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模块化多电平换流器及其控制技术研究

时间:2018-01-18 18:02来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文从模块化多电平换流器的运行机理、控制策略、以及应用拓展几个方面进行了系统地分析研究,指出了MMC 不同控制问题的本质原理,并给出了对应的解决方法
第 1 章 绪 论
 
1.1 课题背景
能源短缺和环境污染一直是世界各国关注的焦点问题。图 1-1 所示为 2016年 6月公布的《BP世界能源统计年鉴》中对全世界一次能源消耗的统计数据[1]。随着全球经济的持续疲软和我国从工业型经济向服务型经济的转变,近年来全球能源消费增长速度正在逐步放缓。2015 年世界一次能源消费仅增长 1.0%,远低于过去十年的平均值 1.9%,且其中化石能源(包括石油、煤炭、天然气)仍是最主要的能源消耗。但随着人类数百年来的过度开采与巨大消耗,化石能源正在不可逆转地走向枯竭,而与之伴随的环境问题也日益引起了国际社会的极大忧虑。特别是空气污染问题。国际能源署在 2016 年最新公布的能源与空气污染调查结果中指出,空气污染每年会造成大约 650 万人过早死亡,使其成为继高血压、饮食风险和吸烟之后的人类第四大健康威胁[2]。图 1-2 为空气中主要污染物及其来源的示意图,目前大气中几乎全部的硫氧化物、氮氧化物、以及85%的 PM2.5(PM2.5 又称为可入肺颗粒物,指大气中直径小于或等于 2.5 微米的颗粒物)都是由于人类对能源的生产消耗造成的。尤其是在中国,在许多高速发展的城市中,空气污染将会继续成为一种重大的公共健康危害,加之我国人口的老龄化会让人体健康更容易受到空气污染的影响。根据2016年5月我国环境保护部公布的《2015 年中国环境状况公报》,2015 年全国 338 个地级以上城市中有 265 个城市空气质量超标,超标比例高达 78.4%[3]。世界生产和利用能源的方式若不改变,空气污染给人类生命带来的重大损失则必将增加。全球气候变暖是化石燃料焚烧带来的另一种环境问题。气候变暖导致地球温度上升,使全球降水重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升,严重危害自然生态系统的平衡,威胁人类的生存环境。为了阻止全球变暖的趋势,2015年 12 月在巴黎气候变化大会上,《联合国气候变化框架公约》195 个国家一致通过了《巴黎协定》,为 2020 年后应对全球气候变化作出安排。协议旨在将全球平均温度升幅与前工业化时期相比控制在 2°C 以内[4]。
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1.2 模块化多电平换流器调制与平衡技术研究现状
模块化多电平换流器的脉宽调制技术 (Pulse-width modulation, PWM),决定了其输出电压谐波特性的优劣,也是换流器稳定运行的关键。目前,已有多种 PWM 技术被应用到 MMC 当中,如图 1-10 所示。这些 PWM 技术按其开关频率的高低主要可分为:低开关频率调制策略,混合开关频率调制策略,以及高开关频率调制策略。MMC 的低开关频率调制策略主要包括选择谐波消除调制与最近电平调制 (Nereast level control, NLC)[51-53]。这其中,SHE 理论上具有最佳的谐波特性,尤其对低次谐波有很好的控制能力。但 SHE 需要求解大量方程组来获取最优的开关相位,如图 1-11a)所示,这当 MMC 子模块数目较多时运算量将十分庞大,无法在线求解。NVC 则是将传统矢量调制在多电平情况下的简化,不必再考虑所有可能的开关状态,而是仅从邻近的几个矢量中做出选择,相比于 SHE 在 MMC 应用的计算复杂度有所简化[50]。相比之下,NLC 调制最为直接方便,其原理是用一个简单的取整函数计算出最接近参考信号的电平数来进行逼近,如图 1-11b)所示。这种调制方法尤其适合于直流输电这种含有数百个子模块的情况。然而 Tu 和 Xu 在[54]中分析指出,随着子模块数目的降低,NLC 输出电压的谐波含量和畸变率将会变大,这限制了 NLC 在含子模块数目较少的 MMC 中的应用。
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第 2 章 MMC 基本运行控制技术
 
