创新点
- 提出了一种高电压、大功率新型AC/AC变换器拓扑结构——模块化多电平变换器（M3C）。
- 设计了最优共模电压（CMV）注入方法的容错控制策略，解决M3C非冗余子模块（SM）故障穿越问题。
- 相比传统中性点偏移（NPS）方法，最优CMV注入法采用幅度最小的CMV避免过调制，最大化输入输出电压范围（IORV）。
- 通过桥臂环流控制实现桥臂间能量平衡，利用FPGA生成PWM调制波形，实时监控并排序SM电容电压，运用最近电平逼近法（NLM）实现均压控制。
研究背景
M3C通过9个桥臂分支连接两个不同频率三相交流系统，每个桥臂包含串联全桥子模块（SM）和桥臂电感。非冗余SM故障会导致IORV超出范围，影响系统稳定。因此，研究容错控制策略对提高可靠性至关重要。
研究内容
- M3C基本工作原理：分析电路拓扑（图1），推导数学模型，计算IORV可用调制系数d，提出在非冗余SM故障时注入最佳CMV使d为最大可用值dmax。
- 传统NPS方法与最优CMV注入方法：
- NPS方法通过注入相同频率中性点电压提高IORV，但会导致桥臂间能量不平衡，需控制桥臂环流。
- 本文提出最优CMV注入方法，根据实时监测的调制系数dxy动态计算注入CMV，确保故障桥臂调制系数始终在[-Dmax，Dmax]范围内。
- 两种方法故障可运行范围仿真比较：
- 最优CMV注入法在保持额定IORV的前提下，提高了非冗余SM故障数量和系统故障可运行范围（对比图3、图4）。
- 单桥臂分支SM容错控制仿真：
- 故障后输出电压和相电流保持正弦度，正常SM电容电压稳定，通过注入CMV降低故障桥臂调制电压（图5）。
- 多桥臂分支SM容错控制仿真：
- 多故障时输出电压和相电流仍保持正弦度，CMV抵消故障桥臂超出的IORV部分，实现多桥臂故障容错（图6）。
- 基于FPGA的实时半物理实验分析：
- RT-LAB实验平台验证了方法在3种工况下故障后的稳定性，结果与仿真一致（图7、图8）。
结论
- 传统调制方法无法应对基波参考电压超出可用电压限制的故障，导致谐波增加。本文提出最优CMV注入方法及实时自动调整措施。
- 该方法利用CMV与故障桥臂电压互补，动态调整并计算CMV控制率，仿真验证其能稳定电容电压并提升故障容错性。
- 仿真与实践证明，该方法提升电压范围，故障时非冗余SM承受能力提高55.7%，安全性增强。
后续研究方向
未来可研究系统故障下故障桥臂的诊断和隔离措施，如M3C桥臂故障时过渡到8桥臂或6边形变换器（Hexverter）控制策略等。
