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储能型模块化多电平变换器的关键技术研究

吉宇  
【摘要】:储能型模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,简称MMC)是基于模块化多电平变换器的一种新型拓扑结构。储能型MMC将电池储能单元通过双向DC/DC变换器连接到MMC的各个子模块中,实现了能量的分散存储,有效地提高了系统的故障穿越能力。通过调整子模块串联个数来实现电压和功率的灵活变化,可以实现任意电平输出,减少了输出电压的谐波含量和电磁干扰。储能型MMC在新能源接入、大容量储能、电力牵引等领域有着良好的应用前景,本文针对其关键技术进行了研究。全文主要研究了以下几个方面的问题:(1)介绍了适用于储能型MMC的几种常用调制策略,并且分析了这些调制策略的优缺点。在此基础上提出了两种新型调制策略:定频积分逼近调制、定频电流滞环调制。定频积分逼近调制可以减少驱动窄脉冲、降低开关频率和开关损耗,适用于一般的应用场合。而定频电流滞环调制可以实现输出电流瞬间跟踪给定电流,控制起来相对简单、鲁棒性强,适用于对动态响应要求较高的场合。(2)提出了储能型MMC子模块电容电压的平衡控制策略。建立虚拟子模块,实时找出电压最大值、最小值对应的实际子模块,并结合桥臂电流方向,不断改变虚拟子模块与实际子模块驱动信号的循环映射关系,从而实现子模块电容电压动态平衡。另外,针对桥臂间不平衡的现象也提出了相应的控制策略。仿真结果证明了子模块电容电压平衡控制策略的有效性和正确性。(3)介绍了储能型MMC的桥臂环流产生机理,并且推导了n+1电平调制时储能型MMC的环流方程,方程证明了储能型MMC的桥臂环流以二倍频分量为主。结合传统的桥臂环流抑制策略,提出了一种通用补偿型桥臂环流抑制策略,控制简单,可有效抑制桥臂环流。仿真结果证明了通用补偿型桥臂环流抑制策略的有效性和正确性。(4)从能量的观点出发,提出了储能型MMC的综合能量管理机制,有效地避免了蓄电池的过充过放,从而延长了蓄电池的使用寿命。同时,通过能量管理系统调度整个系统的功率,有效地实现了MMC和电池储能系统的协调工作,使得系统可以长期稳定地运行。仿真结果证明了综合能量管理机制的有效性和正确性。(5)推导了MMC在dq坐标系下的数学模型,结合环流抑制策略,给出了并网控制策略。推导了电池储能系统变换器在Buck模式和Boost模式的数学模型,给出了相应的控制策略。(6)介绍了储能型MMC子模块故障产生的原因以及危害。介绍了子模块冗余保护策略,并在此基础上提出了一种无冗余子模块容错控制策略,切除故障子模块并且对驱动真值表进行改变,选择性地改变虚拟子模块和实际子模块驱动信号的映射关系,可以实现储能型MMC子模块带故障运行,直到系统回到正常状态。仿真结果证明了无冗余子模块容错控制策略的有效性和正确性。(7)搭建了基于Dspace1103的三相五电平储能型MMC实验平台,并且在此平台上针对本文提出的调制策略、控制策略分别进行了实验验证。实验结果和仿真结果保持一致,进一步证明了本文所提策略的正确性和有效性。


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