模塊化多電平換流器原理及應用

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 可再生能源的發(fā)展需求 1
1.2 柔性直流輸電技術(shù) 3
1.3 高壓大容量VSC 4
1.3.1 兩電平換流器 5
1.3.2 三電平換流器 5
1.3.3 級聯(lián)H橋型換流器 7
1.4 模塊化多電平換流器 8
參考文獻 11
第2章 MMC的原理與特點 15
2.1 MMC的基本工作原理 15
2.1.1 電路結(jié)構(gòu)分析 15
2.1.2 子模塊工作原理 16
2.1.3 MMC電壓增益分析 17
2.2 MMC電路分析 20
2.2.1 基本電壓電流關(guān)系分析 20
2.2.2 電容電壓分析 21
2.3 主要元器件參數(shù)設(shè)計 22
2.3.1 子模塊功率器件選型 22
2.3.2 子模塊電容器設(shè)計 24
2.3.3 橋臂電感設(shè)計 25
2.4 MMC輔助電路介紹 26
2.4.1 啟動充電電路 26
2.4.2 子模塊輔助供電電源 27
2.4.3 功率泄放電路 28
2.4.4 控制與保護系統(tǒng) 28
2.4.5 MMC樣機示例 28
參考文獻 32
第3章 MMC調(diào)制與子模塊電容電壓平衡技術(shù) 33
3.1 MMC調(diào)制技術(shù)概述 33
3.1.1 低開關(guān)頻率調(diào)制策略 33
3.1.2 混合開關(guān)頻率調(diào)制策略 34
3.1.3 高開關(guān)頻率調(diào)制策略 34
3.1.4 子模塊電容電壓平衡 35
3.2 *近電平調(diào)制技術(shù) 36
3.2.1 *近電平調(diào)制的基本原理 36
3.2.2 基于排序的子模塊電容電壓平衡方法 37
3.2.3 降低開關(guān)次數(shù)的子模塊電容電壓平衡方法 39
3.2.4 基于排序的子模塊電容電壓平衡方法拓展 42
3.3 載波移相調(diào)制技術(shù) 43
3.3.1 MMC中PSC-PWM的諧波特性分析 43
3.3.2 MMC輸出電壓諧波*小化的載波移相角設(shè)計 50
3.3.3 MMC環(huán)流諧波消除的載波移相角設(shè)計 50
3.3.4 全橋子模塊MMC的PSC-PWM 55
3.3.5 基于PSC-PWM的子模塊電容電壓平衡方法 61
參考文獻 64
第4章 MMC環(huán)流抑制技術(shù) 67
4.1 環(huán)流現(xiàn)象與成因 67
4.2 環(huán)流的有源抑制方法 70
4.2.1 二倍頻負序坐標系PI控制器 70
4.2.2 諧振控制器 71
4.2.3 重復控制器 72
4.2.4 結(jié)合電容電壓前饋的有源環(huán)流抑制方法 76
4.3 有源環(huán)流抑制與調(diào)制策略的耦合現(xiàn)象及解耦方法 77
4.4 環(huán)流的無源抑制方法 86
4.4.1 有源環(huán)流抑制方法的輸出容量損失問題 86
4.4.2 無源環(huán)流抑制方法的濾波器參數(shù)設(shè)計 89
4.5 降低電容電壓波動的環(huán)流注入方法 96
參考文獻 100
第5章 MMC運行控制技術(shù) 102
5.1 MMC控制目標及等效模型 102
5.2 MMC內(nèi)部能量平衡控制 103
5.2.1 總體能量平衡控制 104
5.2.2 相間能量平衡控制 105
5.2.3 橋臂間能量平衡控制 106
5.3 MMC外層整體控制 115
5.3.1 MMC逆變運行控制 115
5.3.2 MMC整流運行控制 117
參考文獻 120
第6章 MMC啟動充電技術(shù) 122
6.1 外接啟動電源的充電方法 122
