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级联式多电平变流器控制与保护技术研究及应用

王晓宇  
【摘要】:级联式多电平变流器(Cascade Multilevel Converter, CMC)具有结构模块化、冗余程度高、易于扩展等优点,已得到了极大关注。然而,在其宽频带范围,尤其是低频电流输出时,直流侧电容波动大,电容选取缺乏依据,控制策略设计也缺乏参考;且在电网及CMC系统异常条件下,其运行工况,故障特征更为复杂,传统的控制、保护策略难以满足应用要求。因此,论文针对级联式多电平变流器控制、保护技术开展研究,主要工作及创新性成果如下:提出了宽频带输出范围下的CMC控制策略。CMC宽频带,尤其是低频电流输出时,电容电压波动幅度大,采用常规工频控制方法,存在输出电流谐波含量大,小电流输出时各级联单元电压不平衡的问题,因此,在揭示了CMC直流侧电容电压波动规律的基础上,提出了一种适用于宽频带电流输出的CMC电容电压稳定、‘电流跟踪及单元均压控制方法,在宽频带电流准确跟踪的同时,实现了直流侧电容电压的稳定与平衡控制;根据所提出的电压波动规律和控制策略,设计并开发了CMC低频电流发生器,并应用于某电厂次同步谐振抑制中,通过现场实验证明了所设计控制策略及系统的有效性。提出了电网故障和CMC系统本身故障等异常工况时CMC的控制方法。电网电压跌落时,针对许多变流器存在无低电压穿越能力的问题,提出了一种基于三重并联交错BOOST直流变换通道的全新低电压穿越方案,设计开发了样机,并在某些电厂辅机变频器低电压穿越工程中得到了成功应用。针对CMC系统功率单元故障,分析了CMC不同应用场合下容错控制方法设计时的考虑因素及其适用范围。提出了一种新的量测单元故障下的容错及系统重构控制策略,该方法通过三相测量电压交错生成后加权平均,最大程度地减小了故障相电压为零时对系统的影响。仿真与实验结果表明了所提容错控制方法的可行性与有效性。在典型故障特性分析的基础上,提出了多端CMC柔性直流系统保护方案。论文针对CMC结构,提出了多端柔性直流系统保护分区方案,并分析了站内交流母线保护区和换流器保护区内典型故障下的故障特性,探讨了站内交流母线故障放电原理及基于谐波畸变率进行电抗器匝间短路保护新原理的可行性。进一步,结合保护系统设计原则,提出了CMC多端柔性直流换流站主保护和后备保护配置方案,并将其应用于实际工程中。现场实验结果验证了所提方案的合理性。针对不同应用领域的CMC控制保护系统通用性水平较差的问题,开发了一种新型CMC通用集成控制保护平台。在分析通用控制保护平台的功能需求及平台设计原则的基础上,从功能实现和设备控制的角度出发,提出了合理且通用的CMC控制保护平台分层和三级控制器的分布式控制方案,为CMC稳态、暂态控制与保护算法的实现和基于CMC系统的新产品开发提供了基础平台。


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