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应用于电力电子变压器的MMC子模块故障容错控制研究

应用于电力电子变压器的MMC子模块故障容错控制研究

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作者：刘琦山东大学

学位级别：硕士

随着能源需求的加剧和环境污染问题的加重,分布式清洁能源的将会成为未来能源结构的主要组成部分,同时混合微电网及能源互联网的提出也为分布式清洁能源的发展指明了方向。但作为核心设备的传统电力变压器已经无法满足电力系统的在规模... 详细信息

随着能源需求的加剧和环境污染问题的加重,分布式清洁能源的将会成为未来能源结构的主要组成部分,同时混合微电网及能源互联网的提出也为分布式清洁能源的发展指明了方向。但作为核心设备的传统电力变压器已经无法满足电力系统的在规模及功能多样化方面的变化,另一方面随着电力电子器件及电力电子技术的飞速发展,电力电子变压器应运而生。在三级型电力电子变压器的多种级联拓扑结构中,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)拓扑的应用为电力电子变压器在中高压领域中的应用提供了解决方案,也为未来能源互联网中的发展提供了支撑。但由于在中高压应用场合中MMC所需的子模块数非常多,子模块中每个元器件都是潜在的故障点,如何通过有效的容错控制策略来处理MMC子模块故障,确保整个系统的可靠稳定运行,是目前亟待解决的关键技术问题。本文以基于MMC拓扑的电力电子变压器为研究背景,从以下几个方面对模块化多点变换器进行了研究与分析:首先,介绍了MMC及子模块的拓扑结构,分析了子模块及三相MMC的工作原理,并建立了相应的开关函数数学模型,列出了其子模块电容电压、桥臂电压电流、三相电压电流、直流侧电压电流之间的关系。其次,详细介绍了目前MMC中常用的两种调制原理,对比各自优缺点并指出了最近电平逼近调制在中高压应用领域中的优势,提出了一种改进的最近电平逼近调制方法,当子模块数较少时,可以在不增加子模块数量、功率开关管的开关频率与开关损耗的情况下,改善输出波形的谐波特性。在MATLAB软件中构建了SIMULINK仿真模型,验证了所提改进调制策略的有效性。再次,对MMC子模块的各种故障的机理进行了详细的分析,根据基尔霍夫电压电流定律建立了基于相间环流和直流侧电流的数学模型,得到直流侧电流与子模块电容电压之间的关系,并据此提出了一种基于直流侧电流的故障诊断方法;对比分析了几种常用的冗余子模块备用方案,提出了一种冗余子模块同时参与系统预充电过程的备用方法,采用冷备用子模块与热备用子模块并存的方案,确保在故障子模块切除后,备用子模块可以在最短时间内替代运行。在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型,验证所提容错控制策略整体方案的有效性。最后,介绍了MMC实验平台的搭建工作,着重解决了电压电流信号的采集、多路模数信号转换实现、过流保护硬件电路设计、dsp与fpga协调控制器设计等硬件电路问题,以及dsp与外部AD的通信、dsp与fpga的通信等软件设计问题。最后在样机上进行了改进最近电平逼近调制策略的验证工作,并在RT-LAB实验平台上验证了所提故障诊断策略的有效性。

关键词：电力电子变压器模块化多电平换流器最近电平逼近调制故障诊断子模块备用容错控制 dsp与fpga控制系统

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准Z源H桥级联型多电平逆变器研究与设计

准Z源H桥级联型多电平逆变器研究与设计

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作者：郭文君山东大学

学位级别：硕士

随着社会发展,我国面临着越来越严峻的能源与环境压力,然而人们对更高物质生活水平以及良好生活环境的要求日益迫切,这就要求我们在能源环境领域进行变革,寻找新的突破点。发展清洁能源,提高清洁能源领域的技术创新是缓解我国能源危机,... 详细信息

随着社会发展,我国面临着越来越严峻的能源与环境压力,然而人们对更高物质生活水平以及良好生活环境的要求日益迫切,这就要求我们在能源环境领域进行变革,寻找新的突破点。发展清洁能源,提高清洁能源领域的技术创新是缓解我国能源危机,减轻环境污染的关键。从清洁能源发展近况看,近几年,风电、水电、光伏、核能等都有较快发展。这些产业的发展与电力电子领域的技术进步息息相关,尤其是电力电子逆变器技术的提高与完善对风电、光伏产业的推动功不可没。本文研究了一种拓扑较为新颖的H桥级联型多电平逆变器,该种逆变器在光伏发电、高压逆变等场合具有较好的应用前景。准Z源H桥级联型多电平逆变器由我国学者葛宝明提出,其融合了准Z源网络与级联型拓扑的优势,既可以实现直流侧升压功能,又可获得良好的并网电流质量。针对准Z源H桥级联型多电平逆变器,本文从以下几个方面进行研究分析与系统设计。首先,建立了该系统的小信号以及稳态数学模型。在小信号数学模型基础上,运用参量扫描法绘制了电容电感值以及直通占空比因子对准Z源网络电容电压的零极点分布图,并分析了各参量对系统性能的影响,为控制器的设计奠定了基础。其次,分析了级联型逆变器功率不平衡工况下的运行机理,提出了相内和相间功率平衡控制方法,分别解决了直流母线电压漂移问题和三相输出电流对称控制问题。在此基础上,设计了单相、三相准Z源H桥级联型多电平逆变器系统整体控制策略,主要包括并网电流控制、功率平衡控制、直流母线电压控制和滤波电容电压控制。采用MATLAB软件,构建了系统SMULINK仿真模型,通过仿真验证了所提功率平衡控制方法以及整体控制策略的有效性。再次,分析了系统软硬件设计中存在的问题,着重解决了多模拟量数据采集、dsp与fpga并行通讯、改进的CPS-SPWM逻辑电路设计方法、系统运行时序等系列难点,设计了基于dsp与fpga的主从控制系统。给出了功率器件选型方案,并搭建了10kW三相准Z源H桥级联型逆变器样机。最后,在样机平台上,分别进行了单相与三相准Z源H桥级联型逆变器实验,人为设置功率不平衡实验条件,验证了系统功率平衡控制方法的可行性以及系统整体控制策略的正确性。

关键词：准Z源网络级联型多电平逆变器功率平衡控制母线电压漂移载波移相正弦脉宽调制 dsp与fpga控制系统

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