6.2 直流側(cè)啟動充電方法 124
6.2.1 MMC直流側(cè)不控充電過程分析 124
6.2.2 MMC直流側(cè)啟動充電控制策略 125
6.2.3 MMC直流側(cè)啟動充電實驗分析 126
6.3 交流側(cè)啟動充電方法 129
6.3.1 MMC交流側(cè)不控充電過程分析 129
6.3.2 MMC交流側(cè)啟動充電控制策略 130
6.3.3 MMC交流側(cè)啟動充電實驗分析 132
參考文獻 135
第7章 MMC子模塊冗余與故障容錯技術(shù) 136
7.1 MMC子模塊冗余機制 136
7.2 子模塊冷備用及其容錯控制 137
7.2.1 含冷備用子模塊MMC的電路分析 137
7.2.2 含冷備用子模塊MMC的平穩(wěn)過渡控制方法 138
7.3 子模塊熱備用及其故障容錯控制 143
7.3.1 含熱備用子模塊MMC的電路分析 143
7.3.2 子模塊IGBT開路故障診斷與容錯方法 145
7.3.3 子模塊熱備用機制的進一步優(yōu)化 156
7.4 子模塊熱插拔技術(shù) 158
參考文獻 162
第8章 MMC交流側(cè)不對稱運行技術(shù) 163
8.1 不對稱故障下MMC電路分析 163
8.1.1 不對稱故障下MMC并網(wǎng)點的電壓特征 163
8.1.2 不對稱故障下MMC的交流電流與功率波動 166
8.2 不對稱故障下MMC的控制策略 168
8.2.1 基于DDSRF的正、負序信號檢測方法 168
8.2.2 不對稱故障下MMC交流側(cè)負序電流與功率波動抑制 170
8.2.3 不對稱故障下MMC的直流側(cè)功率波動抑制 173
8.3 不對稱故障下背靠背系統(tǒng)的功率傳輸問題 175
參考文獻 178
第9章 MMC電磁暫態(tài)模型及其仿真技術(shù) 180
9.1 MMC的詳細模型 180
9.1.1 MMC器件級模型 180
9.1.2 基于分解算法的MMC詳細模型 181
9.1.3 基于開關(guān)電阻等效的MMC詳細模型 181
9.1.4 MMC的戴維南等效詳細模型 182
9.2 MMC橋臂平均模型 183
9.2.1 MMC橋臂平均模型的基本原理 183
9.2.2 MMC橋臂平均模型仿真實例 184
9.3 MMC的換流器平均模型 188
9.4 實時仿真與半實物仿真技術(shù) 190
參考文獻 193
第10章 MMC諧波線性化建模方法 195
10.1 MMC的諧波耦合特性及其線性化建模方法 195
10.2 基于HSS的MMC穩(wěn)態(tài)模型 197
10.2.1 HSS基本原理 197
10.2.2 HSS下的MMC穩(wěn)態(tài)模型 201
10.3 基于HSS的MMC小信號線性模型及其應用 205
10.3.1 MMC模型的線性化 205
10.3.2 MMC小信號線性模型的應用 207
參考文獻 210
第11章 MMC在柔性直流輸電中的應用 212
11.1 柔性直流輸電的主接線方式 212
11.1.1 單極結(jié)構(gòu) 212
11.1.2 雙極結(jié)構(gòu) 214
11.2 柔性直流輸電的功率控制范圍分析 215
11.3 多端柔性直流輸電系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制 218
11.3.1 主從控制 218
11.3.2 電壓裕度控制 219
11.3.3 下垂控制 220
11.4 混合直流輸電技術(shù) 221
11.4.1 MMC與LCC混合直流輸電 222
11.4.2 MMC與二極管整流器混合直流輸電 224
11.4.3 MMC與DC/DC的混合直流輸電 226
11.5 柔性直流輸電直流短路故障保護 226
