关键词：
电力电子变压器
模块化多电平
载波移相
电容电压平衡
环流抑制
DSP+FPGA
摘要：
随着社会的不断发展,电力系统在系统规模、电源形式和负荷种类上发生了巨大的变化,传统的电力系统已经不能满足这些要求,电力电子变压器应运而生。其中三级结构的电力电子变压器因具有直流端,便于新能源接入,可行性高,功能齐全,控制简单等优点而被广泛应用。应用于电力电子变压器的多种拓扑结构中,模块化多电平因易于扩展、便于冗余设计、开关频率低、开关损耗少、波形质量高等优势被认为是最具有发展潜力的多电平拓扑结构,将其应用在电力电子变压器中为中高压大容量输电系统提供了很好的解决方案。但MMC调制策略的选择问题、电容电压不平衡问题、内部环流抑制等问题均有待研究。本文以电力电子变压器为研究背景,将模块化多电平应用到其输入级,研究其工作原理、调制策略、电容电压平衡策略和环流抑制策略,并对其进行仿真分析与实验验证,具体安排如下:首先,介绍了模块化多电平变换器的SM模块工作原理和三相MMC工作原理,并建立了数学模型。在数学模型的基础上列出了其三相电压电流、模块电容电压、桥臂电压电流和直流侧电压电流的关系,为后面控制器的设计提供了有力保障。分析对比了模块化多电平的几种常用调制策略,并选用载波移相脉宽调制方式作为本课题的调制方式。其次,在基于同步旋转坐标系的系统数学模型基础上,进行了 MMC控制器的设计,并在电流内环的基础上加入了电压外环以稳定直流侧输出电压。分析了模块电容电压不平衡的原因,对比了几种电容电压平衡控制方法,选用电压闭环的控制方法。本文用PIR控制器替换传统控制策略中的PI控制器应用到控制方法中,以提高波形质量。在理论分析的基础上利用MATLAB/SIMULINK搭建三相五电平仿真模型,验证所提控制策略的有效性。再次,分析了相间环流产生的原因,并通过公式推导分析得出环流中的谐波成分。分析对比了几种环流抑制方法的优劣,提出了一种基于二倍频负序旋转坐标变换和四倍频正序旋转坐标变换的环流抑制方法,该方法能同时抑制二、四次环流,并通过仿真验证了所提环流抑制策略的有效性。最后,搭建了三相三电平MMC实验平台,对MMC主电路参数设计和辅助电路设计进行了介绍,设计了基于DSP+FPGA的主从式控制系统并通过实验验证了本文所用控制策略的有效性。
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