本文選題：模塊化多電平換流器 + 直流輸電��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文

【摘要】：模塊化多電平換流器與傳統(tǒng)的多電平變換器拓撲相比較,展現(xiàn)出諸多優(yōu)異的性能,例如其電壓等級與功率等級可以達到±400kV/500MW以上、轉(zhuǎn)換效率高于99%、模塊化結(jié)構(gòu)、擴展容易、可靠性高以及輸出電壓波形質(zhì)量好等。這些優(yōu)點使模塊化多電平換流器具有廣闊的應用前景,成為了近年來國際電力電子領(lǐng)域研究中最熱點的課題之一,并已在柔性直流輸電領(lǐng)域獲得了初步應用,極大地推動了離岸風力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)。與此同時,人們也開始研究能否將模塊化多電平換流器拓展到大功率電機變頻器等其他中高壓電力電子應用當中。但是由于模塊化多電平換流器是一種相對新興的拓撲結(jié)構(gòu),目前對其調(diào)制、能量分布等基本理論的認識還不夠全面,導致不能徹底分析并優(yōu)化其工作性能。另一方面,模塊化多電平換流器在啟動預充電、子模塊故障保護、電容電壓波動抑制技術(shù)等方面也仍存在著一系列技術(shù)困難。在此背景下,本文首先從模塊化多電平換流器的基本運行原理出發(fā),對其載波移相調(diào)制進行傅里葉分析,發(fā)現(xiàn)了載波移相角對電壓電流諧波特性的影響規(guī)律,并對應提出了優(yōu)化的移相角選取方法。另一方面,通過對換流器內(nèi)部功率傳遞機理的分析,從理論上解釋了模塊化多電平換流器電容電壓平衡的控制依據(jù),進而設(shè)計了分層解耦的平衡控制器。最后建設(shè)了完備的模塊化多電平換流器實驗平臺,并介紹了平臺中各部分軟硬件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。論文其次針對模塊化多電平換流器的啟動與子模塊故障這兩種特殊工作情況進行研究。分析了模塊化多電平換流器特有的子模塊電容器啟動預充電問題,在此基礎(chǔ)上分別對直流側(cè)啟動與交流側(cè)啟動提出閉環(huán)恒流充電方法,可有效縮短啟動時間、避免充電過程中的電流浪涌。對比了模塊化多電平換流器子模塊冷備用與熱備用兩種不同冗余機制的優(yōu)缺點,分析了不同冗余機制下子模塊故障后的電路特征,提出了完整的故障診斷與穿越控制方法。以上所提方案均在實驗樣機上進行了詳細的實驗驗證。制約模塊化多電平換流器廣泛應用的一個瓶頸問題是子模塊中需要昂貴笨重的高壓大容量電容器作為功率支撐元件,以限制電容電壓波動不超出允許范圍。因此,如何降低電容器容量成為了降低換流器成本、體積以及變頻器應用中驅(qū)動電機低速運行的關(guān)鍵問題。本文通過對子模塊的連接形式進行優(yōu)化,提出了改進型換流器結(jié)構(gòu),其中頂層、底層以及中間子模塊的電容電壓波動可顯著降低,并提出了二倍頻電容電壓波動抑制的控制方案。而對于更為嚴重的基頻波動,研究發(fā)現(xiàn)可通過降低直流母線電壓的方式予以抑制,進而提出在模塊化多電平換流器的直流母線上引入串聯(lián)開關(guān),結(jié)合適當?shù)碾娏骺刂?可有效降低直流母線電壓平均值,大幅抑制子模塊電容電壓的基頻波動。以上波動抑制方案均在實驗樣機上進行了詳細的實驗驗證,具有一定的工程應用前景。基于以上所提出的運行控制方法,論文最后進一步對模塊化多電平換流器的衍生結(jié)構(gòu)進行研究,旨在拓展其應用范圍。首先提出將模塊化多電平換流器應用為串聯(lián)型直流輸電分接裝置,采用全橋型子模塊結(jié)構(gòu),可有效解決直流線路附近村莊或小城鎮(zhèn)的供電問題。同時該結(jié)構(gòu)僅需較少的元件數(shù)量,具備很高的轉(zhuǎn)換效率與可靠性。進一步地,通過將兩組模塊化多電平換流器構(gòu)建成面對面結(jié)構(gòu),作為直流潮流控制器,能夠解決未來直流電網(wǎng)中環(huán)路潮流不可控的問題。最后介紹了基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置,指出其相比于傳統(tǒng)晶閘管型融冰裝置展現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢,并提出了子模塊電容電壓的優(yōu)化控制方法以及無覆冰天氣下的STATCOM運行模式,最大程度地利用了該裝置的安裝容量。這一部分研究均得到了仿真或?qū)嶒炆系尿炞C,為模塊化多電平換流器的擴展提供了新的理論借鑒。
[Abstract]:The modular multilevel converter is compared with the traditional multilevel converter topology, showing many excellent performances, such as its voltage level and power level can reach more than 400kV/500MW, conversion efficiency is higher than 99%, modularization structure, easy expansion, high reliability and good output voltage waveform quality. These advantages make the modular much more. Level converter has a broad application prospect. It has become one of the most hot topics in the field of international power electronics research in recent years. It has been applied in the field of flexible direct current transmission. It has greatly promoted the construction of offshore wind power generation system. At the same time, people have begun to study whether the modular multilevel converter can be expanded. However, because the modularized multilevel converter is a relatively new topology, the basic theory of its modulation and energy distribution is not fully understood at present, which leads to the failure to thoroughly analyze and optimize its performance. On the other hand, modularized multi electricity. The flat converter still has a series of technical difficulties in starting precharge, submodule fault protection and capacitive voltage fluctuation suppression technology. Under this background, this paper first starts from the basic operation principle of modularized multilevel converter, and carries out Fu Liye analysis on its carrier phase shift modulation, and finds the carrier phase shift angle to voltage power. On the other hand, the control basis of the capacitive voltage balance of modularized multilevel converter is explained theoretically by analyzing the mechanism of power transfer inside the converter, and