模块化多电平换流器电压平衡控制研究

论文总字数：27909字

摘 要

模块化多电平变换器（MMC）具有输出电压波形好、效率高、易冗余等优点，因此越来越受到高压大功率应用的青睐。通过子模块的投切，MMC可以产生多个电平台阶，在不影响输出电压质量的情况下降低平均开关频率，并且实现换流器的灵活控制。由于其结构简单、装配方便、设计灵活等特点，使得MMC在高压直流输电、大功率电机驱动、电气化铁路供电等领域有着广阔的应用前景。

本文采用理论分析和数值仿真相结合的方法，对MMC进行了研究。首先，介绍了MMC的研究现状和工程实践，同时还阐述了本研究的方向和意义。然后，介绍了MMC的拓扑结构和基本工作原理。其次，比较了不同的调制方法，阐述了相应调制技术的优缺点。此外，详细分析了电容电压平衡排序算法的复杂性。在分析结果的基础上，提出了一种改进的电压平衡排序算法，大大降低了控制器的计算负担。另外，为了降低开关损耗，本文还提出了一种降低开关频率的控制策略。最后，利用专业仿真软件PSCAD/EMTDC对三相MMC进行了仿真，验证了所提出的方法的有效性。

关键词：模块化多电平；调制技术；电容电压平衡；开关频率。

ABSTRACT

Modular multilevel converters (MMCs) have become increasingly attractive for high-voltage and high-power applications with the advantages such as excellent output voltage waveforms, high efficiency and easy redundancy. Multilevel voltages can be produced with flexible operation of the MMCs while reducing the average switching frequency without compromising the output voltage quality. Due to the easy construction, assembling, and flexibility in converter design, MMC becomes promising for various applications such as high-voltage direct current transmission, high power motor drives, and electric railway supplies.

In this paper, MMC is investigated with a combination of the theoretical analysis and the numerical simulation. Firstly, the developments and achievements of the MMC are summarized, where several existing MMC-based projects are listed to show the state of the art of the MMC. The direction and significant of this research are also presented in this section. Secondly, the topology and basic operating principles are introduced. A comparison of the different modulation methods are given to elaborate the advantages and disadvantages of the corresponding modulation techniques. Thirdly, the complexity of the capacitor voltage balancing sorting algorithm is analyzed in detail. Based on the analysis results, an improved voltage balancing sorting algorithm is proposed in this paper, which greatly reduces the calculation burden of the controller. In addition, a control strategy with reduced switching frequency is also proposed in this paper to reduce the switching losses. Finally, a three-phase MMC is simulated with the professional tool PSCAD/EMTDC to confirm the effectiveness of the proposed methods.

KEYWORDS: modular multilevel converter (MMC); modulation technique; voltage balance control; switching frequency.

目 录

中文摘要 i

ABSTRACT ii

目 录 iii

第一章 绪论 1

1.1柔性直流输电 1

1.2 MMC简介 2

1.3 研究现状及本文研究意义 2

1.4本文的主要工作 4

第二章 MMC系统分析 5

2.1 MMC拓扑 5

2.2 MMC子模块工作原理 5

2.3 MMC基本数学模型 6

第三章 MMC调制方法 9

第四章 MMC电容电压平衡 12

4.1 电容电压平衡控制方法 12

4.2仿真研究 13

第五章 优化策略 17

5.1排序优化算法 17

5.2 减少开关频率的控制策略 19

5.3仿真研究 22

第六章 总结 33

参考文献 34

致 谢 36

附 录 37

第一章 绪论

1.1柔性直流输电

电是人类社会发展中一个伟大的发现，而电能的生产和使用，则是人类发展必不可缺的一个重要的元素。如今，社会的方方面面点点滴滴，都与电有着密不可分的关系。电力系统，便是为使用电的用户提供电的主要系统，电能的生产，传输以及分配等各个环节都由它来负责，所以电力系统包括发电厂，输电系统和配电网络等等。

远在十九世纪，几位伟大的科学家便投入了大量精力在电的生产和输送上，包括Nicola Tesla，Thomas Edison和Benjamin Franklin。他们的成果很大程度上影响和促进着电力系统的发展。1882年，Thomas Edison边建立了世界上第一个电力系统，这个电力系统可以为半径大约为1.6km的区域提供110V的直流电。而仅仅过了半个世纪，由Nicola Tesla大力倡导的交流电系统的出现抢了直流系统的风头。由于当时的直流输电技术水平的限制，交流系统在发电，输电，配电上都远远领先于直流系统。所以，交流输电也渐渐成为主流输电模式。

然而，随着电力系统的发展，交流输电的局限性也随之突显出来，柔性直流输电的优势也被慢慢发现，直流输电在两地相连时不用像交流输电一样考虑频率和相位的问题，而且在远距离输电时造价比交流输电低，再加上其响应速度快，控制简单以及在电力电子方面的优势，直流输电受到了越来越多的青睐。而柔性直流输电，作为一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础的新型输电技术，相比传统直流输电具有以下优点：无需外加换相电压，并且还能向弱交流系统供电，这是传统直流输电做不到的；解决了传统直流输电可能会发生换相失败的问题；还可以独立地控制有功和无功功率，甚至可以作为静止无功发生器为网络提供无功功率。

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