应用于直流电网的模块化功率变换器研究

摘要

新能源的发展对电网结构提出了新的要求，其中，直流电网凭借低损耗和高稳定性再次受到人们的广泛关注。直流电网集新能源、高压直流输电和直流配电网为一体，有利于实现大规模可再生能源的汇集和各区域电网的相互支撑，构建全国性直流电网，符合当前清洁能源和大电网的发展趋势。在构建直流电网的过程中，大功率变换器作为关键的能量转换设备，对新能源的接入和直流母线的互联有着重要作用，因此，研究合适的大功率变换器对直流电网的建设有着重要意义。在此背景下，论文根据直流电网的结构特点对DC-DC变换器以及模块化多电平换流器进行了重点研究。 首先，为了实现直流母线的互联、降低变换器的体积和损耗,提出了一种基于旋转电容的非隔离型软开关双向DC-DC变换器，该变换器通过控制开关频率调节输入/输出电压，大大提高了电压变比。通过变换器不同工作模式下的工作原理，建立了相应的数学模型，研究了变换器的模块化结构特征和损耗特性。仿真结果表明所提变换器体积小、损耗低，实现了能量的双向流动，开关管和二极管均为零电流关断，能量转换效率大于92%。 其次，针对直流输电侧的短路故障问题，以模块化多电平换流器为研究对象，提出了一种器件少、损耗低的改进双半桥子模块，实现了直流侧故障电流的直接阻断。分析了所提子模块的结构特点和直流故障阻断机制，研究了子模块的器件特性和损耗特性，并与其他改进型子模块进行了对比。仿真结果验证了基于改进双半桥子模块MMC的故障阻断能力，有利于实现直流输电线路直流故障的快速切除。 最后，为了进一步完成对短路故障电流的吸收，基于飞跨电容子模块提出了两种适用于模块化多电平换流器的新型子模块。这两种子模块在附加器件作用下通过向电流通路引入子模块电容来达到吸收故障电流、强制关断二极管的目的。同时，提出了一种根据子模块电容能量均分和电压平衡原则实现调制波纵向微调的控制策略，该策略有效解决了所提新型子模块的电容电压平衡问题，提高了子模块的工程实用性。仿真结果表明所提控制策略可以实现电容电压的动态跟踪，两种改进拓扑均能够在数毫秒内清除故障电流并实现系统的快速重启，保障了输电系统的可靠运行。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 高压大功率变换器研究现状

1.2.1 模块化多电平换流器

1.2.2 高压大功率DC-DC变换器

1.3 本文主要研究内容

第2章 基于旋转电容的软开关双向DC-DC变换器

2.1 引言

2.2 电路拓扑

2.3 工作原理

2.3.1 Boost模式

2.3.2 Buck模式

2.4 参数设计

2.4.1 数学分析

2.4.2 电气应力分析

2.4.3 模块化结构

2.4.4 设计流程

2.4.5 控制系统

2.5 损耗分析

2.6 仿真验证

2.6.1 动态响应

2.6.2 稳态工作

2.6.3 杂散电感影响

2.7 本章小结

第3章 基于改进双半桥子模块的故障电流阻断MMC

3.1 引言

3.2 MMC基本工作原理

3.3 改进双半桥子模块

3.3.1 拓扑结构

3.3.2 控制策略

3.3.3 故障清除机制

3.3.4 功率器件耐压分析

3.3.5 不同模块对比分析

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第4章 基于改进飞跨电容子模块的故障自清除MMC

4.1 引言

4.2 改进型飞跨电容子模块

4.2.1 拓扑结构

4.2.2 IFCSM故障清除原理

4.2.3 IFCSM器件应力分析

4.3 新型三电平飞跨电容模块

4.3.1 拓扑结构

4.3.2 N3L-FCSM故障清除原理

4.3.3 N3L-FCSM器件应力分析

4.4 IFCSM和N3L-FCSM经济性分析

4.5 控制策略

4.5.1 MMC数学模型分析

4.5.2 FCSM-MMC控制策略

4.6 故障恢复

4.7 仿真验证

4.7.1 控制策略验证

4.7.2 IFCSM仿真结果

4.7.3 N3L-FCSM仿真结果

4.8 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