then a balanced decoupling controller is designed. Finally, the complete construction is built. The modular multilevel converter experimental platform is introduced, and the hardware and software structure parameters of each part of the platform are introduced. Secondly, the paper studies the two special work conditions of the starting and sub module failures of modularized multilevel converter. A closed loop constant current charging method is proposed on the basis of DC side start and AC side start, which can effectively shorten the start time and avoid the current surge during the charging process. Compared the advantages and disadvantages of two different redundancy mechanisms of the modular multilevel converter sub module cold standby and hot standby, the paper analyzes the different redundant mechanism after the failure of the module. A complete fault diagnosis and crossing control method is proposed. All the above schemes have been tested on the experimental prototype. A bottleneck problem that restricts the extensive application of the modular multilevel converter is that the expensive and heavy HV large capacity capacitor is required as a power support element in the sub module. The capacitance voltage fluctuation does not exceed the allowable range. Therefore, how to reduce the capacity of the capacitor becomes the key problem of reducing the cost, volume and the low speed running of the motor in the application of the inverter. This paper optimizes the connection form of the sub module, and puts forward the structure of the improved converter, the top layer, the bottom layer and the middle submode. The capacitance voltage fluctuation can be reduced significantly, and the control scheme of the two frequency doubling capacitor voltage fluctuation suppression is proposed. For the more serious fundamental frequency fluctuation, it is found that it can be suppressed by reducing the DC bus voltage, and then the series switch is introduced on the DC bus of the modular multilevel converter. The current control can effectively reduce the average voltage of the DC bus voltage and greatly restrain the fundamental frequency fluctuation of the capacitance voltage of the sub module. All the above fluctuation suppression schemes have carried out detailed experimental verification on the experimental prototype, and have a certain engineering application prospect. Based on the above proposed operation control method, the thesis further further modularized multi electricity. The derivative structure of the flat converter is studied in order to expand its application range. First, the modular multilevel converter is applied to a series DC transmission connection device. The whole bridge submodule structure is used to effectively solve the power supply problems in the villages and small towns near the DC line. The high conversion efficiency and reliability are prepared. Further, by constructing the two modular multilevel converter into face structure as a DC power flow controller, it can solve the problem of uncontrollable flow power in the future DC power grid. Finally, the DC ice melting device based on modular multilevel converter is introduced. The technical advantages of the traditional thyristor type ice melting device are presented, and the optimal control method of the capacitance voltage of the sub module and the operation mode of the STATCOM without ice cover are put forward. The installation capacity of the device is used to the maximum extent. This part of the study has been verified by simulation or experiment, and the expansion of the modular multilevel converter. The exhibition provides a new theoretical reference.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM46

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本文編號：1961210