模块化多电平矩阵变换器用于输电系统的关键技术研究

摘要

当今世界，传统化石资源的紧缺及由化石燃料焚烧所引发的环境污染、气候变暖等问题已经成为人类社会面临的公共危机之一。大力开发新型清洁能源、倡导能源互联以实现能源高效利用已成为电力发展的必然趋势，其中新能源并网技术以及大容量远距离输电技术在电力发展和结构转型中发挥着重要作用。先进电力电子技术的发展为高压大功率变换器及变频装置的发展创造了有利条件，电力输送已经从传统的单一工频转变成寻求用不同的频率来降低输电系统的投资和改善电力系统运行指标，低频（多频、分频、直流）输电系统的研究已成为新世纪电力发展的重要方向。
　　与传统两电平或三电平变换器相比，模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)拓扑族采用级联式结构，可将低耐压等级的功率器件拓展用于中/高压大功率场合，并具备输入/输出谐波含量低、模块化设计、易于生产维护、可靠性高以及开关频率较低等优点，在柔性直流输电、低频输电、大功率电机驱动、电力电子变压器等应用场合备受青睐。目前，用于高压直流输电的模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)控制技术日趋成熟且积累了大量工程应用经验，但其在电网电压不对称工况下仍存在控制复杂的缺陷。模块化多电平矩阵变换器(M3C)可实现直接ac/ac变换，在电机驱动领域受到广泛关注，但其在低频输电技术领域的研究仍处于起步阶段。基于全桥模块的模块化多电平变换器(full-bridge modular multilevel converter,FMMC)可以用于电力电子变压器、电网直流融冰以及解决HVDC直流故障穿越问题等领域。此外，FMMC还可用于单相低频输电领域，目前尚未有关于单相低频输电领域的文献报道。因此，对M3C在低频输电领域进行研究，实现电网正常及故障工况下的安全稳定运行，对FMMC在单相低频输电领域可行性的探索，以及对MMC-HVDC在电网故障工况下控制策略的简化具有十分重要的理论研究价值和工程实用价值。
　　本文以模块化多电平矩阵变换器拓扑族中的三类拓扑，即3×3型M3C（简称M3C）、基于全桥模块的3×2型M3C（简称FMMC）、基于半桥模块的3×2型M3C(即MMC)为研究对象，对这三类拓扑分别在三相低频输电(low frequency ac transmission，LFAC)、单相低频输电(single-phase low frequency ac transmission，SLFAC)和高压直流输电（high voltage dc transmission，HVDC）中的关键技术问题展开分析研究，主要包含以下研究内容:
　　(1)研究M3C拓扑族通用的小信号建模及控制器设计方法。建立了级联N全桥和半桥模块桥臂单元的统一小信号模型。提出了适用于M3C拓扑族中各类拓扑的通用层次化电容电压控制策略。以M3C为例，建立了电压电流串级控制系统:内环为桥臂电流直接控制，可同时控制交流两侧电流以及内部环流，无须独立的环流控制器；外环采用层次化控制实现电容电压的均衡。给出了通用的桥臂电流控制器和各层电容电压控制器的参数整定方法。提出了适用于级联全桥模块的最近电平逼近调制方法(nearest level modulation，NLM)，通过在单低频周期内或相邻低频周期选取合适的零开关状态，实现子模块4个开关管的频率基本一致。
　　(2)研究三相低频输电中M3C控制环节滤波器设计方法。通过推导子模块电容电压纹波表达式，得到电容电压上的纹波频率成分及各纹波频率之间的关系。在此基础上提出一种适用于50/3Hz低频输电电容电压控制环节的数字滑动滤波器，可完全滤除子模块电容电压纹波，从而提高整个控制系统的稳态性能。进一步分析各控制层电容电压的频率关系，得到以下结论:从桥臂单元→相单元→三相整体，电容电压纹波呈现由复杂到简单的规律。根据该规律，结合层次化电容电压控制策略，提出层次化滤波器方案，在保证电容电压控制稳态性能的基础上，进一步提高系统的动态性能。
　　(3)研究工频电网电压不对称工况下M3C控制技术。提出了基于双重环流控制和基于单一环流与中性点电压联合控制的两种综合控制策略，均可实现在工频电网电压不对称，M3C工频侧输出功率不对称时，自动调整M3C内部的有功分配，确保M3C两侧交流电流对称，且无须环流抑制器。桥臂电流控制器采用比例调节器+稳态占空比前馈，在电网电压不对称时，仍具备优良的性能，可大为简化环流抑制控制及电流控制器的参数整定。
　　(4)研究了基于FMMC的单相低频输电(SLFAC)技术。分析了低频侧采用正弦波形作为电压波形的不可行性，继而提出了适用于单相低频输电的拟方波波形，不仅可以减小低频侧功率波动，降低电容电压纹波，而且可使电容电压纹波独立于低频侧频率，实现1Hz甚至更低频率的输电。提出了适用于单相低频输电的功率平衡策略，在确保电容电压平衡的基础上，使低频侧功率波动全部由电容吸收，不流入工频电网。推导了由低频侧功率波动引发的电容电压纹波公式，得出在满足电容电压波动限幅的条件下，拟方波切换过程时长的范围。推导得出了FMMC-SLFAC中存在的上、下桥臂电容电压分叉现象，得出可通过选取低频侧输电频率消除上、下桥臂电容电压分叉，并得到低频侧频率的选取范围。给出了FMMC-SLFAC的综合控制策略，并通过仿真进行验证。
　　(5)研究了电网电压不对称工况下模块化多电平变换器(MMC)的控制技术。基于MMC各部分之间的功率关系，提出了叠加交流电流对称控制环节和选取间接控制变量的两种综合控制策略，均可实现自动调节MMC各相桥臂输出至直流母线的有功功率，实现交流侧电流三相对称。采用桥臂电流直接控制，实现交流侧电流、直流母线电流和环流的三重控制，在电网电压不对称时无需交流侧三序电流控制器以及三序环流控制器。通过在桥臂电流参考值中添加零序电流抑制器，消除由桥臂不对称损耗引入直流母线的基频零序电流。给出了综合控制策略，并通过仿真和实验样机进行验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 模块化多电平矩阵变换器拓扑族的结构研究

