【摘要】：模塊化多電平變流器(modular multi-level converter,MMC)較傳統(tǒng)多電平拓?fù)溆薪Y(jié)構(gòu)高度模塊化、電壓和功率等級可自由拓展、高功率密度、控制結(jié)構(gòu)靈活等諸多優(yōu)勢,自2001年提出以來便受到廣泛關(guān)注,但在一些特殊應(yīng)用場合下仍受自身拓?fù)涮匦韵拗��；诖?本文以MMC為研究對象,以礦山高壓大功率風(fēng)機(jī)驅(qū)動為應(yīng)用背景,對其系統(tǒng)建模、優(yōu)化控制方法、安全運(yùn)行能力以及相關(guān)衍生問題展開研究。針對MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、模型建立等相關(guān)問題進(jìn)行研究。討論MMC主電路拓?fù)湟约白幽K結(jié)構(gòu),介紹其基本工作原理�；诖私MC連續(xù)域數(shù)學(xué)模型,分析其交、直流側(cè)以及內(nèi)部變量間的關(guān)聯(lián)及自身特性,并充分考慮子模塊電容電壓波動情況對系統(tǒng)內(nèi)部以及輸出品質(zhì)的影響,建立子模塊電容電壓波動平均值模型(SCVF-AVM),分析SCVF-AVM與MMC經(jīng)典連續(xù)域平均值模型間的差異性,并就其對系統(tǒng)動穩(wěn)態(tài)特性產(chǎn)生的影響進(jìn)行驗證。針對MMC內(nèi)外部控制變量較多且相互耦合、多目標(biāo)協(xié)同控制難度大的問題進(jìn)行研究,提出了一種適用于MMC的FPS-MPC方法,重點(diǎn)圍繞經(jīng)典模型預(yù)測控制預(yù)測運(yùn)算過于繁雜以及不同控制目標(biāo)之間協(xié)同優(yōu)化等方面進(jìn)行展開。建立MMC離散域數(shù)學(xué)模型,分析了傳統(tǒng)MPC方法應(yīng)用于時MMC大運(yùn)算量、開關(guān)頻率不固定以及子模塊控制資源沒有充分利用等問題的產(chǎn)生原因。對不同控制目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先級劃分,充分利用子模塊協(xié)處理器資源,降低核心處理器的運(yùn)算負(fù)荷。在FPS-MPC的尋優(yōu)環(huán)節(jié)引入安全性約束限定與最優(yōu)期望電壓拾取方法,獲得相同控制性能的前提下,大幅度減少了搜索集合內(nèi)元素數(shù)目和預(yù)測次數(shù)。針對低優(yōu)先級控制目標(biāo)問題,提出一種虛擬子模塊映射方法,進(jìn)一步降低子模塊投切頻率,實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)控制。最后,給出了MMC變流器采用FPS-MPC控制方法時的性能測試結(jié)果,包括:穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能、以及安全性約束限定對比分析等。針對MMC驅(qū)動電機(jī)過程中存在的低頻狀態(tài)子模塊電容電壓脈動嚴(yán)重進(jìn)行研究,提出一種MMC變頻優(yōu)化控制方法。首先,建立MMC能量模型,分析低頻狀態(tài)下子模塊電容電壓脈動產(chǎn)生原因,回顧了現(xiàn)階段MMC低頻控制方法。針對橋臂能量不均衡、傳統(tǒng)低頻控制方法損耗大、環(huán)流控制器難于設(shè)計等問題,提出一種基于偏置電壓的低頻控制方法(IBCV2),充分利用高頻共模電壓倍頻分量以降低高頻環(huán)流幅值,并借鑒FPS-MPC思想,通過跟蹤期望橋臂偏置電壓實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部環(huán)流高、低頻分量的間接控制。針對不同頻段子模塊電容電壓波動情況不同問題,設(shè)計高、低頻控制模式切換環(huán)節(jié),在線實(shí)時修正高、低頻控制分量,實(shí)現(xiàn)MMC變頻驅(qū)動電機(jī)動態(tài)過程平滑。同時,實(shí)驗結(jié)果驗證了該方法對MMC變頻驅(qū)動系統(tǒng)的有效性。針對電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下MMC多個控制目標(biāo)間的矛盾性和相單元能量不均衡問題展開研究,重點(diǎn)圍繞“外部控制”和“內(nèi)部控制”兩部分展開。在“外部控制”部分提出一種適用于電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下的靈活電流預(yù)測控制方法(FC-MPC),對正負(fù)序有功無功電流進(jìn)行重新描述和歸一處理,同時舍棄了傳統(tǒng)控制方法繁瑣的坐標(biāo)系變化與正、負(fù)序分量并行控制架構(gòu),直接對MMC網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行預(yù)測控制;依照系統(tǒng)提出的不同控制目標(biāo)靈活修正調(diào)節(jié)因子,實(shí)現(xiàn)不同控制目標(biāo)的快速跟蹤與切換。在“內(nèi)部控制”部分提出一種能量均衡預(yù)測控制(EB-MPC),分析相單元能量不均衡產(chǎn)生原因,并對不平衡部分進(jìn)行補(bǔ)償控制以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下子模塊電容電壓均值穩(wěn)定。MMC多應(yīng)用于高壓大功率嚴(yán)苛場合,提出了較高的系統(tǒng)安全性需求,為此提出一種基于Extend Kalman Filter技術(shù)的MMC子模塊故障診斷方法。針對傳統(tǒng)故障診斷方法觀測對象較多、運(yùn)算量大等問題,選取各相環(huán)流為觀測變量,建立Extend Kalman故障狀態(tài)觀測系統(tǒng),對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測,避免外部噪聲以及過程噪聲的干擾,降低誤診現(xiàn)象的產(chǎn)生�；趥鹘y(tǒng)方法只能對子模塊開路故障類型定位問題,提出基于端口電壓判別的故障子模塊定位方法(SPVD),該方法能夠快速且精準(zhǔn)定位開路、短路不同故障類型子模塊所在位置,使故障診斷系統(tǒng)覆蓋故障類型更多,檢測和定位更加精準(zhǔn)。最后,基于三相模塊化多電平變流器實(shí)驗平臺,完成本文研究內(nèi)容的相關(guān)實(shí)驗驗證。
【圖文】：

