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模块化多电平变换器电压平衡策略研究

作　者: 董文杰
导　师: 张兴
学　校: 合肥工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 模块化多电平变换器（MMC） 电压平衡 平均值 脉动 仿真验证 DSP和FPGA 实验样机
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter-MMC）不需箝位器件和多个独立直流电压源，具有模块化结构、易扩展到任意电平，可共享一个直流侧，易实现直接背靠背四象限运行等优点，受到广泛关注。由于MMC利用子模块中的悬浮电容对直流侧分压提供合成交流输出电压所需的电压台阶，因此子模块电容电压的平衡对MMC的稳定运行至关重要。本文对影响MMC子模块电容电压平衡的因素进行了详细的分析，重点对额定频率下子模块电容电压平均值控制策略和低频时子模块电容电压脉动抑制策略进行了研究。本文首先介绍了MMC的拓扑结构、基本运行原理和预充电方案，阐述了一种简化的调制策略，该策略结合了单个桥臂内子模块电容电压的平衡方案，可使桥臂内子模块电容电压保持相等。在此基础上，将桥臂作为一个整体，从功率和能量的角度，对子模块电容电压的平均值变化规律和脉动规律两个方面进行了分析，揭示了子模块电容电压与桥臂环流的内在联系。并为了研究和仿真的方便，建立了MMC的连续模型。MMC运行于额定频率时，通过电容参数的选择，脉动可控制在合理的范围内，其电压平衡的控制目标主要是保持平均值恒定。基于对子模块电容电压平均值变化规律与环流关系的分析，构造了桥臂电容电压和控制系统与桥臂电容电压差控制系统。搭建了单相五电平物理模型和连续模型进行了仿真验证，仿真结果证明了所设计的电压控制策略具有良好的性能，并验证了连续模型的合理性。MMC运行于低频时，子模块电容电压脉动急剧增大，本文在分析了脉动原因的基础上，通过桥臂电压和桥臂电流重构，把桥臂功率低频脉动转化为高频脉动，从而使子模块电容电压脉动的幅值大大降低。搭建了三相五电平仿真模型对低频电压脉动抑制策略进行了仿真，仿真结果验证了所提低频电压脉动抑制策略的正确性。最后，设计并搭建了单相五电平MMC实验样机，给出了子模块主要单元的原理图；采用DSP作为主控制器，FPGA为辅控制器的结构，给出了FPGA的程序功能框图和DSP的软件流程图，并对FPGA程序进行了仿真验证。最后，给出了样机的实验波形，实验结果证明了所提平均值电压控制策略的正确性和有效性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-14
第一章 绪论  14-21
  1.1 研究背景  14-16
  1.2 国内外研究现状  16-19
  1.3 本文主要研究内容  19-21
第二章 拓扑结构与运行原理  21-30
  2.1 引言  21
  2.2 拓扑结构  21-23
  2.3 运行原理  23-24
  2.4 调制原理  24-26
  2.5 预充电方案  26-28
    2.5.1 “它励”式预充电模式  26-27
    2.5.2 “自励”式预充电模式  27-28
  2.6 本章小结  28-30
第三章 子模块电容电压平衡策略  30-58
  3.1 引言  30-31
  3.2 桥臂内电容电压平衡策略  31-35
    3.2.1 基于排序的平衡原理  31-32
    3.2.2 仿真验证  32-35
  3.3 连续模型  35-38
    3.3.1 连续模型建立  35-37
    3.3.2 仿真验证  37-38
  3.4 桥臂平均能量分析  38-40
  3.5 电容电压平均值控制策略  40-50
    3.5.1 桥臂能量和控制器系统  41-42
    3.5.2 桥臂能量差控制系统  42-44
    3.5.3 桥臂能量总体控制系统  44-45
    3.5.4 仿真验证  45-50
  3.6 电容电压低频脉动抑制策略  50-57
    3.6.1 桥臂能量脉动分析  50-52
    3.6.2 低频电压脉动抑制策略  52-54
    3.6.3 仿真验证  54-57
  3.7 本章小结  57-58
第四章 实验平台及实验结果  58-69
  4.1 引言  58
  4.2 硬件系统  58-60
  4.3 软件控制系统设计  60-64
    4.3.1 FPGA 程序设计  60-63
    4.3.2 DSP 程序设计  63-64
  4.4 实验结果  64-68
    4.4.1 同相载波和反相载波实验验证  64-66
    4.4.2 电压平衡策略稳态验证  66
    4.4.3 桥臂电压和控制动态验证  66-67
    4.4.4 桥臂电压差控制动态验证  67-68
  4.5 本章小结  68-69
第五章 总结与展望  69-71
  5.1 总结  69
  5.2 展望  69-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间发表的论文  75-76

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 变压器、变流器及电抗器 > 变流器
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