适用于提压运行工况的全桥型MMC载波移相调制方法研究

摘要

模块化多电平换流器（MMC）因具备拓扑结构模块化程度高、输出电压等级扩展性强、控制方式灵活多样、输出波形质量好等优势成为了电压源换流器型高压直流输电（VSC-HVDC）技术中的首选拓扑，并广泛应用在风力发电、光伏发电等可再生能源并网、向弱电网/无源网络供电、大负荷型电网供电和不同步的交流电网互联等场合。本文以全桥MMC（FB-MMC）的调制技术为主要研究对象，对载波移相脉冲宽度调制（CPS-PWM）方式进行了深入的分析和研究。 在需保持直流侧电压不变而提升交流侧电压的应用场合，需要利用到FB-MMC中可输出负电平的全桥子模块（FBSM），使桥臂输出电压值为负。此时若采用传统的CPS-PWM方式，电压参考波范围将超过载波范围，从而无法得到相应的触发信号，因此需要对传统的CPS-PWM方式进行改进。 本文首先介绍了三相FB-MMC的拓扑结构和提压运行工作原理，采用等效简化的方法得出了三相FB-MMC的等效电路模型，根据上、下桥臂的调制输出电压推导了CPS-PWM方式下换流器交流侧等效输出电压的表达式。 随后对换流器交流侧等效输出电压波形进行了傅里叶分析，推导了其基波、谐波的数学计算表达式，根据表达式分析了CPS-PWM方法下交流侧输出电压的谐波特性。对于FB-MMC运行于提压运行工况下时，分析了传统的CPS-PWM方式存在的局限性，针对这些问题，结合子模块电容电压均衡控制方法提出了一种改进型的CPS-PWM方式。对这种改进方法的原理及谐波特性进行了理论分析，且通过PSCAD软件进行了仿真验证。 最后对上述理论分析进行了实际验证，搭建了三相FB-MMC实验平台，验证了FB-MMC的基本工作原理、提压运行工况以及CPS-PWM方式下的相关理论分析的正确性及可行性。

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载波移相调制方法研究

摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 多电平换流器的拓扑结构

1.2.1 NPC型换流器

1.2.2 FC型换流器

1.2.3 MMC

1.3 MMC的研究现状

1.4 MMC的调制方式介绍

1.4.1 多电平换流器的调制方式

1.4.2 MMC调制方式的选择

1.5 本文主要工作

2 FB-MMC提压运行的原理分析

2.1 MMC的拓扑结构

2.2 子模块结构与原理

2.2.1 半桥子模块结构及原理

2.2.2 全桥子模块结构及原理

2.3 FB-MMC提压运行的工作原理

2.3.1 三相FB-MMC的等效电路模型

2.3.2 FB-MMC桥臂的负电平输出

2.4 本章小结

3 CPS-PWM的相关分析

3.1 CPS-PWM原理简介

3.2 CPS-PWM的谐波特性分析

3.3 CPS-PWM谐波分析的仿真验证

3.4 本章小结

4 CPS-PWM方式的改进

4.1 提压运行工况下CPS-PWM存在的问题

4.2 改进型CPS-PWM方式

4.2.1 改进的CPS-PWM调制器

4.2.2 子模块的电容电压均衡控制策略

4.2.3 调制整体流程

4.2.4 谐波特性分析

4.3 仿真验证

4.4 本章小结

5 三相MMC换流器的实验验证

5.1 三相MMC换流器主电路设计

5.1.1 系统结构

5.1.2 控制电路结构

5.1.3 子模块结构

5.1.4 子模块电容及桥臂电抗器的参数设计

5.1.5 主电路参数

5.2 控制系统设计

5.2.1 控制系统整体框架

5.2.2 实时控制功能介绍

5.3 实验结果

5.2.1 MMC原理验证

5.2.2 改进型CPS-PWM方式验证

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文与申请专利

附录2 实验平台实物图