模塊化多電平矩陣變換器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著中/高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娏﹄娮幼儞Q器的需求越來越廣泛，傳統(tǒng)功率變換器與多電平技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)兩電平或三電平變換器，模塊化多電平變換器(modular multilevel converters，MMC)通過級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，將低耐壓功率器件應(yīng)用于中/高壓應(yīng)用場合，表現(xiàn)出輸入輸出電壓具有較低的諧波含量和dU/dt、不需要大量箝位二極管和飛跨電容、節(jié)省了移相變壓器、無需交流濾波電感、易于模塊化、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)而倍受

2、青睞。模塊化多電平技術(shù)核心技術(shù)日趨成熟且積累了大量技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但也面臨一定局限，比如:存在固有的直流故障缺陷而需優(yōu)化或改變子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等措施增強(qiáng)MMC的故障清除能力;在低頻控制領(lǐng)域，MMC需要注入額外的功率以抑制電容電壓低頻波動(dòng)，但受限于電壓電流裕量，在中/高壓大功率場合應(yīng)用不足。級(jí)聯(lián)H橋型模塊化多電平矩陣變換器(modular multilevel matrix converters，M3C或MMMC)的出現(xiàn)提供了一種新

3、的解決方案:H橋子模塊單元結(jié)構(gòu)具有直流故障穿越能力;在交/交變換場合下，MMC需連接為背靠背系統(tǒng)，M3C省去中間變換環(huán)節(jié)，其橋臂數(shù)量可節(jié)省1/4; M3C僅通過橋臂功率內(nèi)部交換即可解決低頻控制問題，因而更具優(yōu)勢。
　　M3C兼顧傳統(tǒng)矩陣變換器與模塊化多電平的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)任意幅值、頻率、相位的輸出，具備四象限運(yùn)行能力，任意功率因數(shù)輸入，通過增/減級(jí)聯(lián)子模塊數(shù)目應(yīng)用于不同電壓等級(jí)。M3C各橋臂支路串有電感，突破了傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)H橋型模塊化

4、多電平矩陣變換器存在的短路風(fēng)險(xiǎn)及其控制約束，使得各橋臂支路具有相對(duì)的獨(dú)立性，可看作單相級(jí)聯(lián)逆變器，控制更加靈活，使M3C成為易擴(kuò)展的開放性拓?fù)?。目前研究較為普及的MMC、鏈?zhǔn)絊TATCOM或MMC-STATCOM、背靠背MMC均可看作M3C的一個(gè)特例，因此M3C具有很強(qiáng)的代表性和通用性，其子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究可提供一定的共性技術(shù)支撐。M3C能滿足電網(wǎng)發(fā)展對(duì)先進(jìn)電力電子變換器的要求，為各種FACTS裝置用于中/高壓電網(wǎng)提供了有效技術(shù)支撐，因而

5、擁有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文以M3C為研究對(duì)象，圍繞M3C電容電壓波動(dòng)機(jī)理、系統(tǒng)建模與控制設(shè)計(jì)、全頻率段控制方案制定、特殊3×3型M3C直流側(cè)不平衡機(jī)理分析及控制等若干關(guān)鍵問題開展研究工作，主要內(nèi)容包括:
　　(1)建立M3C簡化等效電路模型，以功率分析并結(jié)合仿真計(jì)算驗(yàn)證為基本手段，對(duì)M3C穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓波動(dòng)機(jī)理展開研究，得出電壓波動(dòng)的一般性規(guī)律，其中交流兩側(cè)頻率是影響紋波電壓的關(guān)鍵因素，當(dāng)輸入、輸出頻率彼此接近或一方低頻

6、時(shí)屬于M3C極端運(yùn)行工況，紋波電壓將趨于無窮大而阻斷系統(tǒng)正常運(yùn)行，兼顧到M3C對(duì)稱性，將M3C劃分為一般工況、輸出低頻和輸入輸出趨于同頻三種基本工況進(jìn)行控制技術(shù)研究。基于開關(guān)函數(shù)法，按照單模塊橋臂單元至N模塊級(jí)聯(lián)橋臂單元的基本建模順序，建立M3C開關(guān)周期平均值等效數(shù)學(xué)模型和小信號(hào)模型，推導(dǎo)并簡化得到N模塊級(jí)聯(lián)橋臂單元傳遞函數(shù)并用于閉環(huán)設(shè)計(jì)。
　　(2)針對(duì)一般工況，建立了適用于M3C的多層次電容電壓平衡和橋臂電流控制的串級(jí)控制系統(tǒng)

