隔离型模块化多电平DC-DC变换器的设计和控制策略的研究

作     者：张毅 

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：2016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：隔离型 模块化 DC-DC变换器 启动策略 无功功率控制 

摘      要：高压直流输电适宜远距离输电,有利于大规模可再生能源的接入,虽然当今全球已有大量直流输电的应用工程,但大部分的设计仍是“点对点的连接,究其原因很重要的一点是直流电网缺少DC-DC变换器或直流变压器。对比传统的交流电网,直流输电由于缺乏DC-DC变换器无法像交流电网一样实现复杂的能量调度,因此直流变压器技术的研究对直流输电非常重要。目前,高压大容量DC-DC变换器已提出许多不同的拓扑结构,其中主要分为LC谐振型和模块化型。LC谐振型由于大量依赖等被动器件,开关应力大,优势不明显;而模块型使用中低压器件的串联实现高压,相对更成熟,其中隔离型模块化多电平DC-DC变换器(IMMDC)是这一类型的典型结构,其利用一个变压器从交流侧将两个MMC进行连接,实现直流变压的能力,具有故障阻断的能力,被视为直流输电场合中最具潜力的DC-DC变换器之一。本文以隔离型模块化多电平DC-DC变换器为主要研究对象,从三个方面对其结构和控制进行详细地讨论和分析:首先,对其结构的数学模型和被控对象的状态方程进行了推导,根据其数学模型设计相应的电路参数,搭建了三相600V/10kW的实验平台,其中每个桥臂7个子模块,共84个子模块,并通过两种不同的实验条件对变换器的设计和基本的控制策略进行详细地验证。其次,针对IMMDC直接启动存在较大的电流冲击以及无控充电无法实现子模块电容电压达到额定值这两个问题,本文对IMMDC的启动过程进行了详细分析并提出了软启动的控制策略,该策略针对“双侧接有源直流以及“单侧接有源直流两种不同的工况进行了分别讨论,其中双侧接有源直流时采用恒流预充电的控制策略,而单侧接有源直流时分别采取离线计算和闭环控制两种不同方法进行验证,实现了IMMDC在不同工况下的正常启动,并进行了仿真和实验的详细验证验证。最后,针对IMMDC的稳态运行,本文着重讨论了被现有文献所忽略的无功功率,深入分析了IMMDC内部的无功功率对有功功率传输能力以及器件选型的影响,发现了无功功率均分时有功功率传输能力最大,子模块电容电压波动最小,并基于比例谐振控制器控制相角相等实现最优无功功率的控制,并通过了仿真和实验的验证。