模块化多电平矩阵换流器在AC/AC系统应用中的关键技术研究
发布时间：2021-08-01 21:31
模块化多电平矩阵换流器（Modular Multilevel Matrix Converter,M3C或MMMC）作为一种新型的ac/ac功率变换器拓扑结构,旨在实现三相到三相的直接转换,适用于大功率低速电机驱动和大功率风能转换系统,在未来高电压大功率异步互联系统中以及无源网络尤其是海上风电场并网有着广阔的应用前景。本文在总结前人研究成果的基础上,从以下几个方面对M3C在ac/ac系统应用中的关键问题进行了深入研究:（1）理论研究和仿真分析了3×3型模块化多电平矩阵换流器（M3C）及六角形模块化多电平换流器（Hexverter）的拓扑结构与工作原理。首先,介绍了双αβ0坐标变换及M3C在该坐标下的数学解耦模型,并进一步推导分析其桥臂支路电容电压和功率矩阵元素在αβ坐标系下的物理意义。通过数学分析指出了M3C在等频率运行工况下存在的问题,可以通过施加额外环流来抵消其功率分量中的差频成分;其次,分析建立了Hexverter支路电压、电流与支路功率的数学表达式,同时指出两侧系统无功功...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
多电平换流器分类示意图
浙江大学博士学位论文6图1.2M3C拓扑结构示意图(a)31型(b)32型(c)22型(d)特殊33型(e)Hexverter图1.3M3C衍生拓扑结构示意图图1.3中，M3C衍生拓扑结构可以分为：3×1型、32型、22型、特殊33型。其中31型结构即为常见的星形链接的链式STATCOM[33-36];22型即为单相M3C；32型与MMC结构一致，仅其所包含的子模块拓扑结构有区别(一个为全桥结构，另一个为半H桥结构)。特殊33型是一种稀疏矩阵式的拓扑结构，其拓扑可进一步展开为图1.3(e)所示
浙江大学博士学位论文8图1.4基于M3C的电力电子变压器拓扑结构图(4)33型图1.2所示的33型结构为最典型的模块化多电平矩阵变换器拓扑。该拓扑可实现直接ac/ac变换，无须中间环节，而且控制自由度多，控制策略灵活。鉴于M3C在低频控制场合的优势，目前33型M3C的研究多集中于大功率电机变频调速领域[51-54]。文献［25，28，29，55］提出将其应用于高压大功率交流电机调速场合，并搭建400V,15kW小功率样机对所提出的输出频率接近输入频率时的控制策略进行了实验验证。且文献［55-59］也对M3C在交流电机变频调速应用中各个频率段的性能进行了实验验证，实验结果显示了其在高压大功率变频方面的良好性能。另外，近年来也有学者提出将该拓扑用于三相低频输电领域[60-61]。目前，关于该拓扑结构的研究处于起步阶段。(5)特殊33型(六角形、Hexverter)相比于背靠背型MMC，该拓扑结构的桥臂支路数量节省一半，比33型M3C节省三分之一，因而具备一定的优势。目前，对该拓扑的研究已有针对于低频调速[62]、统一潮流控制器(UPFC)[63]等领域。针对六角形模块化多电平换流器(Hexverter)的控制理论的研究还不完善，需要进一步解决其电容电压均衡和环流控制等一系列问题。德国学者LennartBaruschka和AxelMertens对Hexverter的工作原理及其应用场合进行一系列的研究工作[37-39,64]，通过额外叠加直流共模电压和环流或者调整两侧交流系统无功使之相等来补偿或者消除桥臂支路之间由于两侧系统无功偏差造成的相邻支路间的功率转移，将Hexverter应用到低频调速领域[60]，并通过把Hexverter看作33型M3C的故障运行状态[65]，提出一种新的控制方法使得M3C在某一支路因故障断开的情况下合理选择剩余桥臂支路中的六个桥臂构成一个Hexverter继续运行，从而实现在不停机的情况下使?
【参考文献】：
期刊论文
[1]模块化多电平矩阵变换器输入输出频率相近时低频运行控制策略[J]. 李峰,王广柱. 电工技术学报. 2016(22)
[2]扩展模块化多电平矩阵变换器低频运行范围的控制方法[J]. 李峰,王广柱,刘汝峰. 电力系统自动化. 2016(22)
[3]基于模块化多电平矩阵变换器的电力电子变压器控制策略[J]. 王婷,王广柱,张勋. 电工技术学报. 2016(18)
[4]基于双dq坐标变换的M3C变换器的数学模型及控制策略研究[J]. 孟永庆,王健,李磊,王秀丽,罗辉勇,白森戈. 中国电机工程学报. 2016(17)
[5]适用于大容量储能系统的级联H桥和模块化多电平逆变器分析比较[J]. 曹炜,徐永海,李善颖,吴涛. 电网与清洁能源. 2016(04)
[6]MMC中全桥子模块损耗分布优化的调制方法研究[J]. 董玉斐,杨贺雅,李武华,何湘宁. 中国电机工程学报. 2016(07)
[7]模块化多电平矩阵变换器低频控制方法[J]. 李峰,王广柱,刘汝峰. 电力系统自动化. 2016(02)
[8]基于柔性中压直流配电的能源互联网系统[J]. 赵彪,赵宇明,王一振,刘国伟,宋强,袁志昌,姚森敬. 中国电机工程学报. 2015(19)
[9]星形和三角形连接的链式H桥STATCOM不平衡补偿分析[J]. 季振东,孙毅超,李东野,赵剑锋,黄允凯. 高电压技术. 2015(07)
[10]不平衡工况下链式STATCOM的运行极限分析[J]. 谭树龙,杨耕,耿华. 电力自动化设备. 2015(01)
