【摘 要】
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模块化多电平换流器（Modular multilevel converter,MMC）兼具高度模块化、易拓展性、功率器件电压应力低等诸多优势,在中高压大功率场合,尤其是无功补偿领域取得了广泛应用。本文以半桥子模块型MMC为对象,为保障其正常工况下的高性能控制及故障工况下的持续运行,针对其解耦控制、大信号稳定控制、故障诊断和容错运行方法进行了研究。本文的主要工作包括:首先,针对MMC交流控制回路和环
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模块化多电平换流器（Modular multilevel converter,MMC）兼具高度模块化、易拓展性、功率器件电压应力低等诸多优势,在中高压大功率场合,尤其是无功补偿领域取得了广泛应用。本文以半桥子模块型MMC为对象,为保障其正常工况下的高性能控制及故障工况下的持续运行,针对其解耦控制、大信号稳定控制、故障诊断和容错运行方法进行了研究。本文的主要工作包括:首先,针对MMC交流控制回路和环流控制回路耦合导致的输出电压谐波含量高、环流纹波幅值大的问题,提出了一种交流回路和环流回路间的解耦控制方法。在交流控制回路中,利用2N+1输出电平调制方法,根据交流电压参考值计算下桥臂和上桥臂间应投入的子模块数量之差;在环流控制回路中,利用模糊控制器,根据环流跟踪误差计算上桥臂和下桥臂间应投入的子模块数量之和;根据所得应投入子模块数量的和与差,计算各桥臂应投入的子模块数量,从而实现交流回路和环流回路间的解耦控制。验证结果表明,所提方法可降低输出电流的总谐波畸变率（Total harmonic distortion,THD）和环流纹波幅值。其次,针对MMC级联线性控制结构参数设计复杂、大信号稳定性难以保证的问题,提出了一种基于李雅普诺夫稳定判据的双层反推控制方法。第一层反推控制以子模块中电容存储的总能量和无功电流为控制目标,选取状态变量并构建其李雅普诺夫函数,以保证跟踪误差收敛于零为原则,设计各控制量的控制律;第二层反推控制以环流为控制目标和状态变量,构建其李雅普诺夫函数,以保证跟踪误差收敛于零为原则,设计各控制量的控制律。所提方法可从理论上保证系统的大信号稳定性。仿真和实验结果表明,所提方法可在变主回路参数和电网电压不平衡等多工况下稳定运行,且在电流阶跃工况下具有快速的动态响应。再次,针对MMC中功率器件数量众多,导致故障检测及定位过程计算量庞大的问题,提出了一种基于状态量预测的子模块开关开路故障诊断方法。利用MMC模型对输出电流和环流进行预测,并计算其实际值与预测值的差值,通过比较各差值及其阈值的大小,判断故障是否发生并对其所在桥臂进行定位;考虑到故障子模块电容电压不断升高的特性,在故障桥臂内,选取具有最高电容电压的子模块,根据其开关状态及电容电压变化量判定该子模块是否发生故障,从而对故障进行定位。仿真和实验结果表明,所提方法可准确、快速地定位故障模块,保障MMC的安全运行。最后,针对MMC在多子模块故障工况下电压输出能力下降的问题,提出了一种基于子模块电容电压参考值动态调整的容错控制方法。该方法同时提升故障桥臂和非故障桥臂的子模块电容电压,从而扩大了故障相与非故障相的电压输出范围;进一步,通过注入更低幅值的零序电压,调整三相输出电压的参考值,避免故障相出现过调制现象。该方法利用三相非故障子模块共同承担故障模块的功率缺失,提高了系统在多模块故障下的容错运行能力。仿真和实验结果表明,所提方法可保障MMC在多子模块故障工况下持续运行。
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