模塊化多電平變換器(MMC)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、面向高壓大功率的多電平變換器，是電力電子學(xué)科中極其重要、有活力的研究方向。與傳統(tǒng)的二極管鉗位、飛跨電容以及級聯(lián)H橋型多電平變換器相比，模塊化多電平變換器（MMC）實現(xiàn)了高度的模塊化，已被公認(rèn)為最具發(fā)展前景的多電平變換器方案。本文對MMC的運(yùn)行機(jī)理、工作特性以及若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。以下是本文的主要研究工作：
　　本文通過分析MMC的工作機(jī)理，開關(guān)狀態(tài)，以及輸入輸出的能量交換關(guān)系等，依次建立了三相MMC的理想開關(guān)模型和平均開關(guān)模型

2、。為了消除上下橋臂之間的耦合對輸入輸出的影響，進(jìn)一步建立了MMC的低頻解耦模型。針對MMC狀態(tài)變量較多的特點(diǎn)，提出了一種多閉環(huán)控制系統(tǒng)，由橋臂總能量控制、能量差控制、環(huán)流控制、交流輸出控制等組成。分別建立了基于MATLAB/SIMULINK軟件仿真模型和基于DSP+FPGA架構(gòu)的實驗平臺，對上述模型和控制架構(gòu)的有效性進(jìn)行了驗證。
　　實現(xiàn)同一橋臂內(nèi)各子模塊電容電壓的平衡是MMC穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。利用MMC調(diào)制的多自由度，在實施M

3、MC調(diào)制的同時實現(xiàn)子模塊的電容電壓平衡，是當(dāng)前的主流方案。但是已有的電壓平衡控制方法受制于絕對穩(wěn)定性、排序算法或增加開關(guān)頻率等不足。為了克服上述缺點(diǎn)，本文結(jié)合脈沖循環(huán)分配的PWM策略，提出了基于脈寬補(bǔ)償?shù)碾妷浩胶饪刂品椒ā＿@種方法實現(xiàn)簡單，無需電壓排序算法，且不會引入額外的開關(guān)動作。針對模塊非常多、開關(guān)頻率極低的大功率應(yīng)用場合，對傳統(tǒng)的模塊選擇法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了無需排序算法的電容電壓平衡控制策略，既極大減輕了控制系統(tǒng)的計算負(fù)擔(dān)，同時也

4、能獲得很好的電壓平衡效果。
　　當(dāng)前對MMC的研究主要集中在高壓直流輸電、靜止同步補(bǔ)償器等恒頻應(yīng)用。當(dāng)MMC用于交流傳動領(lǐng)域時，則存在子模塊電容電壓存在低頻脈動的問題。目前的主流解決方案是在輸出電壓中注入高頻（相對于MMC輸出的低頻而言）共模分量以及在橋臂電流中注入相同頻率的環(huán)流分量。但是這種方案主要存在兩個缺點(diǎn)：環(huán)流波形復(fù)雜以及橋臂電流過大。針對上述問題，本文提出了采用比例積分+準(zhǔn)諧振的閉環(huán)解耦控制策略，以實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)流的準(zhǔn)確快

5、速控制。同時，提出了“提高共模電壓利用率”的概念，通過改變注入高頻共模電壓和環(huán)流的波形，以盡可能減小橋臂電流。最后，針對電機(jī)全速度范圍運(yùn)行提出了合理改變電容電壓的控制策略。仿真和實驗結(jié)果表明：所提方案能準(zhǔn)確控制環(huán)流，實現(xiàn)對電容電壓脈動的有效抑制，盡可能減小橋臂電流。采用該方案后，基于半橋子模塊（半橋型）的MMC適用于對起動和低頻運(yùn)行轉(zhuǎn)矩要求不高的大部分應(yīng)用場合。
　　首次提出了將基于全橋子模塊（全橋型）的MMC應(yīng)用在交流傳動中。無