直流电网用高压大功率DC/DC变换器性能和控制策略分析

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高压大功率DC/DC变换器连接不同电压等级的直流电网,是形成成熟直流电网的关键技术之一。目前适用于直流电网用的高压大功率DC/DC变换器拓扑研究尚处于起步阶段,并未有工程化样机出现。本文以基于LCL网络和MMC(modular multilevel converter)拓扑的DC/DC变换器为研究对象,对其运行特性和控制策略进行了分析。  首先,作为全篇论文研究的基础,分析了基于LCL网络的MMC-DC/DC变换器的工作原理和电路拓扑,推导了LCL网络电压变换和功率传输的数学模型,分析了额定运行时LCL网络两侧交流满足功率因数为1的条件。分析了MMC桥臂电感取值的依据,从直流短路故障的角度分析了额定运行时移相角θN的选取范围,为MMC-DC/DC变换器参数设计步骤提供了依据,上述内容为论文后续的均压策略、环流抑制、在直流电网中的运行特性分析奠定了基础。  其次,以中频MMC子模块电容均压控制为研究对象,针对桥臂参考电压为中频梯形波的情况,提出了一种预先排序的均压策略,子模块的开关频率接近基波频率。分析了MMC电压调制比选取对模块电容电压均压效果的影响。针对MMC桥臂不对称运行的情况,提出了一种基于能量平衡的均压控制策略,此策略能够实现桥臂之间电容电压的良好均衡,并且减小了变换器中的谐波电流分量。在PSIM仿真软件和RT-LAB实时仿真测试平台上开展计算机仿真和实验验证的结果表明,所提出的中高频MMC调制和均压策略正确有效。  再次,研究了DC/DC变换器内部环流的形成机理,从数学角度证明了二倍频环流的存在性,然后针对MMC桥臂参考电压为中频梯形波的情况,提出了一种注入二倍频方波的环流抑制策略,对MMC桥臂电压梯形波中注入二倍频方波,此策略在DC/DC变换器额定功率运行时,环流抑制效果较好,工作在非额定功率时,环流抑制效果有限。  最后,对基于LCL网络的MMC-DC/DC变换器在直流电网中的运行特性进行分析。结合输出电压的表达式,对输出电压的调制策略进行分析,从降低变换器损耗和MMC模块均压效果两个方面,得出通过调节MMC电压调制比mH、mL进行电压控制的局限性。提出了一种通过改变移相角θ进行电压控制的双闭环控制策略。分析了直流双极短路故障的等效电路和故障特性,分析表明,对于本文研究的基于LCL网络的MMC-DC/DC变换器,当MMC采用半桥模块,变换器发生直流双极短路故障时,可以通过闭锁故障侧MMC的方式清除直流短路故障电流。
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