模块化多电平换流器的预充电控制策略研究与装置研制

摘要

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）具有模块化结构、输出波形电平数高、公共直流母线等优点，相较其它多电平换流器，这些优点使其获得了国内外学者的研究兴趣，并且在高压大容量轻型直流输电和柔性交流输电等领域取得了广泛的工程应用。本文在阅读已有文献的基础上，通过仿真分析和实验验证相结合的方法对 MMC的一些关键技术进行了分析，并在这些关键技术上提出了有效的解决方法。
　　MMC拓扑的特点是每个桥臂都采用功率模块级联的方式构成，并通过在桥臂中串联电抗器来减小因相单元间电压不平衡而引起的桥臂环流。首先，针对半桥结构的功率模块，了解了 MMC的基本工作原理，在建立 MMC的数学模型的基础上分析了采用直接电流控制时 MMC的装置级控制器设计。其次，考虑到在MMC型轻型直流输电系统正常运行前需要将功率模块的电容器预充电至其额定值，于是分别从交流电网侧和直流母线侧启动两种情况下对 MMC预充电的控制方法进行研究，并将其充电过程分为可控预充电和不可控预充电两个阶段。最后，提出了直流侧启动在可控预充电阶段时采用电压前馈控制并附加恒定电流控制的预充电控制策略。
　　适用于 MMC的 NLC调制和基于载波的 PWM调制都有自身的特点。首先，分析 MMC在不同调制策略下的 N+1电平调制和2N+1电平调制分别与上下桥臂对应载波间相角差的关系。其次，分别从系统正常运行条件与实际运行时存在过调制、载波相角误差条件两种情况下，对比分析不同调制策略下的 MMC输出特性以及内部动态特性。
　　实验是验证理论分析最有效的方式，本人参与设计并搭建了一台三相 MMC无源逆变实验装置。由于硬件电路设计时需要对 MMC桥臂中大量的子模块电压进行测量，所以采用一套基于DPS+CPLD+FPGA的主从控制系统来实现装置的多路快速采样，电压均衡控制算法，以及 PWM脉冲的转接。通过实验，对采用CPS-PWM策略的 MMC进行了验证，测得的实验波形验证了控制系统架构的可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 轻型直流输电（VSC-HVDC）的发展

1.3 MMC型轻型直流输电的研究发展现状

1.4 本文研究的主要内容

第2章 MMC的工作原理与采用电压前馈控制的预充电控制策略分析

2.1 MMC的拓扑与工作原理

2.2 MMC的建模与装置级控制器设计

2.3 采用电压前馈控制的MMC型轻型直流输电的预充电控制策略

2.4 本章小结

第3章 适用于MMC的调制策略对比分析

3.1 调制方式的选择

3.2 不同调制方式下MMC的谐波特性分析

3.3 MMC调制方式对比分析

3.4 本章小结

第4章 模块化多电平换流器的实验装置研制

4.1 实验平台的总体结构

4.2 控制系统的硬件电路设计

4.3 控制系统的软件设计

4.4 实验结果与分析

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的研究成果