模块化多电平换流器的技术研究综述_刘恒门

基 于分 层控 制 思 路 的子 模 块 电容均 压 策 略在 调 制信 号 的基 础 上 分 别 二 加相 间电压平 衡控 制信号 、 桥 臂电压 平衡 控制 信 号 以及 独 立 电 压平 衡 控 制信号 , 以保证各子 模块 电容 电压在 三相之间 , 各相 上 、 下桥臂 之间以及 各桥臂 内部子 模块 电容平 均分配 。
基本结构图
因此 , 与
' 等 电位 ,
、
`
2 013 年
月
三相 上 、 下桥臂的 电感
可 以当做并联处理 。并且由 、 式所示规律输 出 电压 , 。 和 。 可知 ,
电压的调 节依靠直 流总 线 电压或移相 角 , 动态 调节 困难 且 开关次数 的 多少受 电容 电压平衡控 制影响 , 损 耗 不一 定 明显减少 。
吕皿 甘
【 ` 朋
因此系统故障穿越能力得到提高 。 基于上述优点 , 有关 主 要 工作是 对 的研 究日渐增 多 , 本文的 的工作 机理 加 以分析 , 并对 目前 的
模块 化 多电平 主拓扑结 构如 图 个桥臂构成一个相单元 。
所 示 , 每 个桥臂
由 个 子模块 和一 个电抗 器串联 而成 , 每一 相 的上 下两 这种子模块级联拓扑的子模块有全桥和半桥两种结构
式可 知 ,
要 控制 则在 假设 容 电压 为 一
的直流侧和交流侧是可以独立控制的 , 只
分别按 照 每相 有 的输 出端可 以得 到期望的
个子模 块 , 则每 个子模 块 的 电
, 为保持 直流 电压稳 定 , 由式
同相上 、 下桥臂应该对称互补投入 , 因此各相上下 桥臂 在任 何时 刻投入 的子 模块总 数为 如果某 一 时刻 相 上桥 臂投 入子模 块为 子模块 为 。 , 则有 丐
了满 足高压 大功 率的 需求 , 需要的 电平 数很 多 , 往往 在
几 十到上百 电平 ' , 因此 其调 制策略的研 究成为难点 。 下面就 目前 所采用的主要调制策略加 以介绍 。
的选择 方法 、 电压 矢量 的最 优合成顺 序和 广义零 矢量作
用时 间的最优 分配方 法 , 并推 导 出两 电平 与多 电平 电压
块 。 这样 , 从而使 得所有子模块 电容 电压值彼此间相互靠近 , 达到均衡 。
这种 方 法可 以 较 为迅速 的缩 小 各子 模块 电容 电压之间的偏差 , 适合 电容
陀 的应用前景
作 为一 种新 型拓 扑 , 目前 主要应 用于高 压直 流 , 而 随 着对 多, 输 电系统 , 的 相 关 研 究 日渐增 的应用范 围也 越来越广 。 随着 人 们 对 绿 色 能 源 的 逐 渐重 视 , 新型能源 风 能 、 太阳能 、 潮汐 能 等 运 用技术的越来 越成熟 , 文献
出电压 。
且保 持不 变 。 即 , 下桥臂投 入
刃一下 '
厂 厅
一
一
一一一一一一
二 。 在满足上述 关系式的前提 下 ,
图 最 近 电平 逼近 调制 法示 意 图
上 、 下桥臂 通过 调节 投入 的子模块 数即 可得到期 望 的输 由 桥臂 的对 称性可知 , 直流电流 。 将在 个桥
文献 【 提出 了多电平特定消谐波调 制
矢量 之间的作 用时 间转换矩 阵 。 该 调制 策略最大 的 问题 就 是是 算法会 随电平数 的增加 产生数量及其庞
, 基于阶梯波的调制技术
基 于阶梯 波的 调制 技术 就是通过 阶梯波 的叠 加来逼
近正 弦波 , 其本 质是对 参考 电压量化逼 近的 过程 。 常 见 的多 电平阶梯波调制可分 为电压逼近调制 , 两种 。 文献 提 出 了一种最近 电平 逼近调制 的方 和 多电平特定消谐波调制
各相输 出端 电流 。 、 。 、 。 将在各相上 、下桥臂 间均 匀分配 ,
。由
、
统 电压源 以及 上 、下桥臂输 出电压 伟 、 , 共同作用而得到 。
在
中的子模块没有改变之前 ,
电路可以视作
线性 电路 , 根据 线性电路的叠加定理 可知
`` 一
` 二
,
一 `基于空间矢ຫໍສະໝຸດ 思路的文献 〔调制技术
提出 了一种 多 电平换 流器 通用 空间 矢量调
的
臂均 匀分配 , 即每相 桥臂 中获得的直流电流为 即上 、 下桥臂 中获得的交流 电流为
结构可知 , 各相上 、 下桥臂 电流
同理 , 主电路
是由交流系
