模块化多电平变流器控制策略的研究

随着电力网络的不断发展，尤其是近年来新型能源供给渠道和容量的持续增长，需要用到高压大功率能量变换的场合日益增多，传统电压源型变流器渐显不支。模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)凭借其独特的结构和性能，为电力变换提供了新的选择。本文针对模块化多电平变流器工作过程中几个主要环节的控制策略进行了研究，主要包括对MMC调制方法的比较，对MMC子模块相关控制策略的研究和对MMC内部环流的抑制，其中子模块相关控制策略部分包括分析子模块电容参数的选取原则，研究子模块预充电控制策略，比较子模块电容均压控制策略和优化子模块开关频率控制策略。 本文首先从MMC整体调制方法入手，研究了阶梯波调制法和载波移相调制法，从输出电压和电流质量、环流抑制效果、子模块电容均压控制、开关频率等方面对两者进行了比较。 其次，推导了MMC子模块电容参数的选取原则，对MMC子模块的相关控制策略展开了研究，重点完成了以下3方面的工作： （1）分析了MMC子模块预充电过程，给出了子模块不控充电阶段的一般规律，建立了MMC不控充电三相等效模型，在此基础上提出了冲击电流计算公式，所提出的冲击电流计算公式与仿真结果较为接近，能够有效应用到限流电阻的选取中；同时，提出了一种子模块预充电控制策略，该策略能够利用交流网侧电压直接将MMC子模块充电至额定电压附近，实现MMC的平稳启动； （2）对比了两种典型的MMC子模块均压控制方法：开关角轮换法和排序冗余法，在同一仿真平台上对这两种方法进行了对比，指出了两者在现有条件下所适合应用的不同场合； （3）针对MMC子模块开关频率偏高的问题，提出了一种子模块开关频率优化控制策略，根据子模块电压波动限制，给定了其优化原则，该策略能够在不影响输出电压质量的前提下，有效降低开关频率。 最后，在对调制策略和子模块控制策略进行分析的基础上，推导了MMC内部环流产生的机理，设计了一种基于陷波器和比例谐振控制器的环流抑制器，并通过仿真和实验验证了所设计环流抑制器的有效性。