【摘要】：面向高壓大功率的多電平變換器,是電力電子學(xué)科中極其重要、有活力的研究方向。與傳統(tǒng)的二極管鉗位、飛跨電容以及級聯(lián)H橋型多電平變換器相比,模塊化多電平變換器(MMC)實現(xiàn)了高度的模塊化,已被公認為最具發(fā)展前景的多電平變換器方案。本文對MMC的運行機理、工作特性以及若干關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。以下是本文的主要研究工作： 本文通過分析MMC的工作機理,開關(guān)狀態(tài),以及輸入輸出的能量交換關(guān)系等,依次建立了三相MMC的理想開關(guān)模型和平均開關(guān)模型。為了消除上下橋臂之間的耦合對輸入輸出的影響,進一步建立了MMC的低頻解耦模型。針對MMC狀態(tài)變量較多的特點,提出了一種多閉環(huán)控制系統(tǒng),由橋臂總能量控制、能量差控制、環(huán)流控制、交流輸出控制等組成。分別建立了基于MATLAB/SIMULINK軟件仿真模型和基于DSP+FPGA架構(gòu)的實驗平臺,對上述模型和控制架構(gòu)的有效性進行了驗證。 實現(xiàn)同一橋臂內(nèi)各子模塊電容電壓的平衡是MMC穩(wěn)定運行的必要條件。利用MMC調(diào)制的多自由度,在實施MMC調(diào)制的同時實現(xiàn)子模塊的電容電壓平衡,是當前的主流方案。但是已有的電壓平衡控制方法受制于絕對穩(wěn)定性、排序算法或增加開關(guān)頻率等不足。為了克服上述缺點,本文結(jié)合脈沖循環(huán)分配的PWM策略,提出了基于脈寬補償?shù)碾妷浩胶饪刂品椒�。這種方法實現(xiàn)簡單,無需電壓排序算法,且不會引入額外的開關(guān)動作。針對模塊非常多、開關(guān)頻率極低的大功率應(yīng)用場合,對傳統(tǒng)的模塊選擇法進行了改進,提出了無需排序算法的電容電壓平衡控制策略,既極大減輕了控制系統(tǒng)的計算負擔(dān),同時也能獲得很好的電壓平衡效果。 當前對MMC的研究主要集中在高壓直流輸電、靜止同步補償器等恒頻應(yīng)用。當MMC用于交流傳動領(lǐng)域時,則存在子模塊電容電壓存在低頻脈動的問題。目前的主流解決方案是在輸出電壓中注入高頻(相對于MMC輸出的低頻而言)共模分量以及在橋臂電流中注入相同頻率的環(huán)流分量。但是這種方案主要存在兩個缺點：環(huán)流波形復(fù)雜以及橋臂電流過大。針對上述問題,本文提出了采用比例積分+準諧振的閉環(huán)解耦控制策略,以實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)流的準確快速控制。同時,提出了“提高共模電壓利用率”的概念,通過改變注入高頻共模電壓和環(huán)流的波形,以盡可能減小橋臂電流。最后,針對電機全速度范圍運行提出了合理改變電容電壓的控制策略。仿真和實驗結(jié)果表明：所提方案能準確控制環(huán)流,實現(xiàn)對電容電壓脈動的有效抑制,盡可能減小橋臂電流。采用該方案后,基于半橋子模塊(半橋型)的MMC適用于對起動和低頻運行轉(zhuǎn)矩要求不高的大部分應(yīng)用場合。 首次提出了將基于全橋子模塊(全橋型)的MMC應(yīng)用在交流傳動中。無論從控制上如何改進,基于HB-SM的MMC在機車牽引、艦船電力推進、起重機等需要大轉(zhuǎn)矩起動或低速運行的場合仍然難以實用。為了從根本上解決這一技術(shù)難題,研究全橋型MMC應(yīng)用在交流調(diào)速中的應(yīng)用及其相關(guān)技術(shù)。相對于采用半橋子模塊,全橋型MMC雖然增加了一倍的功率器件,但是能夠徹底解決低頻運行問題,而且電容電壓脈動能大幅度降低,器件的應(yīng)力顯著下降,由此帶來的經(jīng)濟效益也十分顯著。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM46

【參考文獻】

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本文編號：2521067