模块化多电平换流器环流谐波与电容电压波动的抑制技术

作     者：徐聃聃 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐殿国

授予年度：2015年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：模块化多电平换流器(MMC) 环流谐波 电容电压波动 

摘      要：模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种新颖的多电平电压源换流器,其子模块(Sub Module,SM)相互级联、易于拓展、便于装配,且可以获得交流输出近乎完美的正弦特性和较高的电压等级,因而MMC在中高压应用领域具有明显的优势。目前,MMC已广泛应用在高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)领域,作为电能发送端和接受端的换流装置;除此之外,MMC在中压电机驱动方面也拥有着巨大的潜力及广阔的应用空间。相较于传统H桥级联(Cascaded H-bridge,CHB)结构,MMC应用于电机驱动时无须采用昂贵且庞大的移相变压器,仅利用同一个直流母线即可向三相交流侧提供能量。然而,MMC应用在电机驱动场合时所面临的主要挑战是其低频工作时严重的子模块电容电压波动问题。MMC稳定运行的前提是SM电容电压的均衡,本文基于对MMC工作原理和数学模型的分析,阐述了适用于MMC的控制策略,实现对有功、无功功率的调节及对电容电压的均衡控制。电容电压的控制本质上是对流经SM的内部环流的控制。然而,环流中存在的偶次谐波,如不加抑制会造成桥臂电流发生畸变,增加MMC暂态不稳定性、加大开关器件承受的电流应力以及变换器的损耗。对此,本课题提出了一种基于比例重复控制器(Proportional Repetitive Controller,PRC)的环流谐波抑制方法,能够准确的跟踪并抑制多次环流谐波。本文分析了MMC电容电压波动的形成原因以及波动成分,其中包含二倍频共模波动及基频差模波动。在理论分析的基础上,本文提出了基于比例积分谐振(Proportional Integral Resonant,PIR)控制器的电容电压共模波动抑制方法。针对差模电压波动,本文提出了基于高频环流闭环注入的波动抑制方法,即在MMC交流侧注入高频共模电压并注入同频率的环流构建上下桥臂之间能量交换的快速通道,最终抑制差模波动;在此基础上,本文讨论了需要注入的环流最优值,最大限度的减小桥臂电流应力,提出了MMC低频工作时的整体控制策略;最终,采用梯形波取代正弦波作为注入的高频环流及共模电压,大大降低高频环流的幅值。最终,本文通过在MATLAB\Simulink中搭建的仿真平台和在实验室搭建的三相实验样机上应用本文提出的控制方法,均验证了方法的可行性和有效性。