冶金自动化研究设计院Word下载.docx

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李崇坚201101中文摘要论文以模块化多电平变流器（MMC）为研究对象，分析了MMC的数学摸型和控制策略，并进行了仿真分析。

论文首先介绍了MMC的拓扑结构以及子模块换流原理，并进一步介绍了MMC的工作原理，在此基础上推导得到了其数学模型。

通过数学模型，介绍了几种控制策略，包括载波控制、合成PWM控制、SVPWM控制以及SHEPWM控制等几种方式，并对每一种控制方式进行了详细的描述，通过这些控制，模块化多电平变流器可以得到期望输出的波形。

并针对每一种调制策略进行了仿真分析，通过仿真得到了理想的输出结果。

MMC在实际应用中，由于电容串联在主回路中，悬浮电容在每一个时刻不停的进行充放电，电容电压存在着波动，所以对电容电压进行控制是MMC主要研究的问题。

文中提出了电容均压策略，通过对每个桥臂子模块电容电压大小进行排序，根据每个桥臂上电流方向，对排序好的子模块选择性开通或关断，以使得电容电压较小的模块充电，电容电压较大的模块放电。

文中比较了两种调制方式的性能，结果表明合成PWM调制方式比载波调制方式谐波更小，电压利用率更高。

通过仿真发现，MMC电容电压波动与输出频率成反比，与输出电流成正比。

进一步通过数学模型分析了产生电容电压波动的原因，结论表明，MMC电容电压纹波大小与频率有关，在输出电流频率比较低的情况下，电容电压波动比较大。

数学分析表明，MMC的共模电压和直流侧与交流侧环流是两个自由度可控的量，不会影响输出波形。

通过对数学模型的理解，提出了一种低频策略，对桥臂能量进行分解为共模部分和差模部分，通过注入环流改变系统的能量结构，降低电容电压波动。

MMC变流器预充电是保证系统能够正常运行的必要条件，文中最后提出了适合于MMC的预充电策略，并给出了电容选择的方法。

关键词：

模块化多电平变流器，MMC，电容均压策略，子模块，悬浮电容，预充电ABSTRACTThispaperfocusesitsresearchesonModulatorMultilevelConverter,analysisthemathematicalmodelofMMCandcontrolstrategy,andsimulatesthetopology.ThispaperfirstdescribesthetopologyofMMCandcommutationprincipleofsub-modules.Andthenintroducestheworktheory,basedthisprinciplededucesthemathematicalmodelformulaofMMC.Thispaperintroducesseveralmodulationandcontrolstrategies,Includescarriermodulation,generatedPWMmodulation,SVPWMmodulationandSHEPWMmethod.Andthenitgivesverydetaileddescription.Accordingtothecontrolstrategy,MMCcangeneratedesiredoutputwaveform.Foreverymodulationstrategyitcomesoutthedesiredsimulationresult.Inpracticalapplications,capacitorsareinseriesconnectioninthemaincircuit.Floatingcapacitorischargingordischargingallthetime.Thecapacitorvoltagesfluctuate.SothemainproblemfocusesonthevoltagecontrolofMMC.Thispaperproposedvoltagebalancingstrategy.Throughasortingalgorithmofcapacitorvoltage,Andconsideringthedirectionofcurrent,itgivestheopenorclosesignalsofsub-modules.Thesub-modulewhosecapacitorvoltageislowwillbecharged,andthesub-modulewhosecapacitorvoltageishighwillbedischarged.Thispapercomparestheperformanceofthetwomodulationmethod,andtheresultsshowthatgeneratedPWMmodulationhassmallerharmonicandhighervoltageutilizationthancarrierPWMmodulationmethod,simulationresultsshowthattherippleofcapacitorsisinverselyproportionaltothefrequencyofphasecurrent,andproportionaltotheamplitudeofcurrent.Throughmathematicalmodelthispaperanalysistherippleofcapacitors,Theconclusionimpliesthatthecapacitorvoltagerippledependsonthefrequencyofoutputcurrent.Atthelowfrequencythecapacitorvoltageripplewillbelarge.Basedonmathematicalmodel.Degreesoffreedomarethecommon-modevoltageandthecirculatingcurrentofdcsideandacsides.Itdontaffecttheoutputwaveform.Atlastitcomeoutanlowfrequencymodeoperationmethod,throughcompensatingthepowerofcapacitorsthroughcirculatingcurrent,therippleshallbereduced.Thepre-chargeofMMCcanbeanecessaryconditionfornormaloperation.Atlast,thepaperintroducesthepre-chargestrategy.Thecapacitorselectivemethodisalsointroduced.Keywords:

modulatormultilevelconverter,MMC,voltagebalancedstrategy,sub-module,floatingcapacitor,pre-charge第1章绪论1.1模块化多电平变流器的研究背景与意义近年来，随着世界能源短缺，风能和太阳能等新能源发电已经成为一个热门的研究方向，而我国幅员辽阔，伴随着新能源发电而来的问题是电能的输送，我国的风能主要分布在西北和沿海地区，而我国的用电地区主要分布在东部，如何长距离的输送电能成了一个重要的课题。

