【摘 要】
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近年来,随着电力系统中新能源比重的不断增加,适用于大规模远距离输配电的柔性直流输电技术被广泛研究。电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)负责柔性直流输电工程中能量变换与控制的任务,是柔性直流输电的核心部件。在多种VSC拓扑中,模块化多电平拓扑(Modular Multilevel Converter,MMC)因为易于拓展并且有不平衡运行能力,因此成为了柔性直流输
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近年来,随着电力系统中新能源比重的不断增加,适用于大规模远距离输配电的柔性直流输电技术被广泛研究。电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)负责柔性直流输电工程中能量变换与控制的任务,是柔性直流输电的核心部件。在多种VSC拓扑中,模块化多电平拓扑(Modular Multilevel Converter,MMC)因为易于拓展并且有不平衡运行能力,因此成为了柔性直流输电的优选方案。本文以MMC为研究对象,针对换流器控制过程繁琐,所需传感器数量多的问题,提出一种省略桥臂电流传感器、锁相环和省略坐标变换的优化控制结构。全文研究内容包含以下几点:首先,研究了MMC的运行机理,建立MMC开关函数模型,分析推导了MMC交流侧与直流侧的等效电路,为优化控制结构的研究奠定了理论基础。其次,对现有的多电平换流器调制策略做了总结,研究了载波相移(Carrier Phase-shifted,CPS)、载波层叠(Carrier Level-shifted,CLS)、最近电平逼近(Nearest Level Modulation,NLM)等在MMC系统中常用的调制方法。基于NLM调制机理,提出了一种无需使用桥臂电流传感器的NLM排序均压方法,该方法可以在不使用桥臂电流传感器的情况下判断子模块的投入方向,从而简化系统控制结构。在MMC运行中,桥臂电流信号主要用来判断子模块电容电压的充放电状态和实现环流抑制。因此,在调制环节省略桥臂电流传感器,会增大环流抑制的实现难度。针对该问题,本文根据MMC的开关函数模型研究了换流器环流产生机理,推导了环流的计算表达式,分析得出以二倍频为主的不平衡电压是环流产生的主要原因。为了在省略桥臂电流传感器的同时实现环流抑制,本文研究了现有的环流抑制方法。在此基础上,提出了一种基于不平衡电压的环流抑制策略,该方法通过抑制不平衡电压间接抑制环流。结果表明,本文方法的控制效果良好,环流得到明显抑制,与传统基于传感器的方法基本一致。最后以控制结构优化为目的,研究了现有的换流器经典控制策略。基于abc自然坐标系提出一种单位矢量定向策略,该策略可以实现换流器的无需锁相环和无需坐标变换控制。单位矢量定向方法与无桥臂电流传感器方法结合,从而实现MMC无桥臂电流传感器控制结构的优化。
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