模塊化多電平變換器(MMC)的環(huán)流諧波抑制及低頻運(yùn)行研究.pdf

1、隨著大功率電力電子變換裝置的廣泛應(yīng)用，多電平變換技術(shù)得到快速發(fā)展。作為新一代多電平變換器拓?fù)?，模塊化多電平變換器（MMC）以其相對(duì)于傳統(tǒng)多電平拓?fù)涞娘@著優(yōu)勢(shì)，引起了廣泛的研究興趣。本文以MMC橋臂中的環(huán)流諧波，以及低頻運(yùn)行時(shí)子模塊中的巨幅電壓脈動(dòng)為重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，主要的研究工作總結(jié)如下：
　　Dc/ac或ac/dc變換是MMC最常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)合。在這類(lèi)應(yīng)用中，MMC懸浮的子模塊電容電壓與橋臂電流中含有多種諧波，且這些諧波分量之間存在復(fù)

2、雜的耦合關(guān)系。本文根據(jù)MMC的工作原理，分析了橋臂電流、子模塊電容電壓中各諧波成分的耦合過(guò)程和形成機(jī)理。通過(guò)分析證明每相橋臂的環(huán)流中包含以二次脈動(dòng)為主的偶次諧波分量，電容電壓中包含基波分量、二次諧波及其他諧波分量。這些環(huán)流、電壓中的偶次諧波呈上、下橋臂同相；而電壓中奇次諧波呈上、下橋臂反相關(guān)系。這些分析結(jié)論突出了本文所研究問(wèn)題的意義和必要性，并為后文的解決方案提供了理論依據(jù)。
　　環(huán)流中二次脈動(dòng)為主的偶次諧波會(huì)增大橋臂電流應(yīng)力和系

3、統(tǒng)損耗，甚至導(dǎo)致暫態(tài)過(guò)程失穩(wěn)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出基于“嵌入式”重復(fù)控制結(jié)構(gòu)的環(huán)流諧波抑制方法。與已有的環(huán)流諧波抑制方法（如旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下比例積分（proportional integration，PI）控制、多個(gè)比例諧振（proportional resonant，PR）控制器并聯(lián)等）相比，具有對(duì)單相/三相MMC均適用、控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不隨諧波次數(shù)增加而上升、可直接數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)理論分析證明了“嵌入式”結(jié)構(gòu)比一種常用的并聯(lián)式控制

4、結(jié)構(gòu)（重復(fù)控制器與PI控制器并聯(lián)）更有優(yōu)勢(shì)，前者不僅結(jié)合了PI控制器的快速動(dòng)態(tài)性能與重復(fù)控制器良好的穩(wěn)態(tài)諧波抑制能力，還避開(kāi)了兩控制器之間的互相影響。因此是一種可靠、實(shí)用的解決方案。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出控制方案的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。此外，分析表明MMC每相輸出功率保持不變的情況下，抑制環(huán)流中的二次脈動(dòng)并不會(huì)造成子模塊電容中的二次脈動(dòng)功率顯著增加，證明了該研究的實(shí)用價(jià)值。
　　MMC子模塊電容電壓中的基波脈動(dòng)與輸出電流成正比，與基

5、波頻率成反比。在MMC低頻運(yùn)行時(shí)幅值巨大的電容電壓脈動(dòng)嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，這成為MMC應(yīng)用于帶大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的交流傳動(dòng)系統(tǒng)的最大障礙。目前已有的方法大多基于高頻共模電壓及環(huán)流注入法，即向橋臂電流和輸出電壓中分別注入高頻環(huán)流和同頻率的共模電壓。但這種方法會(huì)增大橋臂電流應(yīng)力，即使經(jīng)過(guò)改進(jìn)，仍然難以滿足MMC帶大轉(zhuǎn)矩負(fù)載起動(dòng)及低頻運(yùn)行的需求。為解決這一問(wèn)題，本文利用MMC上、下橋臂中基波脈動(dòng)功率互為反相的特性，在上、下橋臂間開(kāi)辟“功率通道”使反

6、相的脈動(dòng)功率互相抵消，從而達(dá)到抑制電壓脈動(dòng)的目的。功率通道采用雙向半橋隔離型變換器構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)隔離變壓器兩側(cè)半橋電路輸出的交流方波電壓之間的移相角，用高頻的開(kāi)關(guān)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了低頻脈動(dòng)功率的傳輸。隔離變壓器的漏感大小是功率控制的重要參數(shù)，本文根據(jù)變換器的功率傳輸能力、變壓器電流限幅以及控制分辨率，給出該參數(shù)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。通過(guò)MMC交流傳動(dòng)系統(tǒng)的低頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，以及全速度范圍運(yùn)行的仿真、實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的方案能有效抑制子模塊電容中的巨幅電壓

7、脈動(dòng)而不增大橋臂電流，MMC低頻運(yùn)行的帶載性能得到顯著提高。
　　針對(duì)功率通道控制下MMC子模塊電容中仍然存在的上、下橋臂同相的二次脈動(dòng)，對(duì)MMC低頻運(yùn)行性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。比較直流側(cè)或電容獨(dú)立提供二次脈動(dòng)功率時(shí)環(huán)流或電容電壓的二次脈動(dòng)大小隨運(yùn)行頻率變化的特性，提出低頻運(yùn)行時(shí)抑制電容電壓中的二次脈動(dòng)，由直流側(cè)提供二次脈動(dòng)功率的方案，通過(guò)二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電容能量和環(huán)流的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了采用該優(yōu)化方案能有效抑制