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应用于VSC-HVDC的模块化多电平变换技术研究

作　者: 李英涛
导　师: 王广柱
学　校: 山东大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 模块化多电平变换器 MMC 电容电压平衡环流最近电平逼近电容电压排序优化
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着电力电子技术的发展,针对VSC-HVDC领域,西门子公司提出了采用级联子模块的模块化多电平变换器拓扑(Modular Multilevel Converter, MMC).其模块化结构易于集成和安装调试,开关器件通过级联子模块提高装置容量及电压等级；MMC具有直流母线,特别适合于VSC-HVDC和“背靠背”变换器。但是,由于子模块电容电压不均衡与环流问题严重影响MMC控制精度与动态性能,增加了器件保护的成本。因此现有的MMC控制策略,大都研究了子模块电容电压平衡控制策略或环流抑制策略,但是在同时实现抑制环流与子模块电容电压均衡时,还有一定困难。本文先从MMC的工作原理出发,研究了其等效电压源模型及其四象限运行机理,分析了环流产生与子模块电容电压不均衡的原因。根据低压物理模型实验装置设计要求给出了直流母线电压、桥臂串联电感和子模块直流侧电容的选取计算方法。在传统网侧电流反馈功率控制策略的基础上,研究MMC工作机理并提出一种基于层次化电压均衡并采用最近电平逼近调制的MMC桥臂电流独立控制方案。该控制方案对每一个桥臂单独给出电流参考值,通过直接控制一相上/下桥臂极性相反的环流量为零实现MMC环流抑制,电压外环则实现层次化电压控制；针对21电平MMC拓扑,调制方式采用最近电平逼近方式。建立了MMC系统小信号传递函数模型,给出了桥臂电流反馈控制与层次化电容电压控制策略电压电流调节器设计方法和参数整定公式。并对控制器触发频率,调制参数进行计算；对子模块参数差异造成的开关频率不一致进行分析,并提出了优化方案。以MMC并网逆变器为例,结合多层次电容电压平衡控制策略,进行了基于最近电平逼近的桥臂独立电流控制方案仿真验证。仿真和实验证明了综合控制策略的有效性。仿真结果表明,所提出的MMC桥臂电流直接控制方案具有优良的动静态特性,能有效抑制三相内部环流以及子模块电容电压不均衡,并减小了子模块电容电压纹波与交流电流谐波含量,验证了该方案的可行性和有效性。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
符号说明  14-15
第1章绪论  15-25
  1.1 课题研究背景  15-17
  1.2 研究现状  17-23
    1.2.1 控制策略  17-19
    1.2.2 MMC调制方式  19-23
  1.3 本文所做工作  23-25
第2章 MMC拓扑与工作原理  25-37
  2.1 工作原理  25-27
  2.2 MMC子模块开关函数模型  27
  2.3 MMC低频数学模型的建立以及工作状态分析  27-30
    2.3.1 等效电路  27-29
    2.3.2 作状态分析  29-30
  2.4 MMC桥臂瞬时功率分析  30-32
  2.5 MMC二倍频环流的产生  32-34
  2.6 电容电压不平衡原因分析  34-35
  2.7 本章小结  35-37
第3章 MMC主电路参数设计  37-43
  3.1 MMC的主要性能指标  37
  3.2 直流母线电压参数设计  37-38
  3.3 子模块直流侧电容选取  38-40
  3.4 桥臂串联电感选取  40-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章基于层次化电容电压控制的环流抑制策略  43-59
  4.1 电容电压平衡控制  43-46
    4.1.1 一相桥臂总电容电压平衡控制  43-44
    4.1.2 桥臂间电容电压平衡控制  44-45
    4.1.3 级联子模块电容电压平衡控制  45-46
  4.2 环流抑制  46-48
  4.3 控制系统总框图  48
  4.4 MMC建模与分析  48-53
    4.4.1 子模块建模  49-51
    4.4.2 MMC上桥臂建模  51-53
  4.5 MMC桥臂电流闭环控制  53-56
    4.5.1 电流调节器参数设计  53-54
    4.5.2 电流环的等效闭环传递函数  54-55
    4.5.3 桥臂电流控制方案的实现  55-56
  4.6 分层的平均电容电压控制  56-58
  4.7 本章小结  58-59
第5章调制方式选择与优化调制  59-69
  5.1 最近电平逼近调制与载波移相SPWM调制比较  59-63
    5.1.1 调制原理  59-60
    5.1.2 谐波含量比较  60-61
    5.1.3 桥臀级联子模块电容电压均衡方法  61-62
    5.1.4 不同调制方式对开关频率的影响  62
    5.1.5 MMC变换器调制方式的选择  62-63
  5.2 最近电平逼近控制器触发频率选择  63-64
  5.3 最近电平逼近的优化调制  64-67
    5.3.1 优化电压排序周期  65-66
    5.3.2 改进级联子模块电容电压排序算法  66-67
    5.3.3 最近电平优化调制控制框图  67
  5.4 本章小结  67-69
第6章仿真验证与控制电路硬件设计  69-83
  6.1 仿真参数  69-71
  6.2 最近电平逼近优化调制仿真  71-72
  6.3 层次化电容电压平衡控制仿真  72-74
    6.3.1 级联子模块电容电压平衡仿真验证  72-73
    6.3.2 层次化电容电压均衡控制仿真验证  73-74
  6.4 二次谐波环流抑制仿真验证  74-75
  6.5 系统综合控制仿真  75-79
  6.6 控制系统硬件实现方案  79-80
  6.7 硬件电路设计  80-82
    6.7.1 主控芯片选择  80
    6.7.2 开发环境  80-81
    6.7.3 控制平台的实现  81
    6.7.4 控制平台数据的传输与处理  81-82
  6.8 本章小结  82-83
第7章总结与展望  83-87
  7.1 工作总结  83-84
  7.2 工作展望  84-87
参考文献  87-91
致谢  91-92
附件  92

应用于VSC-HVDC的模块化多电平变换技术研究

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