众所周知，在输电距离在几百km以上时，直流输电具有无可比拟的优势，而轻型直流输电系统（VSC-HVDC）作为经济灵活高可控性的输电方式，得到了我国的大力发展。

高压直流输电对电压源变流器的容量和电压等级提出了更高的要求，而模块化多电平变流器应运而生。

在交流电动机调速领域，随着电力电子技术的发展，新的变频器拓扑结构不断涌现，基于PWM技术的IGCT和IGBT逆变器也逐步在大功率领域取代了晶闸管。

大容量多电平变换器的应用越来越广泛，为了改善系统性能，提出了各种各样的多电平拓扑结构。

目前常见的逆变器有两电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器，飞跨电容型逆变器，以及H桥级联式逆变器。

这些拓扑有其各自的优缺点，比如飞跨电容型逆变器在目前只有四电平投入商业运行，其应用的开关频率在1000Hz以上，因此在低频时电容能量损耗比较大。

H桥型级联式逆变器的优点是输入电流多重化，波形较好，输出使用载波移相PWM，易于实现，无直流电容均压的问题，可以应用于线电压大于4.16kV的电压等级，开关频率较高，理论上可以无限级联。

但是由于多电平需要输入移相变压器副边线圈相应增多，造成变压器制造困难，实际中不可能无限增多，限制了其功率容量和电压的大小，而且制动能量回馈再利用实现起来比较困难。

二极管钳位型三电平变流器拓扑结构，通过箝位的方式将功率开关器件连接在一起，实现了高电压、大容量，有效地避免了传统变流器依靠功率开关器件直接串并联所带来的均压、均流等一系列问题。

无须复杂的变压器，直接实现高电压、大功率变换，可以大大降低装置的体积和成本。

如在整流和逆变侧分别采用上述的拓扑结构，进行双PWM控制，将制动能量回馈到电网，可以实现电机四象限调速运行，但由于受开关1管耐压的限制，真正实际应用的只有三电平，并且只是在中低压领域。

在特高压输电领域，传统的两电平VSC-HVDC系统大多采用晶闸管、GTO等器件，半导体器件的串联均压及同时触发是一个技术难题。

而且为了降低网侧谐波，需要加装滤波器。

所以采用多电平、模块化设计变流器是目前主要研究方向。

模块化多电平变流器（MMC）最早是在2001年R.Marquardt发表的一篇专利中被提出m。

由于其具备级联式变流器的特点，容易实现多电平数目和模块化设计，并能实现直流侧的背靠背连接，是一种十分适用于VSC、HVDC的多电平拓扑结构，在国内外引起了相当高的重视。

但是MMC变流器的技术出现较晚，目前在国内外均缺乏实际的应用和研究。

相桥臂图1-1MMC单相拓扑结构图如图1-1所示为单相MMC拓扑结构图与子模块结构图。

单相桥臂由子模块串联级联构成，每个桥臂上有一个限流电抗器。

子模块仅有两个IGBT和一个电容构成。

模块化多电平变流器主要有以下优点：

（1）模块化设计：

每个子模块仅由一个电容和两个开关器件组成，有利于实现标准化生产，易于维护，而且减小了生产周期。

（2）级联式结构：

通过子模块的级联可以得到任意电压等级和功率等级，用低压器件实现了高压输出，提高了变流器的电压和功率等级。

而且在系统运行过程中对IGBT等半导体器件参数变化不敏感。

（3）较低的输出谐波：

由于级联子模块比较多，输出电f跳变比较低，可以在输出侧得到近似正弦的电压波形，不需要在交流输出侧加装滤波设备。

（4）较低的开关频率，降低了开关损耗：

由于级联的子模块比较多，输出电压在某一电平时，可选的子模块组合数目比较多，这样降低了每一个模块中IGBT的开关次数。

在直流输电系统中，与两电平或三电平拓扑结构相比，单个器件开关频率可以降低十倍。

而且使得各个模块电压均衡，有利于分散模块的能量。

在MMC拓扑结构中，