模块化多电平变换器关键技术研究及其在STATCOM中的应用

摘要

随着电力电子技术的迅猛发展，多电平变换器由于其优秀的输出波形质量在工业和电力系统领域受到广泛的关注。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converters，MMC)作为多电平变换器的一种新拓扑，具有诸多优点：采用较低开关频率、较低电压等级的开关管实现较高开关频率的输出和较高的耐压水平、模块化设计、便于功率和电压等级扩展、便于冗余设计等，已被公认为是最具发展前景的多电平变换器，非常适合于中、高压应用，例如：高压直流输电(HVDC)、电能质量治理、新能源并网、机车牵引等。本文围绕MMC的数学模型、谐波分析与抑制、电压平衡控制进行深入研究，并对其在STATCOM中的应用进行了研究和实验验证。主要研究工作如下：
　　为了简化控制器设计，清晰描述功率转化过程，本文建立了MMC的简化等效模型。该模型从功率传输的角度，把MMC简化为直流回路和交流回路的组合，并以此为基础，分别建立了直流回路和交流回路的控制系统。该模型清晰描述了直流电源向电容充电，电容把能量再以交流的形式传输给负载的过程；简化了控制方法，便于采用传统 PWM变换器的成熟控制方法；明晰了控制结构，以功率为主导的控制结构，便于有选择性地对非功率成分(谐波)的优化控制。为减少 MMC系统的通信负担，本文也研究了等效DC回路的开环控制，并证明了开环操作的稳定性，为本文的谐波分析奠定基础。
　　建立了等效桥臂电容的电压、电流关系，分析了 MMC电压、电流的谐波特性。首先，研究了环流的成因，推导了环流的谐波组成，从而提出了非闭环控制抑制二次环流的方法，并进一步提出了复合抑制二次环流的方法；有别于现有方法，推导了二次环流的解析解，为主电路参数设计提供参考。其次，分析了二次脉动功率在直流电源、电容和负载中的分配关系，并得出结论：从电容的角度来看，电容的二次脉动功率用来平衡负载的二次功率与由二次环流在直流电源侧引起的二次脉动功率，两者的相位关系决定了电容中二次纹波幅值的大小，这为二次环流与电容电压脉动抑制间的关系提供理论指导。推导出反映环流和输出电流对输出电压谐波影响的关系式，并分析了输出电压的谐波组成。
　　对基于广泛使用的CPSPWM和PDPWM的电压平衡法进行深入的分析。提出了一种基于CPSPWM的桥臂内平衡方法。该方法综合了基于CPSPWM和PDPWM桥臂内平衡方法的优点，具有只需一个平衡控制器、无需电压排序算法、模块开关频率均衡、不影响桥臂合成电压的特点；鉴于已有的桥臂间电容电压平衡方法的不足和局限性，本文提出了一种基于能量通道来平衡桥臂间能量差的方法，实现了桥臂间电容电压平衡与桥臂电压、电流的解耦控制，适用于公共直流母线有供电电源(或支撑电容)的应用，也适用于公共母线侧悬浮的应用，另外，也对提出的桥臂间、内平衡方法的协调问题进行了分析。
　　分析了级联星型、级联三角型连接在STATCOM应用中处理相间不平衡的方法和存在的问题。把能量通道法用在基于MMC的STATCOM应用中，以解决同相桥臂间的不平衡，避免了使用共模注入法不能独立对三相控制的不足。利用本文建立的简化等效电路模型，分析解释了MMC的相间自平衡原理，并且为提高相间平衡的动态响应速度，采用改进的相间平衡控制器。针对基于MMC的STATCOM公共母线侧悬浮的特点，用满足输出最大相电压的要求对电容电压定额。构建了实验样机，通过仿真、实验验证得出结论：基于MMC的STATCOM系统能够在电网不平衡条件下，补偿无功、补偿负序电流、抑制谐波，并具有良好的动态特性。

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1绪论

1.1 引言

1.2 MMC的研究现状

1.3 MMC的应用领域

1.4本文的研究工作

2 MMC简化等效模型及控制

2.1引言

2.2 MMC的工作原理

2.3简化等效模型

2.4简化等效模型的控制

2.5仿真和实验结果

2.6本章小结

3 MMC稳态谐波分析及二次环流抑制

3.1环流的产生分析

3.2环流谐波组成分析

3.3二次环流的解析解

3.4二次环流与电容电压纹波关系及二次功率分配分析

3.5二次环流对交流输出电压的影响

3.6二次环流抑制方法

3.7 仿真及实验验证

3.8本章小结

4 MMC模块电容电压平衡控制

4.1电容电压平衡策略分析

4.2基于CPSPWM的改进桥臂内电容电压平衡

4.3基于能量通道的桥臂间电容电压平衡

4.4控制系统

4.5仿真与实验验证

4.6本章小结

4.7本章附录

5 MMC在STATCOM中应用

5.1 STATCOM的补偿原理

5.2基于三种级联多电平拓扑的STATCOM性能分析

5.3基于MMC的STATCOM应用

5.4仿真和实验结果

5.5本章小结

6 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2今后工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与项目