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模块化多电平变换器(MMC)的环流谐波抑制及低频运行研究

何立群  
【摘要】:随着大功率电力电子变换装置的广泛应用,多电平变换技术得到快速发展。作为新一代多电平变换器拓扑,模块化多电平变换器(MMC)以其相对于传统多电平拓扑的显著优势,引起了广泛的研究兴趣。本文以MMC桥臂中的环流谐波,以及低频运行时子模块中的巨幅电压脉动为重点关注问题,主要的研究工作总结如下: Dc/ac或ac/dc变换是MMC最常见的应用场合。在这类应用中,MMC悬浮的子模块电容电压与桥臂电流中含有多种谐波,且这些谐波分量之间存在复杂的耦合关系。本文根据MMC的工作原理,分析了桥臂电流、子模块电容电压中各谐波成分的耦合过程和形成机理。通过分析证明每相桥臂的环流中包含以二次脉动为主的偶次谐波分量,电容电压中包含基波分量、二次谐波及其他谐波分量。这些环流、电压中的偶次谐波呈上、下桥臂同相;而电压中奇次谐波呈上、下桥臂反相关系。这些分析结论突出了本文所研究问题的意义和必要性,并为后文的解决方案提供了理论依据。 环流中二次脉动为主的偶次谐波会增大桥臂电流应力和系统损耗,甚至导致暂态过程失稳。针对这一问题,本文提出基于“嵌入式”重复控制结构的环流谐波抑制方法。与已有的环流谐波抑制方法(如旋转坐标系下比例积分(proportional integration, PI)控制、多个比例谐振(proportional resonant, PR)控制器并联等)相比,具有对单相/三相MMC均适用、控制结构复杂性不随谐波次数增加而上升、可直接数字化实现等优点。通过理论分析证明了“嵌入式”结构比一种常用的并联式控制结构(重复控制器与PI控制器并联)更有优势,前者不仅结合了PI控制器的快速动态性能与重复控制器良好的稳态谐波抑制能力,还避开了两控制器之间的互相影响。因此是一种可靠、实用的解决方案。通过仿真和实验验证了所提出控制方案的稳态和动态性能。此外,分析表明MMC每相输出功率保持不变的情况下,抑制环流中的二次脉动并不会造成子模块电容中的二次脉动功率显著增加,证明了该研究的实用价值。 MMC子模块电容电压中的基波脉动与输出电流成正比,与基波频率成反比。在MMC低频运行时幅值巨大的电容电压脉动严重影响系统正常运行,这成为MMC应用于带大负载转矩的交流传动系统的最大障碍。目前已有的方法大多基于高频共模电压及环流注入法,即向桥臂电流和输出电压中分别注入高频环流和同频率的共模电压。但这种方法会增大桥臂电流应力,即使经过改进,仍然难以满足MMC带大转矩负载起动及低频运行的需求。为解决这一问题,本文利用MMC上、下桥臂中基波脉动功率互为反相的特性,在上、下桥臂间开辟“功率通道”使反相的脉动功率互相抵消,从而达到抑制电压脉动的目的。功率通道采用双向半桥隔离型变换器构成,通过调节隔离变压器两侧半桥电路输出的交流方波电压之间的移相角,用高频的开关过程实现了低频脉动功率的传输。隔离变压器的漏感大小是功率控制的重要参数,本文根据变换器的功率传输能力、变压器电流限幅以及控制分辨率,给出该参数设计的理论依据。通过MMC交流传动系统的低频稳态运行,以及全速度范围运行的仿真、实验,验证了所提出的方案能有效抑制子模块电容中的巨幅电压脉动而不增大桥臂电流,MMC低频运行的带载性能得到显著提高。 针对功率通道控制下MMC子模块电容中仍然存在的上、下桥臂同相的二次脉动,对MMC低频运行性能进行进一步优化。比较直流侧或电容独立提供二次脉动功率时环流或电容电压的二次脉动大小随运行频率变化的特性,提出低频运行时抑制电容电压中的二次脉动,由直流侧提供二次脉动功率的方案,通过二倍频负序旋转坐标系下电容能量和环流的闭环控制实现。通过仿真和实验证明了采用该优化方案能有效抑制MMC低频运行时电容中的二次脉动电压。


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