【摘要】：模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作為柔性直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)之一,與傳統(tǒng)的多電平技術(shù)相比,具有功率單元模塊化、交直流輸出波形好、功率器件電壓應(yīng)力低和具備公共直流母線等技術(shù)優(yōu)勢,從而得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,對其進(jìn)行研究具有十分明確的現(xiàn)實(shí)意義。本文在總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)階段的研究基礎(chǔ)上,針對MMC的調(diào)制策略、環(huán)流注入控制、MMC的故障診斷和容錯控制等技術(shù)進(jìn)行了深入研究和探討。MMC的調(diào)制策略是其核心控制技術(shù)之一,優(yōu)化的調(diào)制策略可以減小MMC控制的設(shè)計難度,降低子模塊IGBT的開關(guān)頻率,從而提高系統(tǒng)的可靠性�；陔娙蓦妷号判虻恼{(diào)制策略可以避免復(fù)雜的子模塊電容均壓閉環(huán)控制器,有利于MMC的設(shè)計。本文針對基于電容電壓排序的脈寬調(diào)制策略,通過分析指出傳統(tǒng)的調(diào)制方法會導(dǎo)致子模塊IGBT開關(guān)頻率過高的缺陷�；诖�,提出優(yōu)化的上、下橋臂PWM子模塊載波的產(chǎn)生方式和子模塊的投切策略,從而降低子模塊IGBT的開關(guān)頻率,并分別用仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。同時,本文針對最近電平調(diào)制策略輸出電平數(shù)少,諧波含量大的問題,基于半橋子模塊和全橋子模塊的混合拓?fù)?提出相應(yīng)的調(diào)制方式和子模塊電容均壓策略,將MMC交流輸出電壓的電平數(shù)提升近一倍,并且能夠保持任意時刻一相投入的子模塊個數(shù)之和恒定,不影響MMC橋臂環(huán)流的特性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。功率無源元件,如子模塊電容和橋臂電感,是MMC的重要組成部分。通過控制MMC橋臂內(nèi)部環(huán)流,可以降低子模塊電容電壓紋波,從而提升子模塊電容的工作壽命,但對變流器的損耗和功率器件的額定工作狀態(tài)都會有較大的影響。本文針對降低子模塊電容電壓紋波同時兼顧橋臂損耗的控制技術(shù)展開了研究。目前關(guān)于環(huán)流的分析都是基于理想功率器件,而事實(shí)上功率器件的通態(tài)壓降也會對環(huán)流有所影響,尤其是當(dāng)子模塊個數(shù)眾多的場合,因此,本文考慮了功率器件的通態(tài)壓降,詳細(xì)分析橋臂內(nèi)部環(huán)流的組成�；诖�,建立環(huán)流與電容電壓紋波、橋臂電流有效值之間關(guān)系的精確數(shù)學(xué)模型,通過模型并結(jié)合實(shí)際控制目標(biāo)可以確定注入環(huán)流的幅值和相角,并提出一種利用電路瞬時值在線生成環(huán)流注入基準(zhǔn)的方法,無需檢測輸出交流電流的幅值和相角,能夠?qū)崿F(xiàn)任意比例的環(huán)流注入,從而滿足不同場合的需要。最后,基于一臺三相7電平的MMC,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出環(huán)流模型的準(zhǔn)確性和所提出環(huán)流注入方法的有效性。同時,本文研究了 MMC單個橋臂電感故障的檢測方法。首先分析電感的故障特性和單個橋臂電感故障對MMC直流側(cè)環(huán)流和交流側(cè)輸出電流特性的影響。考慮MMC的控制通常會使用環(huán)流抑制控制器,無法通過直接檢測環(huán)流進(jìn)行電感故障判斷,本文提出對環(huán)流抑制控制器的補(bǔ)償量進(jìn)行離散傅里葉分解,提取基頻含量的幅值,并基于其與上、下橋臂電感量差異的關(guān)系式,實(shí)現(xiàn)電感變化量的在線辨識,從而判斷電感故障狀況。并且,通過4組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了橋臂電感差異在線辨識方法的有效性,為橋臂電感故障診斷提供了一種方案。MMC子模塊個數(shù)眾多,當(dāng)發(fā)生子模塊故障時,需要系統(tǒng)能夠及時的檢測、定位和隔離故障子模塊,并采取子模塊故障容錯控制策略以保證MMC的不間斷運(yùn)行。本文研究基于最近電平調(diào)制策略MMC子模塊IGBT開路的故障穿越技術(shù),包括故障檢測、故障子模塊定位、冗余控制和故障恢復(fù)。通過額外增加很少的硬件電路判斷發(fā)生子模塊IGBT故障的相單元,再基于所分析的MMC子模塊故障特性,通過軟件分別檢測故障相每個子模塊的電容電壓和電容電壓放電累積量,實(shí)現(xiàn)故障子模塊定位和故障類型判斷,從而采取冗余控制措施和故障恢復(fù)策略,使MMC退出故障狀態(tài),準(zhǔn)備下個階段的故障診斷和處理。整個子模塊故障穿越過程無需復(fù)雜的軟件計算和硬件電路,并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了有效性的驗(yàn)證。同時,當(dāng)MMC冗余子模塊耗盡或者為了降低成本不配備冗余子模塊時,本文研究MMC的子模塊故障容錯控制技術(shù)。通過建立數(shù)學(xué)模型和理論分析,指出已有的基于調(diào)制波重組子模塊故障容錯控制方法的缺陷,提出改進(jìn)的基于正負(fù)半波對稱交流零序分量注入的容錯控制策略,并通過理論分析說明了基于所提方法MMC的特性。最后,基于一臺三相7電平的MMC,通過仿真和實(shí)驗(yàn)對已有的方法和本文所提的方法進(jìn)行對比,驗(yàn)證了所提方法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM721.1
【圖文】：

ｒ逡逑圖１．２二極管箝位型三電平變換器基本拓?fù)鋱D逡逑圖１．３是飛跨電容型三電平變換器的基本拓?fù)鋱D，它將飛跨電容作為箝位器件，跨逡逑接在串聯(lián)的開關(guān)器件之間。箝位電容與直流母線沒有直接相連，通過控制開關(guān)狀態(tài)疊逡逑加飛跨電容和直流電壓，實(shí)現(xiàn)多個電平的輸出。飛跨電容型多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)有：逡逑開關(guān)狀態(tài)選擇更靈活，存在大量的冗余開關(guān)狀態(tài)，相比于二極管箝位型變換器，更容逡逑易控制電容電壓的平衡，還可以有效的控制有功功率和無功功率。逡逑｛邋ｈＧ逡逑（ｊｉｚＪｚ邐—邐—邐—逡逑Ｈ邋公逡逑＝ｂｃ，邋」＝ｔｃ２邋」±ｚＣ，邋」逡逑邐Ａ逡逑邐Ｂ逡逑ｒ邐ｈＨ邐ｈＨ邋ｈＨ逡逑Ｔ邐＾邐＾逡逑Ｍ邋Ｍ邐Ｍ逡逑圖１．３飛跨電容型三電平變c燮骰就仄送煎義戲煽緄縟菪投嗟縉獎鋍燮魍嬖謐湃畢藎哄義

本文編號：2801481