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《重庆大学》 2004年
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新型电压型换流电路及其在高压直流输电中的应用研究

彭容  
【摘要】:由于采用半控型电力电子器件——晶闸管的相控换流(PCC)的传统直流输电存在诸多不足,随着全控型功率器件的发展及其性能的不断改善,基于电压源换流(VSC)技术的高压直流输电(HVDC)(轻型直流输电)的应用越来越多。从原理上讲,一个多端的轻型直流输电网络适合于将海上再生能源发电系统接入电网,然而,虽然目前的电压源换流器具有交流侧有功-无功四象限运行的能力,但它过多的使用了高频开关器件,而且高频开关器件需要同时处理基波和谐波功率,若要减小谐波功率应使开关频率足够高,这样就增大了开关损耗,导致系统的成本增高(换流器成本的30%以上用于解决开关损耗),限制了它在此领域中的应用。 本文针对此首次提出了一种新型的Buck型电压源换流器(BVSC),该BVSC由一组双Buck变换器和一个工频逆变桥组成,仅用两个高频开关器件,即可取得较好的输出波形。为了进一步解决大功率应用时的高频开关的局限性,文中还提出一种新型的双频控制Buck型电压源换流器(DBVSC),DBVSC是在BVSC的基础上附加了一个双Buck变换器,使原BVSC工作在高频,仅处理谐波功率,而附加的BVSC工作在低频,处理基波功率。DBVSC既可以改善换流器输出电流波形质量,又可以减小系统损耗,提高功率等级,特别适合于大功率应用。两种结构的开关器件的数量都比现有结构的开关器件数量少得多。论文的主要成果如下: 1)对新型的BVSC的工作原理进行了比较详尽的分析,根据换流电抗器置于不同的位置而得出相应的等效电路,并推出了不同开关状态下的电路结构。首次将单周控制的方法应用于此新型的BVSC,并详细推导在实现交流侧功率因数为1,以及交流侧可独立调节有功功率和无功功率这两种情况之下,基于单周控制思想的控制方程。 2)分析了新型的DBVSC的工作原理,并且对此电路进行解耦分析,通过控制附加的Buck型变换器的开关器件,使得绝大部分的相电流流过附加的低频开关器件,而流过高频开关器件的电流取决于流过主电感与辅助电感的电流的变化,即仅处理谐波电流。推导出DBVSC高频开关器件和低频开关器件在一个低频开关周期内流过电流的平均值的公式。推导附加的双Buck变换器在实现交流侧功率因数为1,以及交流侧可独立调节有功功率和无功功率这两种情况下的基于单周控制思想的控制方程。 3)针对直流侧电容电压平衡的问题,通过详细的公式推导,建立了直流侧电容电压偏移量与直流侧中线电流的数学关系,从而揭示了造成直流侧电容电压不平衡 重庆大学硕士学位论文 摘要 的原因,提出了一种简单、有效的解决方法。 4)运用简单的控制电路实现控制要求,对新型的BvSC以及DBVSC电路结构 进行了仿真研究,并且针对BVSC HVDC逆变电路,设计并制作了一台实验样机, 通过仿真与实验研究证实了理论分析的正确性。
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