11.5.1 MMC柔性直流輸電直流短路故障特征 226
11.5.2 基于交流斷路器的直流短路故障電流阻斷方法 229
11.5.3 具備直流短路故障電流阻斷能力的MMC拓撲 231
11.5.4 基于直流斷路器的故障保護方法 235
參考文獻 238
第12章 MMC在高壓變頻器中的應用 241
12.1 MMC高壓變頻器概述 241
12.1.1 MMC變頻器的主電路結(jié)構(gòu) 242
12.1.2 MMC變頻器的輸入整流器電路 243
12.2 MMC變頻器低頻運行的電容電壓波動問題 245
12.3 MMC變頻器的高頻注入方法 250
12.3.1 正弦波高頻注入方法 250
12.3.2 方波高頻注入方法 252
12.3.3 方波高頻注入方法的進一步優(yōu)化 253
12.4 混合型MMC變頻器拓撲 263
12.4.1 拓撲結(jié)構(gòu)與工作原理 264
12.4.2 混合型MMC電路特性分析 266
12.4.3 混合型MMC控制策略 270
12.5 混合型MMC降電容電壓運行方式 278
12.6 混合型MMC四象限變頻器 285
12.6.1 混合型MMC四象限變頻器的工作原理 286
12.6.2 混合型MMC四象限變頻器的控制方法 289
參考文獻 296
第13章 MMC的其他新應用概述 299
13.1 MMC高壓大容量DC/DC變換器 299
13.1.1 MMC面對面型DC/DC變換器 299
13.1.2 MMC自耦型DC/DC變換器 305
13.1.3 基于容性能量轉(zhuǎn)移原理的模塊化DC/DC變換器 306
13.2 MMC線間直流潮流控制器 307
13.2.1 MMC線間直流潮流控制器電路結(jié)構(gòu) 308
13.2.2 MMC線間直流潮流控制器控制策略 309
13.2.3 MMC線間直流潮流控制器仿真分析 310
13.3 MMC直流輸電分接裝置 312
13.3.1 MMC串聯(lián)型直流輸電分接裝置電路結(jié)構(gòu) 312
13.3.2 MMC串聯(lián)型直流輸電分接裝置控制策略 314
13.3.3 MMC串聯(lián)型直流輸電分接裝置仿真分析 315
13.3.4 MMC DC/DC型直流輸電分接裝置 318
13.4 MMC直流融冰裝置 320
13.4.1 MMC直流融冰裝置電路結(jié)構(gòu)與電壓增益分析 321
13.4.2 M2D2控制策略 324
13.4.3 功率半導體器件應力分析 326
13.4.4 M2D2實驗驗證 327
13.5 MMC在其他領(lǐng)域中的應用展望 331
13.5.1 MMC新能源發(fā)電裝備 331
13.5.2 MMC電池儲能系統(tǒng) 334
13.5.3 MMC統(tǒng)一潮流控制器 335
13.5.4 MMC配電柔性開關(guān) 336
13.5.5 MMC電力電子變壓器 337
13.5.6 MMC技術(shù)展望 338
參考文獻 339
第14章 MMC實驗樣機設(shè)計 343
14.1 MMC實驗樣機主電路設(shè)計 343
14.1.1 子模塊電容器選型 344
14.1.2 子模塊開關(guān)器件選型 344
14.1.3 驅(qū)動電路設(shè)計 345
14.1.4 檢測電路設(shè)計 346
14.1.5 橋臂閥組設(shè)計 346
14.2 MMC實驗樣機控制電路設(shè)計 347
14.2.1 采樣板設(shè)計 348
14.2.2 控制板設(shè)計 349
14.2.3 光纖板設(shè)計 351
14.3 MMC實驗樣機控制程序設(shè)計 352
14.3.1 DSP程序框架 352
14.3.2 FPGA程序框架 353
14.3.3 MMC實驗樣機運行結(jié)果 354