模塊化多電平變換器穩(wěn)態(tài)特性分析及電容電壓平衡算法研究.pdf

1、近年來，基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術(shù)在國內(nèi)外獲得了廣泛應(yīng)用，相比于交流輸電或常規(guī)直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電由于有功和無功可以獨立控制、潮流反轉(zhuǎn)快速方便、無需電網(wǎng)支撐換相和快速黑啟動等優(yōu)點，在可再生能源接入、孤島供電和電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。而作為新一代高壓大功率電壓源型換流器，模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter，MMC)結(jié)合了級聯(lián)H橋多電平變換器和箝位型多電平變換器的優(yōu)點，通過

2、擴展子模塊數(shù)量，可以不斷提高輸出電壓電平數(shù)和輸出電壓等級，同時高度模塊化的結(jié)構(gòu)還便于大規(guī)模工業(yè)制造。因此，MMC成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一大研究熱點。本論文建立了MMC系統(tǒng)4階大信號模型，并提出了根據(jù)此模型求取系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)解的方法，得到了橋臂電流和子模塊電容電壓的精確解析表達式。然后在現(xiàn)有的MMC的電容電壓平衡算法的基礎(chǔ)上，針對低頻調(diào)制（最近電平調(diào)制和低頻載波移相調(diào)制）提出了一種基于工頻排序策略的電容電壓平衡算法，同時，針對高頻載波移相調(diào)制提

3、出了一種基于電容電壓分段邏輯處理的電容電壓平衡算法。
　　首先，本文通過電路拓撲等效變換得到了MMC的輸出等效電路和環(huán)流等效電路，并以電路中現(xiàn)有的電感電流、電容電壓為狀態(tài)變量建立了MMC單相2N+2階通用模型。在此基礎(chǔ)上結(jié)合電容電壓在穩(wěn)態(tài)下平衡的前提條件，將通用模型進行簡化，得到了以上下橋臂總體電容電壓之和、上下橋臂總體電容電壓之差、橋臂環(huán)流以及輸出電流為狀態(tài)變量的4階大信號模型。參考DC-DC電路由大信號模型求解靜態(tài)工作點的方法

4、，由MMC4階大信號模型可以求得其橋臂電流和子模塊電容電壓的完整穩(wěn)態(tài)解析表達式，這對橋臂電感及子模塊電容選型具有重要指導(dǎo)意義。
　　其次，本文詳細分析了MMC在最近電平調(diào)制及低頻載波移相調(diào)制下的平衡特性，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于工頻排序策略的電容電壓平衡算法。該算法根據(jù)上個工頻周期的電容電壓增量來判斷驅(qū)動信號的充電能力，進而在每個工頻周期選定的排序時刻通過同時排列電容電壓增量和當(dāng)前電容電壓將驅(qū)動信號分配給各個子模塊，分配的基本原

5、則是將充電能力強的驅(qū)動信號分配給電容電壓低的子模塊，將充電能力弱的驅(qū)動信號分配給電容電壓高的子模塊。該平衡算法不僅有效降低了排序頻率，大大減小了系統(tǒng)計算量，而且能夠保證每個子模塊的開關(guān)頻率相等且較低，同時無需檢測橋臂電流。進一步地，為了減小每次排序時的計算量，根據(jù)電容電壓增量關(guān)于驅(qū)動信號編號的曲線的對稱性，在計算得到對稱點編號之后可以根據(jù)驅(qū)動信號編號與對稱點編號的距離推導(dǎo)得到驅(qū)動信號的充電能力序列，從而可以取消原始雙排序算法中的電容電壓

6、增量排序。
　　再次，在高頻載波移相調(diào)制下前述平衡算法在受到擾動或初始電壓不平衡時收斂速度較慢。通過詳細的理論推導(dǎo)可以證明，將一對驅(qū)動信號作“邏輯與”和“邏輯或”處理可以顯著的改變這一對驅(qū)動信號的充放電能力，而且邏輯處理后的新的驅(qū)動信號的充放電能力主要取決于原始的那一對驅(qū)動信號對應(yīng)的載波相角差?；谶@一現(xiàn)象，本文提出了一種基于電容電壓分段邏輯處理的電容電壓平衡算法。將所有子模塊依次按照電容電壓最大與最小、第二大與第二小、...第N

7、/2大與第N/2小的方式兩兩分組配對。當(dāng)配對的電容電壓差處于設(shè)定的收斂區(qū)域時，將調(diào)制得到的驅(qū)動信號直接分配給該組子模塊。當(dāng)配對的電容電壓差超出收斂區(qū)域時，根據(jù)電容電壓的發(fā)散程度選取載波相角差合適的驅(qū)動信號作“邏輯與”和“邏輯或”處理，再根據(jù)有功功率的傳輸方向?qū)⒔?jīng)過邏輯處理得到的新的驅(qū)動信號分配給該組中的兩個子模塊，從而快速實現(xiàn)所有的電容電壓平衡。該算法排序頻率為工頻，子模塊開關(guān)頻率等于載波頻率，沒有額外的開關(guān)動作產(chǎn)生，而且無需檢測橋臂電