论文部分内容阅读
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)作为最具应用前景的多电平变换器之一，展现出诸多优异的性能:比如1)可以通过增加桥臂中串联的子模块数量，方便地扩展变换器的电压和功率等级;2)交流输出波形电平数多，谐波含量低，可以降低对交流侧滤波器的要求;3)单个子模块的半导体器件开关频率低，可以降低变换器的功率损耗;4)桥臂由子模块串联组成，避免了半导体器件的直接串联，可以降低半导体器件的均压难度;5)可以通过桥臂中子模块冗余配置，提高变换器的运行可靠性。基于上述优势，使得MMC在中高压大功率应用领域具有广阔的应用前景，受到了国内外学术界和工业界的广泛关注，并已在高压直流输电系统(High Voltage Direct Current，HVDC)、柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems，FACTS)、中高压电机驱动和电池储能系统(Battery Energy Storage System，BESS)等领域取得初步应用。
在上述中高压应用领域中，存在许多具有两组交流输出端口的应用场景，比如FACTS领域中的统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)，中压双电机或六相电机驱动系统。在这些应用场景中，通常需要配置两个独立的MMC，从而造成系统体积大，重量重，成本高。然而，可以将两个独立的MMC整合成一个具有两组交流输出端口的九桥臂模块化多电平变换器(Nine-arm Modular Multilevel Converter, 9A-MMC)。相比两个独立的MMC，9A-MMC可以节省25％的桥臂数量和50％的桥臂电感数量，从而减小系统的体积、重量和成本。因此，本文以9A-MMC作为研究对象，围绕其运行原理、数学模型、稳态运行分析、拓扑结构优化和具体应用场景分析等内容展开研究，具体的研究工作和创新点如下:
1)9A-MMC的基本原理和稳态运行分析。首先，以传统MMC为基础，阐述了9A-MMC的拓扑结构特点，并分析了9A-MMC的基本原理。然后，通过将桥臂内各个子模块平均等效为受控电压源，并将桥臂等效为各受控电压源的串联组合，由此推导出9A-MMC的平均值数学模型。在此基础上，对9A-MMC的运行范围进行了分析。最后，根据9A-MMC各电气量间的耦合关系，分析了9A-MMC在同频和异频运行工况下子模块电容电压波动分量和环流谐波成分，为开展后续研究奠定基础。
2)9A-MMC的配置方法和调控策略。首先，提出了一种9A-MMC桥臂子模块数量配置方法，即上、中、下桥臂子模块数量差异化配置。这样一方面可以消除9A-MMC的运行范围限制;另一方面当上、下两组交流输出端口的相电压幅值相差较大时，可以进一步节省子模块数量。同时，还对采用桥臂间子模块数量差异化配置方法的9A-MMC和传统6A-MMC进行了对比分析，并指出了9A-MMC具体的性能表现优势和劣势。除此之外，还给出了9A-MMC包含交流输出控制、子模块电容均压控制和环流抑制控制的完整控制策略。最后，利用MATLAB/Simulink仿真软件和实验平台验证了9A-MMC的配置方法和调控策略的有效性。
3)混合型9A-MMC拓扑结构和运行分析。首先，提出了一种基于半桥子模块和单向电流型全桥子模块的混合型9A-MMC拓扑结构，其上、下桥臂由半桥子模块组成，而中间桥臂由单向电流型全桥子模块组成。相比上、中、下桥臂全部由半桥子模块组成的标准9A-MMC，混合型9A-MMC的直流侧电压可以降低1/3，而且所需的IGBT数量和标准9A-MMC保持一致。此外，混合型9A-MMC共模电压中的直流偏置可以消除。然后，分析了在不同运行工况下，混合型9A-MMC中间桥臂电流的三种情况，同时给出了混合型9A-MMC的最大运行范围。为了扩大混合型9A-MMC的运行范围，本文还提出了一种中间桥臂电流重构的控制方法。最后，利用仿真软件和实验平台验证了混合型9A-MMC的性能表现和中间桥臂电流重构控制方法的有效性。
4)应用于配电网柔性互联的九桥臂模块化多电平变换器(Nine-arm Modular Multilevel Converter Based Flexible Interconnection Device, 9AMMC-FID)的运行分析及子模块电容容值优化方法。首先，描述了配电网FID的拓扑结构和工作原理。然后，给出了9AMMC-FID的整体网架形态，同时在9AMMC-FID的数学模型基础上，详细分析了9AMMC-FID的子模块电容电压波动特性和潮流调控范围。针对9AMMC-FID中间桥臂子模块电容电压波动幅值较大的问题，本文还给出了一种子模块电容容值优化方法。最后，通过仿真结果论证了9AMMC-FID的可行性和子模块电容容值优化方法的有效性。