方法 , 该 方法提 出一种 基于 幂和理 论 的改进 型多 电平基 频开 关调制策 略 。 根 据不 同的调 制波 幅值 , 利 用基 波和 谐 波解 析表达 式设定相 应 的几组 开关 角 , 工作 时根 据系 统 运行 条件查 表确定输 出 哪组开 关角 , 其优 点是能 很好 地 控制谐 波 , 缺点 是在计 算开 关点 的时候 需解 非线性 超 越 方程 , 计 算复 杂 , 一般 通过 离线 查表 法完 成控制 , 动 态特性差 , 不适用于 电平数 比较 多的场 合 。
在 横轴上 、 下连续层叠后与同一个正 弦调 制波进行 比较后 , 在采样时刻根
据 正 弦 波与 各 个 三角 载波 的 比较 结 果输 出不 同的 电平 , 并决定相应子模 块 的开关状态 。 该方法适 用于 电平数 较 少的场合 , 缺点是此方法是一种高 频调制方式 , 开关损耗 比较高 。
文 献 【 介 绍 了一 种 载 波 移
全桥结构适合于
, 。
的 调制 策 略以及 电容 均压 策 略进行 总结 , 最 后就 的应用前景和存在的 问题作 出展望 。
变换 , 又称为级联
一
桥
系统 的子 模块一般 采用
棋块 化 多电平换流器的拓扑 与工作机理
拓扑结构
半桥结 构 , 如 图
。
,
为子 模块
中可 自行 关
断开关器件 如
件并联的二极管 , 锁状 态 与
等效 电路 图 如图
所 示 , 由基尔霍 夫
习
一
去 甲
。
残, 味,
从
为使直流 电压保持稳定 , 通常
初步设计 中要求
叭
由
图
同相上 下桥臂对称 互补投入 , 即满 足
巧 火“ 。
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子模 块 结构
联立式 另 私
、 残,一 丐
卜
, 可得 关系式如式 , 则有
'点, 与 ' 点以及 与
所示 。
甄斗 气 阵户
,
,
为与 可 自行 关 断开 关器
、 。分别 为子模块
为子模块 电容 ,
的输 出电压 和输 出电流 。 子模块 共有 三 种运 行状 态
口 布 ,
闭
均 关断 , 用于子 模 块 充 电或 者故 障 时
开关器件闭锁 , 在正常工作时不会出现此状 态 投入状态
曰翻 田盆 盆
开通 ,
关断 ,
关断 , 此时子模块输 出电容 电压 切 断状态
将 应用到分布式发 电系统
相 调 制策略
, 一
一
, 该 策略指出 ,
电压偏差较大的情况 。 缺点是 即使桥
臂上 各子模块 间的 电压偏 差并 不大 , 但 由于 排 序结 果 的微 小 变化 , 各子
制策略 , 该策略 由两 电平空 间矢量调 制算法拓展得到 , 其
日 调 制策略
与传 统的 两 电平 和三 电平 结构 一样 , 一 的 输出 输 电时 , 为 调制 策略 也是通 过控 制开 关器件 的通 断来使 的交流 电压逼近调制波 。 当用于
算法 时间复 杂度不 随 电平 数 的提 高 而提 高 , 具有 一定 的 理论意义 。 文献 在 分析 多电平 与 以降低 技术 的基础上 , 通过可 等效 的思路 将空 间矢量调 制转化 为注入合适 零序 电压分 量的载 波调 制 。 文 献 汇 开关损 耗和输出 电压 为目标 , 确定 了冗余电压 矢量
块化多 电平换流器型
输 电系统 中的核心组成 部分 , 其拓扑
一 的运
行特性 以及
响
一
工程的有效
一 多
器 件 的较 低 的 开 关频 率也 使 得开 关 损 耗相应 的减 少 拓 扑将 能量 分散存 储在桥 臂各 个子模块 电容 中 ,
性 、 经 济 性和 可 靠 性都 有 很 大 的影 。 目前 已投运 的
的研 究现 状 , 并对 其应 用前 景 以 及存
朽 一
,
,
,
月
, ,
'
中图 分类号
文献 标识 码
文 章编 号
一
一
一
引言
目前 , 基于 电压源 型换流器的高
采 用两 电平
或三 电平
拓扑
,
直 流输 电拓
结构 , 但是这类拓扑结构存在 以下几 点不足 多个 串联将增大器件 较 高 开 关频 静态 、 动 态 均压 难 度 率将导致
扑 〔 一 , 采用模 块化 设计 使得 通过 调 整 子模 块 串联 个 数 便能 实现 电压 及 功率 等级 的灵活变化 , 并且可以扩展
压直 流输 电系统
一
广泛
应用于可再生能源并 网 、 向无源 网络
供 电 、 城市 电网供 电和异步交流 电网 互联等场合 ` 一 , 。 结构及调制策略对 是 一
开通 , 此时子模块输 出电压 为零 。
日
工作 机理
的 每个 桥臂 可 以看作 是一 个 受控 电压源 一、
联 电感 。
,
、
表示
三相 , 下标
表示上桥 臂 , 下标
表示上桥臂 。枯、
, 为相应的的桥臂电流 ,
为桥臂串
粤 屯 侧
曰盛 岛