模块化多电平变流器控制方法及在风力发电中应用研究

摘要

基于风电场高压直流输电多端系统的模块化多电平换流器提供了更高的灵活性和多区域间的能量交换能力。高压直流输电的最大优点是，当输电距离较长时，相对成本要低于交流系统。目前，模块化多电平换流器已广泛应用在高压直流输电领域，作为电能发送端和接受端的换流装置。然而，模块化多电平换流器所面临的主要问题是其低频工作时子模块电容电压波动。为了提高模块化多电平换流器可靠性，论文开展模块化多电平换流器损耗的改进计算方法以及桥臂环流抑制的研究。 论文主要内容包括： 综述当前关于风电、高压直流输电和模块化多电平变流器的技术研究热点和应用热点，总结模块化多电平变流器的发展现状及目前主要的调制方式，分析其各自的优劣性。 研究变流器控制技术以解决当前模块化多电平变流器在风力发电中大功率电力拖动和并网阶段存在子模块电容电压过高的问题，并进行理论分析。 提出了一种基于多模块变流器的三相交直流变流器空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法，该算法不受电压水平的影响，可以扩展到任意子模型。提出了该模型的数学模型。采用旋转D-Q坐标系闭环矢量控制算法对变流器进行控制。 在Matlab/Simulink中对基于MMC变流器进行了仿真，应用基于高频环流闭环注入的波动抑制方法，给出了仿真结果。 研究表明，论文中的SVPWM算法以及波动抑制方法对模块电容电压波动的抑制是有效的。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 风力发电及模块化多电平变流器

1.1.1 风力发电发展现状及高压直流传输

1.1.2 风力发电专用的多模块化变流器概述

1.1.3 模块化多电平变流器的控制

1.1.4 模块化多电平变流器的研究意义

1.2 高压直流连接的模块化多电平变流控制方法研究现状

1.3 论文的研究内容及章节安排

2 基于MMC的风力多端高压直流系统的结构与设计

2.1 多终端高压直流系统

2.2 多端直流输电系统系统级控制

2.2.1. MMC电压控制器的控制模式

2.2.2. 交流侧故障穿越的MTDC控制

2.2.3. MTDC控制最佳直流功率流

2.3 多端直流输电系统与模块化多电平变流器连接的拓扑

2.3.1 点对点拓扑

2.3.2 一般环拓扑

2.3.3 星形拓扑

2.3.4 星形中央开关环拓扑

2.3.5 风电场环拓扑

2.3.6 变电站环拓扑

2.4 六端直流输电系统系统设计

2.4.1 传输线容量计算

2.4.2 总输电线路长度和平均线路额定值计算

2.4.3 输电线路总功率损耗

2.4.4 MTDC网络拓扑选择

2.5 小结

3 基于风力多端高压直流系统的模块化多电平变流器控制方法

3.1 模块化多电平变流器模块拓扑结构

3.1.1 模块化多电平变流器基本拓扑结构与模块化

3.1.1 拓扑结构

3.1.2 MMC转换器的建模

3.1.2 模块化多电平变流器子模块(SM)拓扑

3.2 三相模块化多电平变流器导通状态机理分析

3.3 模块化多电平变流器模型理论分析

3.3.1 串联臂电感上的压降

3.3.2 循环电流

3.3.3 臂电感尺寸

3.4 PWM-SM开关变频器控制

3.4.1 Clark变换过程

3.4.2 扇区判定

3.4.3 矢量作用时间计算

3.4.4 Park变换过程

3.5 模块化多电平变流器子模块电压波动抑制策略

3.5.1 子模块电压波动的桥臂功率计算

3.5.2 SM电容电压波动范围计算

3.5.3 电压波动估计抑制策略

3.6 小结

4 模块化七电平变流器仿真与试验验证

4.1 基于SVPWM模块化七电平变流器的仿真模型

4.1.1 Clark反变换过程与Park变换过程实现

4.1.2 SVPWM调制过程实现

4.2 三相七电平模块化多电平变流器仿真模型搭建

4.3 MMC电压波动抑制子模块

4.4 模块化七电平变流器的仿真结果与分析

4.4.1 SVPWM信号输出以及波动抑制性能

4.4.2 桥臂电压电流输出以及波动抑制性能

4.5 实验

4.6 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

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