基于模块化多电平的电能质量综合补偿实验研究

摘要

随着工业的不断发展，各种电力电子设备的接入对电网的电能质量产生较大影响，还有可能威胁电力系统中部分无功补偿设备的正常运行。目前，已有多种电路拓扑被应用于电力系统电能质量的综合补偿领域的研究。其中，模块化多电平换流器以其模块化、高度集成化和输出电平数可扩展化等优点，受到了众多科研工作者的关注。本文采用理论分析和仿真验证的方法对模块化多电平换流器(MMC)几个关键问题予以解决并对其进行了验证。另外，利用仿真实验与硬件实验相结合的方法对模块化多电平换流器应用于电力系统电能质量的综合补偿领域进行研究，相关的研究内容和成果可概括为:
　　(1)根据MMC电路拓扑，建立等效电路模型。结合已有文献，提炼了两种适用于MMC电容电压控制的调制策略，然后搭建仿真模型进行分析与验证。
　　(2)结合已有文献，推导了桥臂功率和环流的表达式并选择了一种采用桥臂电流控制的MMC环流抑制方案，然后搭建仿真模型进行了验证。
　　(3)介绍了一种基于新型箝位双子模块的MMC综合冗余控制策略。该策略可以在子模块故障时，利用同桥臂冗余子模块快速替换故障子模块，使MMC快速恢复运行，并搭建仿真模型进行了验证。
　　(4)详细阐述了MMC无功补偿的原理，建立了MMC-STATCOM在abc坐标系和dq坐标系下的数学模型，设计了MMC-STATCOM定量发无功的控制系统。
　　(5)详细介绍了MMC-STATCOM应用于电力系统电能质量综合补偿的原理，给出了MMC-STATCOM综合补偿时的指令电流提取方法和控制器设计方法。
　　(6)搭建了基于MMC的电能质量综合补偿仿真模型，分析了仿真所得相关数据，验证了将MMC应用于电能质量综合补偿领域的可行性和优越性。
　　(7)搭建了实验样机的整体硬件电路和控制电路，并完成了对样机的相关实验。详细分析实验所得相关数据，验证了模块化多电平换流器应用于电力系统电能质量综合补偿领域的的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 无功电流的产生与危害

1．1．2 谐波电流的产生与危害

1．1．3 三相不平衡电流的产生与危害

1．2 电能质量综合补偿电路拓扑简介

1．2．1 三相半桥型电路拓扑

1．2．2 多电平型电路拓扑简介

1．3 模块化多电平换流器的应用现状

1．4 本文研究的主要内容

第二章 模块化多电平换流器关键问题研究

2．1 MMC电路拓扑与等值电路分析

2．1．1 MMC电路拓扑

2．1．2 MMC子模块电路拓扑与工作机理分析

2．1．3 基于HBSM的MMC等值电路

2．2 MMC电容电压控制技术和调制策略

2．2．1 基于电容电压排序的最近电平逼近调制策略

2．2．2 基于载波移相的电容电压分层控制策略

2．2．3 基于CPS-SPWM的电容电压分层控制仿真分析与验证

2．3 MMC环流分析与抑制策略

2．3．1 MMC桥臂功率分析

2．3．2 MMC环流分析

2．3．3 MMC环流抑制策略研究

2．3．4 MMC环流抑制策略仿真分析与验证

2．4 MMC冗余控制策略研究

2．4．1 MMC冗余控制策略分析

2．4．2 基于新型箝位双子模块的MMC冗余备用策略研究

2．4．3 基于新型箝位双子模块的MMC综合冗余控制策略

2．4．4 基于新型箝位双子模块的MMC综合冗余控制策略仿真分析与验证

2．5 本章小结

第三章 基于MMC的电能质量综合补偿原理与仿真分析

3．1 MMC-STATCOM数学模型与定量发无功控制系统设计

3．1．1 MMC-STATCOM定量发无功原理

3．1．2 MMC-STATCOM数学模型

3．1．3 MMC-STATCOM定量发无功控制系统设计

3．2 MMC-STATCOM综合补偿原理与控制策略研究

3．2．1 MMC-STATCOM综合补偿工作原理

3．2．2 MMC-STATCOM综合补偿装置控制系统设计

3．2．3 MMC-STATCOM综合补偿电流信号提取方法

3．2．4 MMC-STATCOM控制器设计

3．3 基于MMC的电能质量综合补偿仿真分析与验证

3．4 本章小结

第四章 基于MMC的电能质量综合补偿实验研究

4．1 基于MMC的电能质量综合补偿装置控制系统的整体结构

4．2 基于MMC的电能质量综合补偿装置控制系统的硬件设计

4．2．1 硬件系统需求分析及总体架构

4．2．2 控制系统的部分硬件设计

4．3 控制系统的软件设计

4．3．1 DSP程序设计

4．3．2 FPGA程序设计

4．3．3 上位机程序设计

4．4 样机调试与实验分析

4．4．1 基于模块化多电平的电能质量综合补偿实验样机及主要参数说明

4．4．2 实验结果及分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

致谢

参考文献

附录