模塊化多電平級聯(lián)變換器及其在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、城市電網(wǎng)是現(xiàn)代化城市建設(shè)中的重要基礎(chǔ)設(shè)施，提高城市電網(wǎng)的供電質(zhì)量與輸電能力是城市電網(wǎng)發(fā)展的基本目標(biāo)。模塊化多電平級聯(lián)變換器(modular multilevelcascaded converter，MMCC)是一類基于全控型電力電子器件、由功率模塊級聯(lián)構(gòu)成的高壓大容量電能變換裝置的統(tǒng)稱。MMCC可根據(jù)應(yīng)用場合靈活組合成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直掛于中壓母線處，具有占地面積小、損耗低、支持四象限運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。本文圍繞MMCC內(nèi)特性及其在城市電網(wǎng)中的應(yīng)

2、用開展了如下研究:
　　本文總結(jié)了MMCC內(nèi)特性中的基本共性問題，即內(nèi)部功率波動與環(huán)流。本文將MMCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效為連通圖形式，利用圖論基本理論分析了MMCC共性問題的產(chǎn)生機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，提出了一種MMCC內(nèi)特性通用分析方法，該方法可準(zhǔn)確求得MMCC內(nèi)部功率波動與環(huán)流的幅頻特性，適用于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率模塊類型、輸入/輸出特性的各類MMCC。進(jìn)而，針對MMCC環(huán)流問題，提出了一種通用環(huán)流抑制策略，該方法具有明確的物理意義，實(shí)現(xiàn)簡

3、單，并可以與支路能量均衡控制相結(jié)合。MMCC共性問題研究為其在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
　　敏感、非線性負(fù)荷的電能質(zhì)量問題集中、綜合治理可最大程度降低治理成本，是提高城市電網(wǎng)供電質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(unified powerquality conditioner，UPQC)為電能質(zhì)量問題綜合治理裝置，本文提出了一種串并聯(lián)混合型MMCC-UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直掛于中高壓母線處綜合治理電能質(zhì)量問題。本文提

4、出的串并聯(lián)混合型MMCC-UPQC將串聯(lián)補(bǔ)償電壓作為并聯(lián)補(bǔ)償輸出電壓的一部分，因此所使用的模塊數(shù)與開關(guān)器件數(shù)較傳統(tǒng)高壓大容量UPQC大大減小，進(jìn)而增加了裝置的功率密度，并具有較高的經(jīng)濟(jì)性。針對電壓暫降問題，本文提出了一種協(xié)同無功注入式UPQC電壓暫降補(bǔ)償策略，最大程度的利用了裝置電流容量，延長電壓暫降補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時間。并且在考慮載流受限的前提下，確定了零有功功率注入補(bǔ)償域及相應(yīng)的換流器限流方式。最后，通過仿真對本文提出的串并聯(lián)混合型MMC

5、C-UPQC及電壓暫降補(bǔ)償策略進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　在現(xiàn)有城市電網(wǎng)輸電走廊的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)輸配電技術(shù)提高輸電線路容量為提高城市電網(wǎng)輸電能力的關(guān)鍵技術(shù)手段。本文針對城市電網(wǎng)電纜輸電系統(tǒng)，提出了一種基于三星型全橋(triple star bridge cell，TSBC)MMCC的低頻輸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電纜線路的兩端分別加裝TSBC-MMCC實(shí)現(xiàn)工頻-低頻的電能變換，降低了電纜的工作頻率，既可以減小電纜充電功率，提高線路輸電能力，也可以

6、較好的與現(xiàn)有交流設(shè)備兼容互聯(lián)。本文著重分析了TSBC-MMCC的低頻工作特性，推導(dǎo)了功率波動與內(nèi)部環(huán)流的幅值、頻率特性。在此基礎(chǔ)上，定義了TSBC-MMCC低頻工作下的特征環(huán)流，分析了相關(guān)參數(shù)對特征環(huán)流幅值特性的影響，推導(dǎo)得到了換流器受環(huán)流影響較小的工作區(qū)間。進(jìn)而，本文建立了TSBC-MMCC數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計了基于TSBC-MMCC的雙端低頻輸電的四種運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了靈活的潮流控制。最后，對基于TSBC-MMCC的低頻輸電系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)

7、仿真驗(yàn)證。
　　為實(shí)現(xiàn)對各類MMCC及其應(yīng)用的全面、深入研究，本文研制了MMCC通用實(shí)驗(yàn)平臺，主要包括三個組成部分，即主電路部分、系統(tǒng)級控制器及通用軟件部分。平臺的主電路部分以MMCC功率橋臂為基本單元，詳細(xì)闡述了其參數(shù)計算方法、器件選型、橋臂主控制器構(gòu)架設(shè)計等，并搭建了功率橋臂測試回路，以保證MMCC整體裝配的可靠性。與此同時，本文以統(tǒng)一設(shè)計、分層運(yùn)行的方式研制了MMCC系統(tǒng)級控制器，該控制器支持MMCC功率模塊數(shù)大量擴(kuò)展的需求