元的多電平變流器，如 H 橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)變流器。若 CC 變流器，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需上層控制器對子模干預(yù)控制，即對子模塊的導(dǎo)通時間進(jìn)行重新分配[10的子模塊分散調(diào)制的獨(dú)立性。TC1TC2TC3TC4vref圖 1-13 載波層疊調(diào)制方法示意圖Figure 1-13 Carrier drifting modulation method量脈寬調(diào)制[106]

2 MMC 運(yùn)行機(jī)理及模型建立和驅(qū)動系統(tǒng)所需的±15V 和 24V 穩(wěn)定直流電壓，同時開關(guān)電源與強(qiáng)電側(cè)也設(shè)置了隔離變壓器，以減小強(qiáng)、弱電信號干擾。在配電環(huán)節(jié)充分考慮工作邏輯與操作安全，設(shè)計四個繼電開關(guān)和一個急停開關(guān)，互鎖邏輯不僅確保 MMC 電氣回路和控制系統(tǒng)持續(xù)供電，在 MMC 啟動階段，其控制系統(tǒng)率先供電，完成預(yù)充電工作；MMC 停機(jī)階段，控制系統(tǒng)延后供電，，完成泄能工作，同時避免誤操作所引起的不安全現(xiàn)象。圖 2-10(b)給出了 MMC 實(shí)驗平臺電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為降低子模塊內(nèi)部連接線的雜散電感，采用本團(tuán)隊設(shè)計的硫化疊層母排將開關(guān)器件、儲能電容、驅(qū)動環(huán)節(jié)、采樣環(huán)節(jié)集成在一起，具體參數(shù)設(shè)計在 2.5.2 節(jié)進(jìn)行詳述。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM46

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2592898