论文部分内容阅读
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)与传统电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)的换流站相比,具有输出波形质量高,开关器件损耗、阶跃电压低,并且处理故障能力较强等优点。MMC拓扑结构紧凑,换流站高度模块化,通过增加桥臂中的级联子模块数目,其输出可扩展到任意数量的电平数、且拥有直流公共母线、可靠性高、维护方便,逐渐在高压直流输电(high voltage DC transmission HVDC)领域变得越来越具竞争力,并且在新能源并网,城市电网互联等领域具有广泛的应用前景。在高压直流输电领域,由于功率、电压等级高,需要的电平数量更多,基于传统半桥子模块拓扑结构的MMC换流站需要的模块数量大,开关频率高,计算量相对较大。针对这一问题,本文提出一种新型子模块拓扑结构,该子模块由5个IGBT、3个电容器及一定数量的续流二极管构成,可以输出0,1,2,3四种电平,使得换流器在需要输出更高电平数的应用场合需要的子模块数量更少,同时相比基于传统半桥子模块的MMC系统,在相同输出电平数的限制下所需要的IGBT开关数量更少。故针对该新型子模块的相应控制策略研究具有实际意思。文章具体研究内容如下:(1)分析了传统半桥子模块结构的工作原理,建立了基于半桥子模块的模块化多电平换流站的数学模型,阐述其基本运行原理,并在此基础上提出新型四电平子模块拓扑结构,说明了其工作原理,分析了在不同工作状态下新型子拓扑输出情况、开关状态及电容投切情况,并给出了详细开关表用于后续控制策略研究。(2)介绍了针对MMC系统常见的调制策略并分析其优缺点,根据新型子拓扑可以输出更高电平数的特点,着重分析了阶梯波调制技术中的最近电平逼近调制方法,给出了该调制策略在新型子模块MMC上的具体实现方法。基于排序的电容电压平衡方法,结合最近电平逼近调制方法与新型子模块拓扑结构的特点,提出适用于新型子模块的电容电压平衡策略,使得子模块内三个电容的电压值可以在一定范围内保持动态稳定。(3)建立MMC通用数学模型,设计了新型子模块MMC系统的交流回路控制器。将交流回路控制器分为内环电流控制器和外环控制器。外环控制器分为有功功率控制器、无功功率控制。通过仿真分析了新型子模块MMC的稳态特性,相比半桥子模块MMC,新型子模块MMC的效率更高。(4)分析了柔性直流输电系统功率传输原理,在两相旋转坐标系下建立了基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统的数学模型,设计了高压直流输电系统的控制系统,搭建了基于新型四电平子模块拓扑的MMC-HVDC模型,通过仿真验证了暂态情况下新型子模块结构及相关调制、控制策略的稳定性及有效性。