模塊化多電平變換器(MMC)運(yùn)行與控制若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在各種高壓變流器拓?fù)渲?，模塊化多電平變換器(Modular MultilevelConverter，MMC)有效避免了功率半導(dǎo)體器件直接串聯(lián)帶來的動態(tài)均壓問題，具有輸出電平數(shù)高、可四象限運(yùn)行、模塊化設(shè)計、可省掉笨重的工頻變壓器和濾波器等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于柔性直流輸電、高壓電機(jī)驅(qū)動、電能質(zhì)量治理等需要高壓變流器的場合。但MMC子模塊個數(shù)眾多，內(nèi)部電容能量變化機(jī)理復(fù)雜，開關(guān)動作機(jī)理受制于不同的均壓算法，用于并網(wǎng)時電網(wǎng)的故障也會改變內(nèi)部子模塊的工

2、作狀態(tài)，如何保證MMC在各種工況下的穩(wěn)定及優(yōu)化運(yùn)行，是各國學(xué)者對MMC進(jìn)行研究的重要方向。本文以模塊化多電平變換器MMC為研究對象，依托國家國際科技合作專項(xiàng)目(2011DFA62240)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377050)，采用理論分析、軟件仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，主要在子模塊電容電壓的控制、優(yōu)化均壓算法下的開關(guān)頻率及開關(guān)損耗計算、MMC在交流電網(wǎng)不對稱故障情況下的運(yùn)行與控制等方面進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容如下:
　　由

3、于MMC采用分布式的子模塊儲能電容結(jié)構(gòu)，子模塊電容電壓容易受橋臂參數(shù)、控制方式等因素的影響而偏離設(shè)定值達(dá)不到理想運(yùn)行效果，對子模塊電容電壓的控制是發(fā)揮變換器性能和增加變換器穩(wěn)定性的有效途徑。論文研究了基于各次環(huán)流的子模塊電容電壓控制問題，統(tǒng)一分析了環(huán)流直流分量、環(huán)流一次分量、環(huán)流二次分量與子模塊電容電壓之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到了利用各次環(huán)流對上下橋臂整體電容電壓、上下橋臂不均衡電壓、子模塊電容電壓波動進(jìn)行控制的方法。設(shè)計了基于環(huán)流直流分量的

4、上下橋臂整體電容電壓控制器和基于環(huán)流一次分量的上下橋臂電壓均衡控制器，解決了電容電壓平均值與直流側(cè)電壓獨(dú)立解耦的控制問題，保證了MMC在上下橋臂參數(shù)不一致的情況下的正常輸出。通過對橋臂輸入和輸出功率的分析，提出了基于橋臂瞬時功率平衡的電容電壓波動抑制方法，該方法通過對橋臂注入一定的二次環(huán)流來降低子模塊電容電壓的二次波動，減少子模塊對電容容量的依賴。通過對注入的二次環(huán)流與橋臂上的固有二次環(huán)流進(jìn)行對比分析，揭示了固有二次環(huán)流與降低子模塊電壓

5、波動二次環(huán)流之間的本質(zhì)區(qū)別。
　　采用最近電平逼近調(diào)制的MMC具有開關(guān)頻率不固定，開關(guān)頻率存在很大的優(yōu)化空間的特點(diǎn)，雖然多種允許子模塊之間存在電壓偏差而降低開關(guān)頻率的優(yōu)化均壓算法在MMC中提出，但還缺乏對其開關(guān)頻率和開關(guān)損耗進(jìn)行計算的研究，導(dǎo)致在工程實(shí)踐中，優(yōu)化均壓算法的子模塊電壓偏差的取值和損耗計算缺少理論依據(jù)。本文以基于最大電壓偏差和基于虛擬電容電壓的兩種優(yōu)化均壓方法為基礎(chǔ)，對這兩種優(yōu)化均壓方法下的開關(guān)頻率和損耗計算進(jìn)行了深入

6、研究，提出了一種基于近似積分代替的開關(guān)頻率和損耗的定量解析計算方法，得到了兩種方法下的開關(guān)頻率和損耗的解析表達(dá)式;利用得到的解析表達(dá)式對影響開關(guān)頻率和開關(guān)損耗的各種因素進(jìn)行了分析，揭示了子模塊之間不均衡電壓、調(diào)制比、功率因數(shù)對開關(guān)頻率和開關(guān)損耗影響的規(guī)律;最后對這兩種均壓算法的性能及優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，可為工程應(yīng)用中兩種均壓算法的選擇及子模塊之間不均衡電壓的設(shè)計提供理論支撐。
　　MMC在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障下，橋臂內(nèi)部

7、環(huán)流與子模塊電容電壓波動狀態(tài)都會隨之變化，進(jìn)而威脅MMC的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)正常情況下的橋臂環(huán)流和子模塊電容電壓模型及控制方法在電網(wǎng)電壓不平衡時不再適用，因此本文對MMC在不對稱電網(wǎng)故障下內(nèi)部子模塊、橋臂環(huán)流的數(shù)學(xué)模型及控制策略進(jìn)行了深入研究。以電網(wǎng)不對稱故障下變流器的兩種常見的控制策略——抑制負(fù)序電流為目標(biāo)和抑制有功功率二倍頻波動為目標(biāo)的控制策略為基礎(chǔ)，對兩種控制策略下的橋臂環(huán)流進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，根據(jù)上下橋臂輸出電壓與直流側(cè)電壓不

8、匹配產(chǎn)生交流環(huán)流的機(jī)理，推導(dǎo)得到了橋臂環(huán)流的解析表達(dá)式，提出了基于子模塊電容電壓穩(wěn)定的橋臂環(huán)流抑制策略，該方法不需要單獨(dú)設(shè)計零序環(huán)流控制器，不需要計算橋臂環(huán)流給定值，在抑制負(fù)序電流和抑制有功功率二倍頻波動兩種控制方式下都適用。同時本文也對兩種控制策略下的子模塊電容電壓波動按基頻波動和二次波動進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　最后本文對MMC進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。對實(shí)驗(yàn)室搭建的單相九電平MMC實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)介紹，包括子模塊電容、橋臂電