综上所述，本文从电力电子装备紧凑化和轻型化的需求出发，将两个独立的MMC整合成一个具有两组交流输出端口的紧凑型9A-MMC，并对其运行原理、数学模型、稳态运行分析、拓扑结构优化和应用技术开展了全面深入的研究。
在上述中高压应用领域中，存在许多具有两组交流输出端口的应用场景，比如FACTS领域中的统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)，中压双电机或六相电机驱动系统。在这些应用场景中，通常需要配置两个独立的MMC，从而造成系统体积大，重量重，成本高。然而，可以将两个独立的MMC整合成一个具有两组交流输出端口的九桥臂模块化多电平变换器(Nine-arm Modular Multilevel Converter, 9A-MMC)。相比两个独立的MMC，9A-MMC可以节省25％的桥臂数量和50％的桥臂电感数量，从而减小系统的体积、重量和成本。因此，本文以9A-MMC作为研究对象，围绕其运行原理、数学模型、稳态运行分析、拓扑结构优化和具体应用场景分析等内容展开研究，具体的研究工作和创新点如下:
1)9A-MMC的基本原理和稳态运行分析。首先，以传统MMC为基础，阐述了9A-MMC的拓扑结构特点，并分析了9A-MMC的基本原理。然后，通过将桥臂内各个子模块平均等效为受控电压源，并将桥臂等效为各受控电压源的串联组合，由此推导出9A-MMC的平均值数学模型。在此基础上，对9A-MMC的运行范围进行了分析。最后，根据9A-MMC各电气量间的耦合关系，分析了9A-MMC在同频和异频运行工况下子模块电容电压波动分量和环流谐波成分，为开展后续研究奠定基础。
2)9A-MMC的配置方法和调控策略。首先，提出了一种9A-MMC桥臂子模块数量配置方法，即上、中、下桥臂子模块数量差异化配置。这样一方面可以消除9A-MMC的运行范围限制;另一方面当上、下两组交流输出端口的相电压幅值相差较大时，可以进一步节省子模块数量。同时，还对采用桥臂间子模块数量差异化配置方法的9A-MMC和传统6A-MMC进行了对比分析，并指出了9A-MMC具体的性能表现优势和劣势。除此之外，还给出了9A-MMC包含交流输出控制、子模块电容均压控制和环流抑制控制的完整控制策略。最后，利用MATLAB/Simulink仿真软件和实验平台验证了9A-MMC的配置方法和调控策略的有效性。
3)混合型9A-MMC拓扑结构和运行分析。首先，提出了一种基于半桥子模块和单向电流型全桥子模块的混合型9A-MMC拓扑结构，其上、下桥臂由半桥子模块组成，而中间桥臂由单向电流型全桥子模块组成。相比上、中、下桥臂全部由半桥子模块组成的标准9A-MMC，混合型9A-MMC的直流侧电压可以降低1/3，而且所需的IGBT数量和标准9A-MMC保持一致。此外，混合型9A-MMC共模电压中的直流偏置可以消除。然后，分析了在不同运行工况下，混合型9A-MMC中间桥臂电流的三种情况，同时给出了混合型9A-MMC的最大运行范围。为了扩大混合型9A-MMC的运行范围，本文还提出了一种中间桥臂电流重构的控制方法。最后，利用仿真软件和实验平台验证了混合型9A-MMC的性能表现和中间桥臂电流重构控制方法的有效性。
4)应用于配电网柔性互联的九桥臂模块化多电平变换器(Nine-arm Modular Multilevel Converter Based Flexible Interconnection Device, 9AMMC-FID)的运行分析及子模块电容容值优化方法。首先，描述了配电网FID的拓扑结构和工作原理。然后，给出了9AMMC-FID的整体网架形态，同时在9AMMC-FID的数学模型基础上，详细分析了9AMMC-FID的子模块电容电压波动特性和潮流调控范围。针对9AMMC-FID中间桥臂子模块电容电压波动幅值较大的问题，本文还给出了一种子模块电容容值优化方法。最后，通过仿真结果论证了9AMMC-FID的可行性和子模块电容容值优化方法的有效性。
综上所述，本文从电力电子装备紧凑化和轻型化的需求出发，将两个独立的MMC整合成一个具有两组交流输出端口的紧凑型9A-MMC，并对其运行原理、数学模型、稳态运行分析、拓扑结构优化和应用技术开展了全面深入的研究。