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模块化多电平换流器型DC/DC变换器的控制与保护技术研究

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  • 【题名】:模块化多电平换流器型DC/DC变换器的控制与保护技术研究
  • 【年份】:2019
  • 【作者】:丁然
  • 【关键词】:模块化多电平换流器型DC/DC变换器  基本控制  环流抑制  正交虚拟矢量  模块间等差交错移相  主动限流控制  子模块减少投入
  • 【摘要】:在直流电网中,大容量DC/DC变换器是进行不同电压等级互联、大规模可再生能源汇集以及实现中压直流配电网向低压直流微网发展所不可缺少的关键设备。随着模块化多电平换流器(MMC)技术向DC/DC变换领域的发展,MMC型DC/DC变换器由于具有电压扩展能力强、可靠性高以及具有故障限流能力等优点,在直流电网中具有广泛的应用前景。本文对MMC型DC/DC变换器中总体结构为双有源桥(DAB)的典型MMC-DAB型DC/DC变换器的拓扑、基本控制策略、环流抑制策略和故障时的保护措施等多个方面进行了研究,主要工作和创新成果如下:1.在研究MMC-DAB型DC/DC变换器的两种典型拓扑——MMC-MMC-DAB型和MMC-H桥-DAB型结构的基础上,提出了一种新型的串入串出式模块化多电平双有源桥(ISOS-M2DAB)型DC/DC变换器。根据MMC的工作原理、数学模型及等效电路,分析了这几种DC/DC变换器一次侧和二次侧换流器各自的工作原理,得出DC/DC变换器整体的等效电路,推导了移相控制的原理。然后根据MMC型DC/DC变换器基本控制系统的不同分层控制结构,分别得出了MMC-DAB型和ISOS-M2DAB型DC/DC变换器详细的总体控制图。此外,本文推导了MMC-DAB型和ISOS-M2DAB型DC/DC变换器的完整功率特性表达式,并绘制了功率特性图,比较分析了其相对于传统DAB型DC/DC变换器的优点。2.根据MMC系统的环流产生机理,推论出相较于三相式MMC系统直流侧不受环流影响,单相全桥式MMC系统具有直流侧会因为环流的流入产生二倍频纹波,从而降低系统可靠性的特点。然后专门针对单相全桥式MMC系统提出了一种基于正交虚拟矢量的环流抑制策略,其控制图简单,可应用在单相全桥式MMC并网系统和MMC-DAB型DC/DC变换器中,实现对二倍频环流的有效降低,从而提高了系统可靠性。另外,本文又通过分析ISOS-M2DAB型DC/DC变换器的环流等效电路,并结合该DC/DC变换器的结构特点,提出了一种模块间等差交错移相控制(IAPIC)环流抑制策略,通过简单控制环节在理论上消除了二倍频环流。进一步地,本文还分析指出提出的IAPIC控制策略可以削弱直流输出电压偶次纹波,从而有利于系统小型化和紧凑化设计。3.通过仿真验证了应用半桥子模块的MMC-MMC-DAB型DC/DC变换器具有通过闭锁系统原副边两侧MMC隔离双极短路直流故障并限制故障电流的能力。为保证非故障区域的正常功率传输,进一步探讨了通过优化MMC子模块或换流器拓扑,从而利用故障侧单侧MMC闭锁实现双极短路故障隔离限流的方法。为使限流控制摆脱以上被动限流方法受限于直流故障识别速度的缺点,本文提出了一种基于MMC子模块减少投入的新型主动限流控制方法,降低在故障发生后各相子模块处于投入状态的数量。仿真结果表明,该方法较大幅度减少了短路电流峰值,增大了短路电流峰值时间,从而为子模块闭锁保护动作争取了更多时间,提高了器件安全裕度和系统可靠性。4.搭建了基于dSPACE1103实时仿真控制器的MMC型DC/DC变换器硬件实验平台,并使用该平台对MMC-H桥-DAB型DC/DC变换器基本控制以及本文提出的ISOSM2DAB型DC/DC变换器基本控制、基于正交虚拟矢量的单相全桥式MMC系统环流抑制策略和基于模块间等差交错移相控制的环流抑制策略进行了验证,实验结果与仿真结果一致,证明了这些控制策略的正确性。
  • 【会议名称】:博士
  • 【类别名称】:赵剑锋,梅军
  • 【载体】:东南大学
  • 【会议地点】:2019
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