论文部分内容阅读
近年来,模块化多电平变换器(MMC)因为其独特的结构和显著的优点在中高压输配电及中大功率变频器驱动领域中得到了越来越多的关注。本文首先分析了 MMC的基本运行原理,建立了其数学模型,然后对现有的MMC载波移相调制策略、环流抑制策略以及低频运行控制策略进行了研究及改进,同时利用MATLAB/Simulink搭建了 MMC仿真模型对所提出的调制及控制策略进行仿真验证,最后设计了一台MMC实验样机对调制及控制策略进行实验验证。本文主要进行了以下工作:第一,通过分析半桥子模块的不同工作模态来分析MMC的基本工作原理,推导出子模块的投入与切除和输出电压之间的具体关系,并建立了 MMC的开关平均数学模型,通过运用基尔霍夫电压电流定律推导出模型中的电压与电流的相关关系式,为MMC控制策略的研究奠定基础。第二,本文介绍了 MMC中常用的调制策略,并着重分析了载波移相调制在MMC中的应用。首先介绍三角波载波移相调制,通过二重傅里叶变换对其输出电压谐波特性进行定量分析。在此基础上,本文提出了输出电压为N+1电平的混合锯齿波载波移相调制策略(N为子模块的个数)。对比N+1电平的三角波载波移相调制,混合锯齿波载波移相调制可以有效降低输出电压与电流的THD值,并且不会明显增加桥臂环流复杂度。第三,通过建立数学模型分析了 MMC环流谐波的产生机理,并介绍了常用来抑制环流谐波的二次谐波准谐振(Quasi-PR)控制器。此后,结合电机变频调速实际应用,提出分段式准PR控制器来应对MMC工作频率动态变化时环流谐波频率变化的问题,最后通过对控制器传递函数的分析给出了详细的控制器参数设计方法。第四,论文分析了 MMC在低频运行时所存在的子模块电容电压波动幅值较大的问题,总结并对比了现有的抑制子模块电容电压波动的高频共模电压与环流注入法,并在此基础上提出一种改进的三次谐波混合注入法来进一步降低桥臂电流的幅值。除此之外,针对高频环流的开环注入法所存在的问题,采用基于高次谐波准PR控制器的闭环注入法来进行高频环流注入以降低环流注入的误差。此外,本文将MMC用于三相永磁同步电机(PMSM)变频调速系统,将前面提到的高频注入法用于PMSM分频段运行控制策略,实现了 MMC在不同运行频率下高频分量的分段注入,从而能够在全频段内有效控制子模块电容电压的波动。第五,本文基于MATLAB/Simlink搭建了三相MMC仿真平台,并搭建了一台三相MMC实验样机和三相永磁同步电机实验平台,通过仿真与实验对本文所研究的调制策略与控制策略进行验证。