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模块化多电平逆变器的调制策略研究

 2022-11-09 11:11  

论文总字数:17759字

摘 要

目前模块化多电平逆变器(MMC)在柔性直流输电系统中展现出极大的优势,具有较好的工程发展前景。与传统多电平结构相比,MMC采用半桥结构的子模块,通过子模块级联,实现多电平输出;输出的电平数越多,输出波形也越发逼近理想波形。在工程应用上,MMC还可通过冗余的子模块降低本身器件故障对系统造成的影响。应用仿真软件PSIM进行仿真,搭建了三电平单相MMC,验证了载波移相和载波层叠调制策略的有效性。通过FFT分析,研究了两种调制策略的区别以及不同载波比对输出波形的影响。

关键词:模块化多电平;调制策略;载波移相;载波层叠

Modulation Strategy of Modular Multilevel Inverters

Abstract

At present, the modular multi-level inverter (MMC) has great advantages in the flexible direct current transmission system and has a good engineering development prospect.Compared with the traditional multi-level structure, the MMC adopts half bridge submodules, which are cascaded to achieve multi-level output.The more the number of output levels, the closer the output waveform is to the ideal waveform.In engineering applications, MMC can also reduce the impact of component failures on the system through redundant submodules.The simulation software PSIM is used to build a three-level single-phase MMC, which verifies the validity of carrier phase shift and carrier cascade modulation strategies.Through FFT analysis, the difference between the two modulation strategies and the influence of different carrier ratio on the output waveform are studied.

Keywords:Modular multi-level,Modulation strategy,Carrier phase shift,Carrier disposition

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的主要工作 2

第二章 模块化多电平换流器的拓扑结构与原理介绍 3

2.1 常见多电平换流器拓扑结构分析比较 3

2.1.1 二极管箝位型多电平换流器 3

2.1.2 飞跨电容型多电平换流器 4

2.1.3 模块化多电平型换流器 4

2.2 MMC拓扑结构 5

2.2.1 两种子模块拓扑结构图 5

2.2.2 双星型连接拓扑 5

2.2.3 单星型连接拓扑 6

2.2.4三角型连接拓扑 6

2.3 MMC工作原理 7

2.3.1 MMC子模块工作原理 7

2.3.2 三相MMC工作原理 9

2.4 MMC仿真特点 11

第三章 模块化多电平换流器的不同调制策略分析 13

3.1 最近电平逼近调制策略 13

3.2 载波层叠PWM调制策略 14

3.3 载波移相PWM调制策略 14

第四章 基于单相模块化多电平换流器的仿真与分析 16

4.1 单相MMC仿真模型 16

4.2 单相MMC仿真 17

4.2.1 载波移相PWM调制策略 17

4.2.2 载波层叠PWM调制策略 19

4.3 调制策略的对比分析 20

4.4 本章小结 21

第五章 总结与展望 22

5.1 本文总结 22

5.2 展望 22

致 谢 23

参考文献 24

第一章 引 言

1.1 研究背景与意义

在我国经济快速增长的大环境下,一是用户对电能需求越来越大。在2020全年中,全社会用电量7.51万亿千瓦时,同比增长3.1%。其中除了居民用户的用电需求增加外,主要由于我国正处于工业化进程中。除此之外,据国网能源院去年末发布的《中国能源电力发展展望2020》报告预计,我国的电力需求将呈现了较大的增长趋势,2035年和2050年我国的电力需求预计达到11.5万亿千瓦时-12.9万亿千瓦时和12.4万亿千瓦时-14.7万亿千瓦时。由于传统的化石能源难以满足需要且不可再生,以及核电的发展存在废料难以处理的诸多问题,因而截至2020年底,煤电发电量占总发电比重下降了7.1的百分点,从2015年的60.9%比重下降到2020年时的60.8%,且全口径煤电装机容量占总装机容量首次下降到百分之五十以下。与上述传统的方式比较,风电和光伏这类利用可再生清洁能源发电的发电方式发电量增速迅猛。截至去年为止,风电和太阳这两种能发电量的增速高达15.1%及16.6%,分别为4665、2611亿千瓦时。并且随着今年国家提出要把碳达峰、碳中和纳入我国的生态文明建设整体布局,推动经济发展绿色低碳转型,优化能源结构,所以风电、太阳能发电等作为新能源中的主要角色将有了愈来愈大的发展前景。

二是柔性直流输电技术作为构建智能电网的重要装备技术,以及发展柔性直流输电也是目前我国改变和制定发展大电网格局的战略需要。与传统方式相比,由于柔性直流输电技术能够灵活和精准地调节电网潮流、电压等,应用柔性输电装置,可以对输电网按照设定的控制目标和策略进行,所以在以下场合极具优势。第一是柔性直流输电在孤岛供电、电网柔性互联(如交流系统互联)等方面具有较强技术方面的优势;第二是有利于城市配电网的增容改造,所以柔性直流输电在大型城市电网构建等方面具有独特优势;第三是有利于大规模可再生能源接入,如大规模风电场并网,特别在我国东南沿海的远海风电接入方面是目前最佳的技术手段。

除此之外,面对高压柔性直流输电技术的普及,以及我国电力结构中比重逐年增加的风电和太阳能发电逆变并网技术需要,模块化多电平换流器(MMC)作为其关键技术得到了迅速发展。相较于其他一些多电平拓扑结构,MMC可以通过级联更多的子模块从而提高电压等级,输出更多的电平数,提高输出波形质量。除此之外,模块化多电平换流器(MMC)可以通过增加冗余的子模块,使得在系统运行过程中故障子模块易被冗余子模块替代,保证电力系统运行的可靠性和安全性。目前在铁道供电、电能质量治理、高压电机拖动,以及分布式逆变电源等其他领域,MMC也得到很多的研究和关注。其调制策略能够影响系统的工作状态和工作性能,是MMC的关键技术之一。

1.2 国内外研究现状

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