7、，從有功平衡角度出發(fā)選取電流控制變量，約束環(huán)流量僅在橋臂內(nèi)部流動(dòng);根據(jù)橋臂交/直流側(cè)有功守恒，簡化并統(tǒng)一電壓控制器設(shè)計(jì);橋臂電流直接控制作為內(nèi)環(huán)，可實(shí)現(xiàn)輸入輸出電流間接解耦控制，避免復(fù)雜的解耦變換，同時(shí)內(nèi)部環(huán)流作為可控成分得以有效抑制。
　　(3)在輸出低頻工況下，為使M3C平穩(wěn)跨越輸出頻率趨于0時(shí)的頻率區(qū)間，提出了基于瞬時(shí)功率跟隨的低頻包絡(luò)線控制方法。根據(jù)相單元間輸出二倍頻功率和有功功率共同交換且不易受其他波動(dòng)影響的基本規(guī)律，將

8、波動(dòng)巨大的輸出二倍頻紋波電壓當(dāng)作有用成分投入閉環(huán)反饋控制，其中電壓外環(huán)采用輸出相間電容電壓直流偏差和輸出二倍頻紋波的混合反饋模型，通過復(fù)合控制輸出跟隨相間有功偏差和輸出二倍頻功率實(shí)時(shí)脈動(dòng)的環(huán)流量，從而實(shí)現(xiàn)二者統(tǒng)一控制，進(jìn)一步提出了適用于M3C輸出低頻工況的電壓電流綜合控制框架。
　　(4)在輸入輸出頻率比趨于1/3工況下，為使M3C平穩(wěn)跨越1/3頻率比附近的頻率區(qū)間，提升M3C低頻連續(xù)運(yùn)行能力，提出基于環(huán)流重構(gòu)的廣義低頻包絡(luò)線法，

9、揭示了該工況下電容電壓波動(dòng)劇烈的根本原因:相間平衡電流變量中的正序成分激發(fā)了巨大低頻電壓波動(dòng)。為避免其他不連續(xù)頻率點(diǎn)產(chǎn)生，采用閉環(huán)消除正序電流的直接措施:根據(jù)3×3型M3C特有的正、負(fù)序電流錯(cuò)位對(duì)稱分布特征，剔除特定橋臂組合中的零序成分（正序電流），間接提取負(fù)序電流，其中負(fù)序電流含兩種頻率成分，包括紋波抑制負(fù)序環(huán)流和相間有功平衡負(fù)序環(huán)流;為補(bǔ)償正序電流的準(zhǔn)有功調(diào)節(jié)量，根據(jù)正、負(fù)序電流作用等效原理，保留并加倍負(fù)序電流幅值，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)流重構(gòu)

10、。該方法在相間平衡控制層實(shí)現(xiàn)，在不影響相間有功平衡和輸出二倍頻紋波電壓正常抑制的前提下，擴(kuò)大了M3C低頻連續(xù)運(yùn)行頻率區(qū)間。
　　(5)針對(duì)輸入輸出趨于同頻工況，揭示了差頻功率有效解耦是抑制該工況巨大差頻電壓波動(dòng)的關(guān)鍵，提出高頻環(huán)流注入法和對(duì)稱頻率環(huán)流注入法兩種方案，二者均在橋臂間平衡控制層中實(shí)現(xiàn)，具體如下:
　　1)高頻環(huán)流注入法:根據(jù)橋臂單元間差頻功率和有功功率共同交換的基本特征，將差頻功率納入橋臂單元間有功平衡控制層，通

11、過橋臂間電容電壓直流偏差和差頻紋波的混合反饋控制，閉環(huán)輸出高頻環(huán)流量，通過額外的功率注入實(shí)現(xiàn)差頻功率有效解耦控制。
　　2)對(duì)稱頻率環(huán)流注入法:根據(jù)2(ω1-ω2)頻率環(huán)流功率的產(chǎn)生是影響差頻功率有效解耦的關(guān)鍵這一結(jié)論，采用傳統(tǒng)輸入、輸出有功電流注入法所用環(huán)流分量的優(yōu)化組合，同步注入對(duì)稱頻率環(huán)流，主動(dòng)抑制2(ω1-ω2)頻率環(huán)流功率產(chǎn)生，從源頭上阻斷環(huán)流功率循環(huán)耦合的產(chǎn)生，該方法具備限制橋臂電流峰值的能力。
　　(6)建立特

12、殊3×3型M3C簡化等效電路模型，通過功率分析得出橋臂間無功差異是影響電容電壓平均值穩(wěn)定的關(guān)鍵?；跇虮坶g差頻功率、無功和有功功率共同交換的規(guī)律，將無功差異納入到橋臂間有功平衡范疇，沿用多頻率功率混合反饋控制模型，閉環(huán)輸出高頻環(huán)流，實(shí)現(xiàn)多頻率功率統(tǒng)一控制。在單一環(huán)流路徑下，注入輸入、輸出頻率兩種獨(dú)立環(huán)流量，分別調(diào)整橋臂間非零序有功偏差、相間有功偏差。橋臂電流環(huán)可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)交流相電流及內(nèi)部各頻率環(huán)流解耦控制。
　　(7)給出兩種多電平