2.1 引言
PWM 调制策略是决定 MMC 谐波特性的关键,而电容电压平衡则是保证MMC 稳定运行的基础。本章从 MMC 这两项最基本的特性出发,分析探讨了调制策略与平衡方法的设计依据。首先,本章对载波移相调制技术进行了详细的数学分析,研究了其载波移相角对 MMC 输出电压与桥臂环流谐波特性的影响,同时探寻最优载波移相角的选取规则以达到最佳的谐波抑制效果。为了保证 MMC 各子模块电容电压的均衡,分析了 MMC 内部功率的传递与分配规律,在此基础上提出分层的电容电压控制方案,使各层控制相互解耦,避免控制冲突。最后介绍了 MMC 实验平台的基本结构与主要功能。
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2.2 MMC 载波移相调制
本节主要研究载波移相调制中移相角对 MMC 交流侧和直流侧谐波特性的影响规律,并分别给出半桥 MMC 与全桥 MMC 载波移相角的选取规则。图 2-3 和图 2-4 所示分别为输出相电压与环流的第 Nmth谐波组的各次谐波幅值与载波移相角 θ 间的函数关系。这里,仅绘制前六个谐波组的谐波情况(即 m≤6)。由图可见,对于某个特定的谐波组 m,相电压的谐波幅值与环流的谐波幅值与载波移相角 θ 呈相反的规律变化。这即意味着获得最低的电压谐波时其环流将含有最高的谐波含量,反之亦然。因此,载波移相角 θ 应根据MMC 具体的应用情况设计。对于含有大量子模块的 MMC 应用(例如在直流输电应用中,子模块数目 N通常达到数百),此时输出电压谐波本身已非常低,甚至不需要交流滤波器。这时环流的谐波成为了主要问题,应使其尽量小以降低 MMC 的损耗和电流应力。
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第 3 章 MMC 启动预充电与子模块冗余技术 ............51
3.1 引言........... 51
3.2 MMC 直流侧启动预充电控制............. 51
3.2.1 MMC 直流侧不控充电过程分析 ....... 52
3.2.2 MMC 直流侧启动充电控制策略 ....... 52
3.2.3 直流侧启动预充电实验分析 ............. 53
3.3 MMC 交流侧启动预充电控制............. 56
3.4 MMC 子模块冷备用技术 .......... 59
3.5 MMC 子模块热备用与 IGBT 开路故障的诊断与容错技术 .......... 65
3.6 本章小结 ............. 76
第 4 章 MMC 电容电压波动抑制技术....77
4.1 引言........... 77
4.2 MMC 电容电压波动分析 .......... 77
4.3 改进型模块化多电平换流器拓扑 ....... 79
4.4 混合型模块化多电平换流器拓扑结构 .......... 92
4.5 本章小结 ........... 105
第 5 章 MMC 的新应用及其控制技术............106
5.1 引言......... 106
5.2 MMC 串联型直流输电分接装置 ....... 106
5.3 MMC 直流潮流控制器 ............114
5.4 MMC 直流融冰装置 ......118
5.5 本章小结 ........... 127
 
