模块化多电平变换器稳态特性分析及电容电压平衡算法研究

摘要

近年来，基于电压源型换流器的柔性直流输电技术在国内外获得了广泛应用，相比于交流输电或常规直流输电技术，柔性直流输电由于有功和无功可以独立控制、潮流反转快速方便、无需电网支撑换相和快速黑启动等优点，在可再生能源接入、孤岛供电和电网互联等领域有着广阔的应用前景。而作为新一代高压大功率电压源型换流器，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)结合了级联H桥多电平变换器和箝位型多电平变换器的优点，通过扩展子模块数量，可以不断提高输出电压电平数和输出电压等级，同时高度模块化的结构还便于大规模工业制造。因此，MMC成为了学术界和工业界的一大研究热点。本论文建立了MMC系统4阶大信号模型，并提出了根据此模型求取系统稳态解的方法，得到了桥臂电流和子模块电容电压的精确解析表达式。然后在现有的MMC的电容电压平衡算法的基础上，针对低频调制（最近电平调制和低频载波移相调制）提出了一种基于工频排序策略的电容电压平衡算法，同时，针对高频载波移相调制提出了一种基于电容电压分段逻辑处理的电容电压平衡算法。
　　首先，本文通过电路拓扑等效变换得到了MMC的输出等效电路和环流等效电路，并以电路中现有的电感电流、电容电压为状态变量建立了MMC单相2N+2阶通用模型。在此基础上结合电容电压在稳态下平衡的前提条件，将通用模型进行简化，得到了以上下桥臂总体电容电压之和、上下桥臂总体电容电压之差、桥臂环流以及输出电流为状态变量的4阶大信号模型。参考DC-DC电路由大信号模型求解静态工作点的方法，由MMC4阶大信号模型可以求得其桥臂电流和子模块电容电压的完整稳态解析表达式，这对桥臂电感及子模块电容选型具有重要指导意义。
　　其次，本文详细分析了MMC在最近电平调制及低频载波移相调制下的平衡特性，并在此基础上提出了一种基于工频排序策略的电容电压平衡算法。该算法根据上个工频周期的电容电压增量来判断驱动信号的充电能力，进而在每个工频周期选定的排序时刻通过同时排列电容电压增量和当前电容电压将驱动信号分配给各个子模块，分配的基本原则是将充电能力强的驱动信号分配给电容电压低的子模块，将充电能力弱的驱动信号分配给电容电压高的子模块。该平衡算法不仅有效降低了排序频率，大大减小了系统计算量，而且能够保证每个子模块的开关频率相等且较低，同时无需检测桥臂电流。进一步地，为了减小每次排序时的计算量，根据电容电压增量关于驱动信号编号的曲线的对称性，在计算得到对称点编号之后可以根据驱动信号编号与对称点编号的距离推导得到驱动信号的充电能力序列，从而可以取消原始双排序算法中的电容电压增量排序。
　　再次，在高频载波移相调制下前述平衡算法在受到扰动或初始电压不平衡时收敛速度较慢。通过详细的理论推导可以证明，将一对驱动信号作“逻辑与”和“逻辑或”处理可以显著的改变这一对驱动信号的充放电能力，而且逻辑处理后的新的驱动信号的充放电能力主要取决于原始的那一对驱动信号对应的载波相角差。基于这一现象，本文提出了一种基于电容电压分段逻辑处理的电容电压平衡算法。将所有子模块依次按照电容电压最大与最小、第二大与第二小、...第N/2大与第N/2小的方式两两分组配对。当配对的电容电压差处于设定的收敛区域时，将调制得到的驱动信号直接分配给该组子模块。当配对的电容电压差超出收敛区域时，根据电容电压的发散程度选取载波相角差合适的驱动信号作“逻辑与”和“逻辑或”处理，再根据有功功率的传输方向将经过逻辑处理得到的新的驱动信号分配给该组中的两个子模块，从而快速实现所有的电容电压平衡。该算法排序频率为工频，子模块开关频率等于载波频率，没有额外的开关动作产生，而且无需检测桥臂电流。
　　最后，本文设计了一台三相48模块的MMC实验样机，每个桥臂含有8个子模块。实验样机控制系统采用三级树状控制架构，即上层总控制器、中间层相控制器和底层子模块控制器，各个控制器分工明确，便于扩展。相控制器对子模块控制器的信号传递采用光纤复用技术，通过改变脉冲信号的频率来传递命令信号，其他控制器之间均采用串行通信方式交换数据。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高压大功率电压源型变换器拓扑比较

1．2．1 器件串联型拓扑

1．2．2 模块串联型拓扑

1．3 模块化多电平变换器国内外研究现状

1．3．1 MMC稳态特性的研究现状

1．3．2 MMC调制策略的研究现状

1．3．3 MMC电容电压平衡算法的研究现状

1．4 本文研究内容

第2章 模块化多电平变换器稳态特性研究

2．1 模块化多电平变换器工作原理

2．1．1 拓扑结构

2．1．2 等效电路

2．2 模块化多电平变换器大信号模型

2．2．1 单相2N+2阶通用模型

2．2．2 单相4阶模型

2．3 模块化多电平交换器稳态特性分析

2．3．1 基于4阶大信号模型的稳态特性分析

2．3．2 仿真及实验验证

2．4 本章小结

第3章 基于工频排序策略的电容电压平衡算法

3．1 最近电平调制及其平衡特性分析

3．1．1 最近电平调制原理及脉冲生成法

3．1．2 最近电平调制充放电特性分析

3．2 载波移相调制及其平衡特性分析

3．2．1 载波移相调制傅里叶分析

3．2．2 载波移相调制充放电特性分析

3．3 基于工频排序的电容电压平衡算法

3．3．1 双排序机制

3．3．2 平衡算法特性分析

3．3．3 简化平衡算法

3．3．4 谐波负载下的适用性

3．4 平衡算法仿真及实验验证

3．4．1 在最近电平调制下的仿真及实验验证

3．4．2 在载波移相调制下的仿真及实验验证

3．5 本章小结

第4章 基于电容电压分段逻辑处理的电容电压平衡算法

4．1 高频载波移相调制的驱动信号逻辑处理特性分析

4．1．1 高频载波移相调制充放电特性分析

4．1．2 载波移相调制驱动信号逻辑处理

4．1．3 逻辑处理后驱动信号充放电特性分析

4．2 基于电容电压分段逻辑处理的电容电压平衡算法

4．2．1 平衡算法基本原理

4．2．2 平衡算法收敛速度及适用范围

4．2．3 平衡算法参数整定

4．3 仿真及实验验证

4．3．1 基于电容电压分段逻辑处理的平衡算法的仿真验证

4．3．2 基于电容电压分段逻辑处理的平衡算法的实验验证

4．4 本章小结

第5章 模块化多电平变换器实验样机设计

5．1 实验样机设计

5．1．1 参数选择及设计

5．1．2 控制系统架构

5．1．3 硬件电路设计

5．2 实验样机测试

5．2．1 控制系统测试

5．2．2 高压实验测试

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利