模块化多电平变流器预充电和相间功率不平衡研究

作     者：刘亮 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张兴

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：模块化多电平换流器(MMC) 调制策略 控制策略 预充电 功率不平衡 分层式控制系统 实验平台 

摘      要：近年来,随着电力电子技术的发展,高压大功率电力电子设备被广泛应用于电力系统中的柔性交流输电、高压直流输电、静止无功补偿等场合,其能够有效地提高系统电能质量和输配电系统效率。随着新能源的快速发展,柔性直流输电技术将会在我国未来电网的发展中起到十分关键的作用。在柔性直流输电工程中,多电平换流器由于其输出波形谐波含量低、功率器件电压应力低等优点,被越来越多地应用于高压大功率领域中。在众多多电平拓扑中,模块化多电平拓扑(MMC)由于具有模块化易扩展、良好的冗余特性、输出谐波低、功率器件开关频率低等优点,使之成为近年来的研究热点。本文首先对MMC的拓扑结构及工作原理进行了分析,分析推导了 MMC正常工作时上、下桥臂电压,输出交流电压及上、下桥臂电流,环流和交流输出电流之间的关系。对目前常用的调制策略、基本控制策略做了全面的阐述,详细分析了载波层叠PWM调制、载波移相PWM调制和NLM调制等MMC调制策略,并构造了基于电流内环和电压、功率外环的控制系统。本文接着研究了 MMC的启动预充电方案。分为直流侧预充电和交流侧预充电,详细分析了充电回路并建立了充电等效电路模型,分析并推导了限流电阻的表达式。结合现有的预充电控制方案,对其中充电不平衡和充电时间较长的问题给出了优化控制方法,并搭建了 MATLAB/Simulink仿真模型进行验证。针对子模块带光伏板的系统,分析了光伏板输出功率不平衡导致的MMC相间功率不平衡问题,分析了功率不平衡对变流器以及输出波形的影响,给出能量平衡控制的解决方案,并搭建了 MATLAB/Simulink仿真模型进行验证。最后设计并搭建了基于分层思想的三相MMC实验平台,具体包括:MMC硬件系统设计和软件控制系统设计。其中硬件系统设计包括主电路设计及主控制器(DSP)、桥臂控制器(FPGA)、子模块控制器(CPLD)的设计,DSP、FPGA、CPLD构成了 MMC的三层控制系统。软件控制系统设计包括上述三层控制器的软件设计。在此实验平台的基础上,进行了电流闭环控制和启动预充电实验,实验结果表明了方案的可行性。