Integrated Control and Performance Analysis of High-Speed Medium-Voltage Drive Using Modular Multilevel Converter

电压 模块化设计 碳化硅 电容器 电气工程 功率(物理) 电子工程 计算机科学 控制理论(社会学) 工程类 材料科学 物理 控制(管理) 人工智能 冶金 操作系统 量子力学
作者
Jianyu Pan,Ziwei Ke,Xiao Li,yihui zhao,Julia Zhang,Jin Wang,Longya Xu
出处
期刊:IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (4): 3692-3704 被引量:10
标识
DOI:10.1109/jestpe.2022.3142052
摘要

The modular multilevel converter (MMC) is highly attractive to develop high-speed medium-voltage variable frequency drives (MV VFDs) due to its cascaded design, high-quality output, and strong reliability. However, high-speed MV VFDs have demanding requirements in capacitor voltage stabilization, current regulation, dynamic response, etc. The instability and distorted voltage/current could easily occur if MMCs are used as high-speed MV VFDs. This article presents a high-speed VFD with silicon carbide (SiC)-based MMC feeding a permanent magnet synchronous machine. A new integrated control method is specifically proposed to address the aforementioned issues covering the low-/middle-/high-speed range. Performance analysis is conducted in terms of efficiency, power density, output current quality, and speed range. Steady-state and dynamic conditions are evaluated by a full-scale simulation model and a high-power SiC-based MMC testbed. Results show that the proposed method effectively removes the large capacitor voltage fluctuations, resonant circulating current, and saturated output voltage from zero to the highest speed. Compared with existing MMC VFDs of limited speed (<4000 r/min), the SiC-based MMC VFD has three times higher speed (15 000 r/min), improved efficiency (99.43%), high power density, and low current harmonic distortions.
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