模块化多电平变换器（MMC）若干关键技术研究

发布时间：2019-07-30 18:22

【摘要】：面向高压大功率的多电平变换器,是电力电子学科中极其重要、有活力的研究方向。与传统的二极管钳位、飞跨电容以及级联H桥型多电平变换器相比,模块化多电平变换器(MMC)实现了高度的模块化,已被公认为最具发展前景的多电平变换器方案。本文对MMC的运行机理、工作特性以及若干关键技术进行了研究。以下是本文的主要研究工作：本文通过分析MMC的工作机理,开关状态,以及输入输出的能量交换关系等,依次建立了三相MMC的理想开关模型和平均开关模型。为了消除上下桥臂之间的耦合对输入输出的影响,进一步建立了MMC的低频解耦模型。针对MMC状态变量较多的特点,提出了一种多闭环控制系统,由桥臂总能量控制、能量差控制、环流控制、交流输出控制等组成。分别建立了基于MATLAB/SIMULINK软件仿真模型和基于DSP+FPGA架构的实验平台,对上述模型和控制架构的有效性进行了验证。实现同一桥臂内各子模块电容电压的平衡是MMC稳定运行的必要条件。利用MMC调制的多自由度,在实施MMC调制的同时实现子模块的电容电压平衡,是当前的主流方案。但是已有的电压平衡控制方法受制于绝对稳定性、排序算法或增加开关频率等不足。为了克服上述缺点,本文结合脉冲循环分配的PWM策略,提出了基于脉宽补偿的电压平衡控制方法。这种方法实现简单,无需电压排序算法,且不会引入额外的开关动作。针对模块非常多、开关频率极低的大功率应用场合,对传统的模块选择法进行了改进,提出了无需排序算法的电容电压平衡控制策略,既极大减轻了控制系统的计算负担,同时也能获得很好的电压平衡效果。当前对MMC的研究主要集中在高压直流输电、静止同步补偿器等恒频应用。当MMC用于交流传动领域时,则存在子模块电容电压存在低频脉动的问题。目前的主流解决方案是在输出电压中注入高频(相对于MMC输出的低频而言)共模分量以及在桥臂电流中注入相同频率的环流分量。但是这种方案主要存在两个缺点：环流波形复杂以及桥臂电流过大。针对上述问题,本文提出了采用比例积分+准谐振的闭环解耦控制策略,以实现对复杂环流的准确快速控制。同时,提出了“提高共模电压利用率”的概念,通过改变注入高频共模电压和环流的波形,以尽可能减小桥臂电流。最后,针对电机全速度范围运行提出了合理改变电容电压的控制策略。仿真和实验结果表明：所提方案能准确控制环流,实现对电容电压脉动的有效抑制,尽可能减小桥臂电流。采用该方案后,基于半桥子模块(半桥型)的MMC适用于对起动和低频运行转矩要求不高的大部分应用场合。首次提出了将基于全桥子模块(全桥型)的MMC应用在交流传动中。无论从控制上如何改进,基于HB-SM的MMC在机车牵引、舰船电力推进、起重机等需要大转矩起动或低速运行的场合仍然难以实用。为了从根本上解决这一技术难题,研究全桥型MMC应用在交流调速中的应用及其相关技术。相对于采用半桥子模块,全桥型MMC虽然增加了一倍的功率器件,但是能够彻底解决低频运行问题,而且电容电压脉动能大幅度降低,器件的应力显著下降,由此带来的经济效益也十分显著。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM46

【参考文献】