第 5 章 MMC 的新应用及其控制技术
 
5.1 引言
模块化多电平换流器除了在典型的直流输电与电机驱动应用之外,还在其他一些应用场合中颇具前景。本章即旨在拓宽 MMC 的应用范围,针对 MMC衍生出的一系列拓扑结构,探索其在 HVDC 分接装置、直流潮流控制器、以及直流融冰装置几个典型应用中所具备的技术优势和应用潜力。本章依次介绍了这三种应用中电路拓扑的结构与其运行机理,并提出一系列控制策略,研究结果对 MMC 的应用拓展提供了参考。本节主要讨论一种基于 MMC 的串联型直流输电分接装置,以向直流输电线路周围的村庄或小城市供电。所提出的串联型拓扑相比传统结构具备转换效率高、元件数目少、可靠性高、谐波含量小、灵活方便等诸多优点。本节介绍了其电路结构、工作原理、控制策略、以及相关仿真验证结果。MMC 串联型直流输电分接装置如图 5-1 所示,图中 MMC 与直流输电线路相串联,每个子模块包括一个全桥子模块电路以及一个旁路开关。MMC 的交流输出通过三相变压器与当地的无源负荷或弱电网连接。图中 UDC和 IDC分别为 HVDC 线路的电压电流,Uin为 MMC Tap 的接入电压。相比于传统的串联型HVDC Tap 电路结构[157,158],MMC 的电容器并非直接接入到直流输电线路上,而是分布在各个子模块中,这样对直流输电线路带来的扰动更小、可靠性更高。另一方面,子模块级联的方式可相对容易地实现较高的电压功率等级,并能在较低开关频率下保证较高的交流波形质量、以及较小的直流电流谐波干扰。且由于变压器的隔离作用,MMC 电路均处于悬浮状态,电压应力显著降低。但变压器的容量尽管很小,却需要在设计时考虑其直流电压偏置与较高的绝缘要求。此外需要指出,传统的 MMC 电路因为桥臂电感的存在呈现出电流源控制特性,但对于直流输电分接应用中,MMC 需表现为电压源控制特性以向当地负荷提供稳定的电压,因此在 MMC 的交流输出侧加入了并联的交流电容器。
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结 论
 
模块化多电平换流器是一种新型高性能的电力电子拓扑结构。本论文从模块化多电平换流器的基础与应用出发,研究了其载波移相调制、能量的传递与平衡控制机理,给出了启动预充电和子模块故障容错情况下的控制方法。针对子模块电容电压的波动问题,提出了拓扑结构的改进方法与电压波动抑制策略。同时探究了模块化多电平换流器的衍生拓扑及其在直流输电分接装置、潮流控制器、以及直流融冰装置中的应用前景。以上研究内容均得到了完善的仿真与实验验证。总结全文工作,得到如下结论:
(1) 通过对 MMC 载波移相调制进行傅里叶分析,得到了上下桥臂之间载波移相角对输出电压与桥臂环流谐波的影响规律,进而可根据该规律设计移相角的大小来优化 MMC 的谐波特性。同时将该分析拓展到全桥子模块 MMC中,发现全桥 MMC 在相同输出电压与环流的谐波条件下,其开关频率可以降低一倍。通过对 MMC 内部功率的传递原理进行分析,分别指出相间、桥臂间、子模块间能量平衡的可控变量,进而提出了分层结构的电容电压平衡控制方法,可保证不同控制层之间的解耦,避免了控制冲突。本文还建设了 MMC的实验平台,介绍了平台中各部分软硬件的功能和结构参数。
(2) 针对 MMC 的启动预充电问题,分别从直流侧充电与交流侧充电这两种情况,提出了基于闭环控制的预充电控制方法,能够实现对子模块电容器的恒流充电,加快充电速度,避免电流浪涌,该方法尤其适用于对故障恢复时间有严格要求的场合中。另一方面,本论文对比分析了 MMC 两种子模块的冗余机制:冷备用与热备用,研究了 MMC 在子模块故障情况下的电路特性,同时给出了冷备用机制下子模块替换过程的平稳过渡控制,以及热备用机制下子模块 IGBT 开路故障的诊断与容错方法,使 MMC 能够在发生子模块故障时继续稳定运行,穿越故障。
(3) 系统地提出通过拓扑改进的方式抑制 MMC 电容电压波动。通过引入一个中间子模块并改变上下桥臂子模块的连接方式,可在不增加任何硬件成本的条件下有效降低顶层、底层、以及中间子模块的电容电压波动,并在此基础上提出基于闭环控制的二倍频电容电压波动抑制方法。此外,在 MMC 直流环节上加入串联开关,提出了混合型 MMC 拓扑,并结合特定的桥臂环流控制,能在全频率范围内显著降低电容电压的基频波动,对比目前研究现状中的高频注入方法,所提拓扑既不会增加换流器损耗,又不会对电机带来共模电压的危害,为 MMC 高压变频器提供了新的解决方案。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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