应用于模块化多电平变频器的电容电压脉动抑制技术综述
强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、国家电网河南省电力公司经济技术研究院的研究人员王泽、张凯等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文指出，模块化多电平变换器因其出色的模块化特性、故障冗余容错能力、良好的谐波性能、单一直流母线等优势，在中高压大功率场合广受关注。但在交流传动系统中，较大的低频电容电压纹波影响了器件的安全运行，并恶化了输出电压波形，阻碍了模块化多电平变频器在交流传动场合的使用。
该文总结近年来针对传动场合的模块化多电平变频器电容电压纹波减小和抑制方案，梳理现有纹波抑制技术的主要特点，对其进行分类，对其中一些方案的优劣势进行详细分析和比较；并从工业应用角度对不同场合的最优纹波抑制方案做了判断，就未来研究方向进行探讨。
采用中、高压变频器对大功率电机进行调速控制可以显著降低能耗，提高调速性能，延长电机使用寿命，这种方式在电力、交通、冶金等重要工业领域中被广泛应用。近年来，为探索大功率变换拓扑在传动领域的应用，学者们对各类变换器进行了研究，其中多电平电压源型结构因其在高压、大功率场合容易实现高等效开关频率、低电磁干扰（Electro Magnetic Interference, EMI）、低损耗等优势被重点研究。
工业界使用较多的三种多电平变频器为：二极管钳位型（Neutral Point Clamped, NPC）、飞跨电容钳位型（Flying Capacitor, FC）和级联H桥型（Cascaded H Bridge, CHB）。前两者在电平数多时钳位电路太过复杂，而CHB型变频器中的移相变压器设计复杂、制造成本高等缺点影响了其使用。
这限制了以上三种结构在更大功率等级场合的应用，使得目前在超大功率场合主要以负载换向式变流器（Load Commutated Inverter, LCI）等电流源型变换器为主，配合使用驱动较为复杂的IGCT或半控型晶闸管等大功率器件，这影响了装置的调速性能。
2003年德国慕尼黑联邦国防军大学Marquardt教授提出一种名为模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）的新型多电平拓扑，即半桥型MMC（Half Bridge MMC, HB-MMC），其结构如图1所示。经过十多年研究，MMC因模块化程度高、冗余性好等优势，已在高压直流输电领域得到广泛应用，学者逐渐开始关注MMC在中压场合的使用，包括轨道交通、电能质量控制、中压直流变换器等。
图1 半桥型模块化多电平变换器
MMC和其他常用变频器的比较见表1，在变频调速场合使用MMC，能充分发挥其拓扑优势，主要包括以下几方面：（1）与传统钳位型多电平结构相比，能更方便地拓展电平数，降低器件开关频率和容量等级；（2）和CHB型变频器相比，能省去前端复杂的移相变压器，大大提高系统功率密度，降低建设和维护成本；（3）单一直流母线，容易采用标准输入变压器整流供电，容易推广至背靠背（Back-to-Back, BTB）双向能量传递场合。
表1 MMC和其他常用变频器的比较
综合看来，MMC变频器便于推广至更大功率、更高电压的电力传动场合，甚至能够取代性能一般的LCI等电流源型变换器。从现有文献研究结论看，其存在的最大问题是电机低频运行时的电容电压大幅波动，其波动幅值与输出频率成反比，和转矩成正比。因此在低速大转矩负载条件下，如果不采取抑制手段，电容电压的脉动不可接受。
近年来为解决这一难题，研究人员提出了若干方法，主要针对高频注入方法展开。目前在风机、泵类等平方转矩负载应用场合已有工业产品推出。但在恒转矩负载场合，如何降低低频运行时的电容电压巨幅脉动还值得研究。
本文首先分析了传统半桥结构MMC的电容电压脉动情况，从理论上总结了降低电容电压脉动的可行思路，然后对近年来的解决方法和优化控制策略进行了系统归纳和分析，并对部分方案的优劣性做了对比研究，希望对业界学者进一步研究MMC变频运行技术有所帮助。
本文针对模块化多电平变换器应用于交流传动场合时出现的电容电压脉动现象及其影响进行分析，全面总结了国内外针对该问题的最新研究进展，并将脉动功率的抑制方法归纳为高频注入法、功率通道转移和变运行模式三类思路。
列举了每类思路的各种实现方案，对部分方案进行了详细的优劣势对比分析。最后对模块化多电平变频器的工程应用做了讨论，对各种不同传动场合中适用的MMC电容电压脉动抑制方案做了比较和判断。
高频注入法被研究最为广泛，并已应用于实际产品中。但后续研究较多集中在改进高频电压电流波形和跟踪方法，以及在改进MMC拓扑中使用注入法，而如何在较低开关频率下无静差跟踪高频环流，如何配合MMC的冗余控制实现在模块故障时保证电容电压脉动不增加也值得研究。
对不同脉动抑制方法，如何客观提出评价体系，或对于某一个负载应用场合，如何建立全面技术指标来指导方案选择还有待考虑。