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模块化多电平变换器控制策略研究

郭全军  
【摘要】:随着电力电子技术的发展,高压大功率电力电子设备在电力传动、电力系统等领域的应用研究日益得到国内外学者的关注。模块化多电平变换器(ModularMultilevel Converter,MMC)由于其独特的性能成为实现高压大容量的有效途径。本文主要开展MMC控制策略的研究,包括:调制策略、子模块直流电容电压控制策略、环流抑制策略以及样机的研制。 分析了MMC拓扑结构和工作原理,建立了MMC的数学模型。对MMC输出相电压为N+1电平和2N+1电平的调制原理进行了研究,并分析了载波层叠调制策略和载波移相调制策略输出相电压分别为N+1电平和2N+1电平的实现方法。 针对MMC子模块直流电容电压不同阶段的控制目标,将其控制分为预充电控制和电容电压均衡控制。在预充电控制方面,结合MMC运行于不同工况时的特点,提出了无需外加辅助电源的逆变工况和整流工况的预充电策略,并建立仿真模型进行仿真验证。在电容电压均衡控制方面,分析了基于排序实现均压和基于闭环实现均压的均衡策略,并与具体的调制策略相结合,对其进行仿真对比分析。 分析了MMC环流产生机理,推导了环流的数学表达式。结合建立的环流数学模型,分析了一种环流抑制控制策略,仿真结果表明其有效的抑制了环流的二倍频分量,基本消除了桥臂电流的畸变。 根据理论分析与仿真模型,设计了一台三相MMC样机,对样机主电路设计的几个关键问题进行分析,并设计了一种适用于MMC的三级控制系统架构。在设计的样机上对调制策略、电容电压均衡策略和环流抑制策略进行实验验证。实验结果与仿真结果相吻合,验证了本文分析的MMC控制策略的可行性。


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