1．2．2 M3C及其在低频输电中的应用研究现状

1．2．3 FMMC及其在单相低频输电中的应用研究现状

1．2．4 MMC在电网电压不对称工况下的应用研究现状

1．3 本文的主要研究工作

第2章 M3C拓扑族通用小信号建模及控制器设计方法

2．1 引言

2．2 基于全桥或半桥模块的级联式桥臂通用小信号模型

2．2．1 单模块桥臂单元的小信号模型

2．2．2 N模块桥臂单元的小信号模型

2．3 M3C拓扑族通用控制器设计方法

2．3．1 M3C拓扑族通用的层次化电容电压控制方法

2．3．2 M3C功率分析及控制变量选取

2．3．3 M3C控制器设计及参数整定方法

2．3．4 用于级联全桥模块的最近电平逼近调制方法

2．4 仿真实验研究

2．4．1 最近电平逼近调制方法仿真研究

2．4．2 正常工况下M3C仿真研究

2．5 本章小结

第3章 三相低频输电中M3C控制环节滤波器设计

3．1 引言

3．2 适用于三相低频输电系统电压控制环节的滑动滤波器

3．2．1 M3C瞬时功率分析

3．2．2 M3C子模块电容电压纹波分析

3．2．3 用于低频输电系统电容电压控制环节的滑动滤波器

3．3 层次化滤波器设计

3．4 仿真实验研究

3．4．1 采用三种滤波器时M3C系统的稳态性能对比

3．4．1 统一参数滑动滤波与层次化滤波动态性能对比

3．5 本章小结

第4章 电网电压不对称工况下M3C-LFAC控制策略

4．1 引言

4．2 电网电压不对称工况下的两种控制方案

4．2．1 控制方案1

4．2．2 控制方案2

4．2．3 控制方案1与控制方案2的对比分析

4．3 基于双重环流控制的综合控制策略

4．3．1 功翠分析及控制燹量选取

4．3．2 基于双重环流控制的综合控制策略

4．4 基于单一环流与中性点电压联合控制的综合控制策略

4．4．1 功率分析及控制变量选取

4．4．2 基于单一环流与中性点电压联合控制的综合控制策略

4．5 桥臂电流控制器跟踪误差

4．6 仿真实验研究

4．6．1 电网电压对称工况下的仿真研究

4．6．2 电网电压不对称工况下的仿真研究

4．7 本章小结

第5章 基于FMMC的单相低频输电技术

5．1 引言

5．2 单相低频输电系统的电路结构

5．3 低频侧电压波形

5．3．1 正弦波用作SLFAC低频侧电压波形的不可行性分析

5．3．2 一种适用于SLFAC低频侧电压波形的拟方波

5．4 FMMC功率平衡策略

5．4．1 功率平衡控制方法

5．4．2 低频侧功率波动引发的电容电压波动

5．5 低频侧频率选取

5．5．1 FMMC-SLFAC中存在的上、下桥臂电压分叉现象

5．5．2 切换过程中交叉耦合功率分析

5．5．3 稳态过程中交叉耦合功率分析

5．5．4 低频侧频率的范围

5．6 FMMC-SLFAC综合控制策略

5．6．1 功率分析和控制变量选取

5．6．2 FMMC-SLFAC的综合控制策略

5．7 仿真实验研究

5．7．1 低频侧频率与桥臂电压是否分叉的关系验证

5．7．2 正常工况下FMMC-SLFAC的仿真研究

5．8 本章小结

第6章 电网电压不对称工况下模块化多电平变换器控制策略

6．1 引言

6．2 MMC功率分析

6．2．1 两种控制方案

6．2．2 控制变量的选取

6．3 MMC整流器综合控制策略

6．3．1 MMC整流器综合控制策略1

6．3．2 MMC整流侧综合控制策略2

6．4 仿真实验研究

6．4．1 系统级仿真验证

6．4．2 实验平台验证

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及参与的科研项目