博士论文
[1]模块化多电平矩阵变换器用于输电系统的关键技术研究[D]. 欧朱建.山东大学 2018
[2]模块化多电平矩阵变换器关键技术研究[D]. 李峰.山东大学 2016
硕士论文
[1]模块化多电平矩阵变换器的控制策略研究[D]. 刘健.浙江大学 2019
[2]基于模块化多电平矩阵变换器的电力电子变压器综合控制策略研究[D]. 吴钦.山东大学 2016
本文编号：3316281
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
多电平换流器分类示意图
浙江大学博士学位论文6图1.2M3C拓扑结构示意图(a)31型(b)32型(c)22型(d)特殊33型(e)Hexverter图1.3M3C衍生拓扑结构示意图图1.3中，M3C衍生拓扑结构可以分为：3×1型、32型、22型、特殊33型。其中31型结构即为常见的星形链接的链式STATCOM[33-36];22型即为单相M3C；32型与MMC结构一致，仅其所包含的子模块拓扑结构有区别(一个为全桥结构，另一个为半H桥结构)。特殊33型是一种稀疏矩阵式的拓扑结构，其拓扑可进一步展开为图1.3(e)所示
浙江大学博士学位论文8图1.4基于M3C的电力电子变压器拓扑结构图(4)33型图1.2所示的33型结构为最典型的模块化多电平矩阵变换器拓扑。该拓扑可实现直接ac/ac变换，无须中间环节，而且控制自由度多，控制策略灵活。鉴于M3C在低频控制场合的优势，目前33型M3C的研究多集中于大功率电机变频调速领域[51-54]。文献［25，28，29，55］提出将其应用于高压大功率交流电机调速场合，并搭建400V,15kW小功率样机对所提出的输出频率接近输入频率时的控制策略进行了实验验证。且文献［55-59］也对M3C在交流电机变频调速应用中各个频率段的性能进行了实验验证，实验结果显示了其在高压大功率变频方面的良好性能。另外，近年来也有学者提出将该拓扑用于三相低频输电领域[60-61]。目前，关于该拓扑结构的研究处于起步阶段。(5)特殊33型(六角形、Hexverter)相比于背靠背型MMC，该拓扑结构的桥臂支路数量节省一半，比33型M3C节省三分之一，因而具备一定的优势。目前，对该拓扑的研究已有针对于低频调速[62]、统一潮流控制器(UPFC)[63]等领域。针对六角形模块化多电平换流器(Hexverter)的控制理论的研究还不完善，需要进一步解决其电容电压均衡和环流控制等一系列问题。德国学者LennartBaruschka和AxelMertens对Hexverter的工作原理及其应用场合进行一系列的研究工作[37-39,64]，通过额外叠加直流共模电压和环流或者调整两侧交流系统无功使之相等来补偿或者消除桥臂支路之间由于两侧系统无功偏差造成的相邻支路间的功率转移，将Hexverter应用到低频调速领域[60]，并通过把Hexverter看作33型M3C的故障运行状态[65]，提出一种新的控制方法使得M3C在某一支路因故障断开的情况下合理选择剩余桥臂支路中的六个桥臂构成一个Hexverter继续运行，从而实现在不停机的情况下使?
【参考文献】：
期刊论文
[1]模块化多电平矩阵变换器输入输出频率相近时低频运行控制策略[J]. 李峰,王广柱. 电工技术学报. 2016(22)
[2]扩展模块化多电平矩阵变换器低频运行范围的控制方法[J]. 李峰,王广柱,刘汝峰. 电力系统自动化. 2016(22)
[3]基于模块化多电平矩阵变换器的电力电子变压器控制策略[J]. 王婷,王广柱,张勋. 电工技术学报. 2016(18)
[4]基于双dq坐标变换的M3C变换器的数学模型及控制策略研究[J]. 孟永庆,王健,李磊,王秀丽,罗辉勇,白森戈. 中国电机工程学报. 2016(17)
[5]适用于大容量储能系统的级联H桥和模块化多电平逆变器分析比较[J]. 曹炜,徐永海,李善颖,吴涛. 电网与清洁能源. 2016(04)
[6]MMC中全桥子模块损耗分布优化的调制方法研究[J]. 董玉斐,杨贺雅,李武华,何湘宁. 中国电机工程学报. 2016(07)
[7]模块化多电平矩阵变换器低频控制方法[J]. 李峰,王广柱,刘汝峰. 电力系统自动化. 2016(02)
[8]基于柔性中压直流配电的能源互联网系统[J]. 赵彪,赵宇明,王一振,刘国伟,宋强,袁志昌,姚森敬. 中国电机工程学报. 2015(19)
[9]星形和三角形连接的链式H桥STATCOM不平衡补偿分析[J]. 季振东,孙毅超,李东野,赵剑锋,黄允凯. 高电压技术. 2015(07)
[10]不平衡工况下链式STATCOM的运行极限分析[J]. 谭树龙,杨耕,耿华. 电力自动化设备. 2015(01)
博士论文
[1]模块化多电平矩阵变换器用于输电系统的关键技术研究[D]. 欧朱建.山东大学 2018
[2]模块化多电平矩阵变换器关键技术研究[D]. 李峰.山东大学 2016
硕士论文
[1]模块化多电平矩阵变换器的控制策略研究[D]. 刘健.浙江大学 2019
[2]基于模块化多电平矩阵变换器的电力电子变压器综合控制策略研究[D]. 吴钦.山东大学 2016
本文编号：3316281
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