模块化多电平变流器(MMC)实验装置的研制

摘要

近年来，模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)凭借其功率器件开关频率低、交流输出电压谐波小、模块化程度高等优点，在高压大功率场合特别是柔性直流输电场合得到了广泛的应用。因此，国内外学者对MMC进行了大量研究。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了子模块的工作状态和MMC的工作原理;然后，从能量守恒的角度分析了电容电压的波动机理及其与环流的相互作用关系，指出电容电压波动以基频和二倍频为主并分析了电压波动的影响因素，同时总结了环流对电容电压波动、交流输出电压和桥臂电流等的影响。⑵介绍了两种MMC常用的调制策略:载波移相正弦脉宽调制(CPS-SPWM)和最近电平逼近调制(NLM)，以及分别适用于这两种调制策略的分级均压策略和排序均压策略;前者输出谐波特性好，适用于子模块数较少的场合，后者原理简单，实现容易，适合子模块数很多的场合。针对传统的排序均压策略存在的开关动作频繁问题进行了优化设计，在保证子模块电容电压波动较小的同时，可以有效减少开关器件的动作次数，从而降低开关损耗;通过仿真和实验对优化前后的均压策略进行了对比分析。⑶为了验证研究成果，设计了MMC实验装置，从理论分析出发对主电路关键参数的选择进行了研究。介绍了实验装置的三级控制架构，给出了各部分的主要功能;从能量波动的角度给出了子模块电容的选取原则;从满足功率运行范围、限制二倍频环流、避免系统谐振3个方面给出了桥臂电感的选取原则。⑷针对MMC实验装置的启动问题，设计了交流侧和直流侧两种预充电方法，并对闭锁阶段和解锁阶段的充电过程进行了详细分析，给出了具体的充电步骤和限流电阻的计算方法;在交流侧充电的过程中，引入了直流电压斜率控制，可以有效抑制解锁瞬间的冲击电流。⑸提出了一种集成控制器的子模块设计方案，使用CPLD作为子模块控制器，实现本地控制和保护。从功率电路和控制系统两方面介绍了子模块的设计方法，所设计的子模块功能完善，通信简单，且具有完整的保护系统。此外，简单说明了子模块的测试方法。⑹在MMC实验装置上进行实验，验证了本文的理论分析和控制策略的有效性以及参数选择的合理性。另外，针对MMC的整流、有源逆变、无源逆变等不同工况进行了研究，设计了相应的控制策略，实验证明所设计的控制策略具有良好的稳态和动态性能。同时，各种实验也综合证明了实验装置功能完善、性能良好，达到了设计预期。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 模块化多电平变流器的应用

1．3 模块化多电平变流器的研究现状

1．3．1 MMC的调制和均压策略

1．3．2 MMC主电路参数的设计

1．3．3 MMC子模块的设计

1．3．4 MMC不同工况下的控制策略

1．4 本文的主要研究内容

2 MMC的工作原理和控制策略

2．1 MMC的工作原理和稳态运行分析

2．1．1 子模块工作原理

2．1．2 MMC工作原理

2．1．3 电容电压波动与环流分析

2．2 MMC的调制和均压策略

2．2．1 CPS-SPWM调制及其均压策略

2．2．2 NLM调制及其均压策略

2．3 仿真分析

2．4 本章小结

3 MMC实验装置的系统设计

3．1 MMC实验装置的整体设计方案

3．2 实验装置的控制系统设计

3．2．1 硬件控制系统设计

3．2．2 RT-LAB半实物仿真控制系统设计

3．3 子模块电容的设计

3．4 桥臂电感的设计

3．4．1 满足功率运行范围

3．4．2 限制二倍频环流

3．4．3 避免系统谐振

3．5 预充电电路的设计

3．5．1 交流侧预充电

3．5．2 直流侧预充电

3．6 本章小结

4 MMC子模块设计和测试

4．1 子模块整体设计方案

4．2 功率电路设计

4．2．1 开关器件选择和驱动设计

4．2．2 旁路电路设计

4．2．3 采样和检测电路设计

4．3 保护和控制系统设计

4．3．1 保护系统设计

4．3．2 控制系统设计

4．4 子模块功能测试

4．5 本章小结

5 MMC在不同工况下的控制策略和实验研究

5．1 均压策略实验

5．1．1 基于CPS-SPWM的分级均压策略实验

5．1．2 基于NLM的排序均压策略实验

5．2 整流工况实验

5．2．1 整流控制策略

5．2．2 实验结果分析

5．3 有源逆变工况实验

5．3．1 有源逆变控制策略

5．3．2 实验结果分析

5．4 无源逆变工况实验

5．4．1 无源逆变控制策略

5．4．2 实验结果分析

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

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