模块化多电平整流器优化控制策略研究

摘要

随着现代文明对电能需求的增加，电能变换装置的研究变得越来越重要。电压源型变换器经历了两电平至多电平的发展阶段。相对于两电平变换器，多电平变换器具备更好的基波特性、较低的开关频率与器件耐压要求。模块化多电平变换器在多电平变换器家族中具有举足轻重的地位，其模块化的设计方法、易于功率和电压等级扩展等优点吸引了国内外学者的广泛关注。本文以模块化多电平整流器（Modular Multilevel Rectifier，MMR）为研究对象，分别研究了其在电网平衡与不平衡情况下的工作原理，并提出了改进系统控制策略的方法。
　　系统启动时，如果子模块电容电压值低于安全工作时电压值，将会引起较大的冲击电流，造成功率开关器件与电容器的损坏。本文推导了不控充电方式下子模块电容电压的表达式，指出了不控充电方式存在子模块电容电压稳定值受网侧线电压峰值与桥臂子模块个数限制的缺点，并提出了一种选择充电方法。
　　为避免传统的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）策略权重因子的参数调节困难与遍历寻优复杂等问题，本文提出了一种优化模型预测控制策略（Optimized Model Predictive Control，OMPC）。该控制策略在每个计算周期，无需借助价值函数即可得到最优的子模块导通个数。因此，很大程度上降低了控制器的设计难度与运算量。借助MMR数学模型，推导了桥臂电压与相电流、环流实际值及其参考值的关系。借助最近电平逼近或模块统一脉宽调制策略确定子模块导通个数与占空比，通过排序均压策略维持子模块电容电压稳定。
　　针对理想电网情况，建立了MMR的数学模型，并基于此研究了传统双闭环控制策略控制器参数的设计方法。用优化模型预测控制策略取代传统的电流内环前馈解耦控制器，降低了电流内环控制器参数调节的复杂性，提高了电流内环的动态性能。
　　针对非理想电网情况，建立了MMR的数学模型，介绍了基于信号延时法的正负序分离方法。对抑制直流侧有功功率波动与抑制交流电流不平衡两个控制目标分别提出了基于优化模型预测控制的电网不平衡控制方法。方法的有效性通过软件仿真与物理实验得到了验证。

目录

声明

致谢

1绪论

1.1课题研究背景及意义（ Background and Significance of the Subject）

1.2国内外研究现状（Overseas and Domestic Research Status）

1.3国内外应用现状（Overseas and Domestic Application Status）

1.4本文主要研究内容（Main Contents of This Subject）

2模块化多电平整流器

2.1基本结构与操作原则（ General Structure and Operational Principle）

2.2调制策略（Modulation Strategy）

2.3子模块电容电压平衡控制策略（ Capacitor Voltage Balancing Method）

2.4环流抑制策略（Circulating Current Suppressing Strategy）

2.5本章小结（Conclusion）

3理想电网下模块化多电平整流器控制策略研究

3.1理想电网下模块化多电平整流器数学模型（The Mathematic Model of MMR under Ideal Grid）

3.2常规PI电流调节器（The Design of PI Current Regulator）

3.3优化模型预测电流控制（ Optimal Model Predictive Current Control）

3.4定直流母线电压控制策略（DC-Link Voltage Control Strategy）

3.5仿真分析（Simulation Analysis）

3.6本章小结（Conclusion）

4非理想电网下模块化多电平整流器控制策略研究

4.1非理想电网下正负序分量检测（ Positive/Negative Sequence Component Extraction under the Non-ideal Grid）

4.2非理想电网下模块化多电平整流器数学模型（The Mathematic Model of MMR under Non-ideal Grid）

4.3非理想电网下模块化多电平整流器控制策略（ The Control Strategy of MMR under Non-ideal Grid）

4.4仿真分析（Simulation Analysis）

4.5本章小结（Conclusion）

5实验验证

5.1硬件结构（Hardware Structure）

5.2软件设计（Software Design）

5.3实验分析（Experimental Analysis）

6总结与展望

参考文献

作者简介

学位论文数据集