子模塊故障下的MMC控制策略研究.pdf

1、近年來，模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter，MMC)憑借其功率器件開關(guān)頻率低、等效開關(guān)頻率高、交流輸出電壓諧波小、模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在高壓大功率場合特別是高壓直流輸電場合得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。但是，MMC橋臂上大量的級聯(lián)子模塊也為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行帶來了安全隱患。因此，本文以半橋型子模塊結(jié)構(gòu)的MMC拓?fù)錇檠芯繉ο?，圍繞子模塊故障下的MMC的運(yùn)行特性和相關(guān)控制技術(shù)展開了分析研討。
　　第一，

2、圍繞子模塊故障下的MMC穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型展開了研究。首先，闡述了MMC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理，在此基礎(chǔ)上，分析了MMC在正常工作時(shí)可能誘發(fā)子模塊發(fā)生故障的幾種常見原因，以及其故障后對整個(gè)系統(tǒng)正常工作可能造成的影響;然后，以平均開關(guān)狀態(tài)模型為基本出發(fā)點(diǎn)，通過引入各個(gè)橋臂的子模塊故障數(shù)目作為變量，建立了適用于不同子模塊故障類型下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性分析的數(shù)學(xué)模型;最后，基于該模型對不同子模塊故障類型下MMC的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行了系統(tǒng)的對比分析與總結(jié)。<

3、br>　　第二，圍繞子模塊故障后系統(tǒng)模塊單元的隔離方案和容錯(cuò)控制策略展開了研究。首先，對現(xiàn)有的幾種子模塊故障下的模塊單元隔離方案進(jìn)行了細(xì)致的總結(jié)與對比分析;進(jìn)而，為了能夠既減少子模塊故障后的模塊旁路數(shù)量，同時(shí)也適當(dāng)減輕整個(gè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜程度，提出了一種基于部分對稱旁路法的容錯(cuò)控制策略，并分別分析了其在載波移相和載波層疊兩種不同調(diào)制算法背景下的實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)指出了基于傳統(tǒng)比例諧振(proportional resonant，PR)

4、控制方式的環(huán)流抑制器在該種容錯(cuò)控制方案下的應(yīng)用優(yōu)勢。最后，針對該控制策略的有效性進(jìn)行了相關(guān)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　第三，圍繞中性點(diǎn)偏移控制在MMC子模塊故障容錯(cuò)控制中的應(yīng)用展開了研究。首先，對傳統(tǒng)中性點(diǎn)偏移控制在多電平換流器容錯(cuò)控制中的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行了論述，并通過對其基本數(shù)學(xué)原理和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分析，指出了其在MMC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)存在的缺陷;然后，針對MMC型拓?fù)涞淖幽K故障，為避免傳統(tǒng)中性點(diǎn)偏移控制中對偏移參數(shù)表的繁瑣計(jì)算，同樣以保證子

5、模塊故障后的線電壓平衡為控制目標(biāo)，提出了一種MMC子模塊故障時(shí)中性點(diǎn)移位(Neutral-point shift control，NPSC)容錯(cuò)控制策略，并分析了NPSC對系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，指出了該種控制方式下的系統(tǒng)直流電流與橋臂工頻電流的分配特性。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)對理論分析結(jié)果和控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　第四，圍繞子模塊故障下的MMC環(huán)流抑制策略展開了研究。首先，根據(jù)子模塊故障下的MMC穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對子模塊故障下MMC內(nèi)

6、部環(huán)流的諧波特性進(jìn)行了梳理，指出了子模塊故障下的環(huán)流控制目標(biāo);然后，針對子模塊故障后系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的環(huán)流抑制問題，提出了一種基于準(zhǔn)PR控制的子模塊故障通用容錯(cuò)環(huán)流抑制器（general fault-tolerate circulating current suppressor,GFCCS），實(shí)現(xiàn)了不同子模塊故障類型下環(huán)流抑制，減少子模塊故障下MMC容錯(cuò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，仿真與實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了GFCCS的有效性;最后，為了解決子模塊故障暫態(tài)