模块化多电平变换器设计及其控制策略研究

随着电力电子技术的发展,多电平变换器在高压大容量领域的应用受到了越来越多的关注。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Convert, MMC)是一种新兴的、在中高压场合具有广阔应用前景的多电平拓扑,其模块化结构不仅易于集成和安装调试,还可使可关断器件工作在较低的电压等级,从而大大提高装置容量及电压等级。近几年国内外对MMC的研究还处于起步阶段,虽然取得了部分研究成果,但对其本质工作机理、电容电压平衡控制方法及内部环流控制等问题依然不甚明了。 本文先从MMC的工作原理出发,研究了其等效电压源模型及其四象限运行机理,在此基础上给出了其主设备参数如直流母线电压、桥臂串联电感和子模块直流侧电容的选取计算方法；提出了上下桥臂电流独立控制的新思想,该方法在实现瞬时电流控制的基础上可以实现对MMC内部环流的控制；通过分析桥臂电流中各分量与桥臂等效电压源吸收或发出的有功功率的关系,提出了层次化电容电压平衡控制方法,该方法一方面将桥臂输出电压视作电压源,通过控制桥臂电流中的直流分量或交流分量的大小来调整桥臂吸收或发出的有功功率的大小,实现电容电压平均值控制,另一方面将桥臂电流视作电流源,通过微调各个级联子模块的输出电压来实现有功功率在各个子模块间的均衡,从而实现子模块电容电压平衡控制；同时研究了层次化电容电压平衡控制方法中涉及的各个调节器的设计实现方法,仿真和实验证明了该平衡控制方法的有效性。 此外,本文对比研究了几种MMC子模块直流侧电容预充电策略的优缺点,并给出了一种优化预充电策略；提出了MMC工作于整流状态时的直流母线电压控制方法、MMC工作于无源逆变状态时的交流侧电压控制方法及背靠背MMC系统的系统控制方法；比较了并行控制和基于EtherCAT技术的串行控制在MMC硬件平台中应用,设计了基于DSP+FPGA的MMC控制系统,搭建了MMC模拟实验平台,进行了相关的实验验证,实验结果证明了控制策略的有效性。