模块化多电平换流器原理及应用

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 可再生能源的发展需求 1
1.2 柔性直流输电技术 3
1.3 高压大容量VSC 4
1.3.1 两电平换流器 5
1.3.2 三电平换流器 5
1.3.3 级联H桥型换流器 7
1.4 模块化多电平换流器 8
参考文献 11
第2章 MMC的原理与特点 15
2.1 MMC的基本工作原理 15
2.1.1 电路结构分析 15
2.1.2 子模块工作原理 16
2.1.3 MMC电压增益分析 17
2.2 MMC电路分析 20
2.2.1 基本电压电流关系分析 20
2.2.2 电容电压分析 21
2.3 主要元器件参数设计 22
2.3.1 子模块功率器件选型 22
2.3.2 子模块电容器设计 24
2.3.3 桥臂电感设计 25
2.4 MMC辅助电路介绍 26
2.4.1 启动充电电路 26
2.4.2 子模块辅助供电电源 27
2.4.3 功率泄放电路 28
2.4.4 控制与保护系统 28
2.4.5 MMC样机示例 28
参考文献 32
第3章 MMC调制与子模块电容电压平衡技术 33
3.1 MMC调制技术概述 33
3.1.1 低开关频率调制策略 33
3.1.2 混合开关频率调制策略 34
3.1.3 高开关频率调制策略 34
3.1.4 子模块电容电压平衡 35
3.2 *近电平调制技术 36
3.2.1 *近电平调制的基本原理 36
3.2.2 基于排序的子模块电容电压平衡方法 37
3.2.3 降低开关次数的子模块电容电压平衡方法 39
3.2.4 基于排序的子模块电容电压平衡方法拓展 42
3.3 载波移相调制技术 43
3.3.1 MMC中PSC-PWM的谐波特性分析 43
3.3.2 MMC输出电压谐波*小化的载波移相角设计 50
3.3.3 MMC环流谐波消除的载波移相角设计 50
3.3.4 全桥子模块MMC的PSC-PWM 55
3.3.5 基于PSC-PWM的子模块电容电压平衡方法 61
参考文献 64
第4章 MMC环流抑制技术 67
4.1 环流现象与成因 67
4.2 环流的有源抑制方法 70
4.2.1 二倍频负序坐标系PI控制器 70
4.2.2 谐振控制器 71
4.2.3 重复控制器 72
4.2.4 结合电容电压前馈的有源环流抑制方法 76
4.3 有源环流抑制与调制策略的耦合现象及解耦方法 77
4.4 环流的无源抑制方法 86
4.4.1 有源环流抑制方法的输出容量损失问题 86
4.4.2 无源环流抑制方法的滤波器参数设计 89
4.5 降低电容电压波动的环流注入方法 96
参考文献 100
第5章 MMC运行控制技术 102
5.1 MMC控制目标及等效模型 102
5.2 MMC内部能量平衡控制 103
5.2.1 总体能量平衡控制 104
5.2.2 相间能量平衡控制 105
5.2.3 桥臂间能量平衡控制 106
5.3 MMC外层整体控制 115
5.3.1 MMC逆变运行控制 115
5.3.2 MMC整流运行控制 117
参考文献 120
第6章 MMC启动充电技术 122
6.1 外接启动电源的充电方法 122
6.2 直流侧启动充电方法 124
6.2.1 MMC直流侧不控充电过程分析 124
6.2.2 MMC直流侧启动充电控制策略 125
6.2.3 MMC直流侧启动充电实验分析 126
6.3 交流侧启动充电方法 129
6.3.1 MMC交流侧不控充电过程分析 129
6.3.2 MMC交流侧启动充电控制策略 130
6.3.3 MMC交流侧启动充电实验分析 132
参考文献 135
第7章 MMC子模块冗余与故障容错技术 136
7.1 MMC子模块冗余机制 136
7.2 子模块冷备用及其容错控制 137
7.2.1 含冷备用子模块MMC的电路分析 137
7.2.2 含冷备用子模块MMC的平稳过渡控制方法 138
7.3 子模块热备用及其故障容错控制 143
7.3.1 含热备用子模块MMC的电路分析 143
7.3.2 子模块IGBT开路故障诊断与容错方法 145
7.3.3 子模块热备用机制的进一步优化 156
7.4 子模块热插拔技术 158
参考文献 162
第8章 MMC交流侧不对称运行技术 163
8.1 不对称故障下MMC电路分析 163
8.1.1 不对称故障下MMC并网点的电压特征 163
8.1.2 不对称故障下MMC的交流电流与功率波动 166
8.2 不对称故障下MMC的控制策略 168
8.2.1 基于DDSRF的正、负序信号检测方法 168
8.2.2 不对称故障下MMC交流侧负序电流与功率波动抑制 170
8.2.3 不对称故障下MMC的直流侧功率波动抑制 173
8.3 不对称故障下背靠背系统的功率传输问题 175
参考文献 178
第9章 MMC电磁暂态模型及其仿真技术 180
9.1 MMC的详细模型 180
9.1.1 MMC器件级模型 180
9.1.2 基于分解算法的MMC详细模型 181
9.1.3 基于开关电阻等效的MMC详细模型 181
9.1.4 MMC的戴维南等效详细模型 182
9.2 MMC桥臂平均模型 183
9.2.1 MMC桥臂平均模型的基本原理 183
9.2.2 MMC桥臂平均模型仿真实例 184
9.3 MMC的换流器平均模型 188
9.4 实时仿真与半实物仿真技术 190
参考文献 193
第10章 MMC谐波线性化建模方法 195
10.1 MMC的谐波耦合特性及其线性化建模方法 195
10.2 基于HSS的MMC稳态模型 197
10.2.1 HSS基本原理 197
10.2.2 HSS下的MMC稳态模型 201
10.3 基于HSS的MMC小信号线性模型及其应用 205
10.3.1 MMC模型的线性化 205
10.3.2 MMC小信号线性模型的应用 207
参考文献 210
第11章 MMC在柔性直流输电中的应用 212
11.1 柔性直流输电的主接线方式 212
11.1.1 单极结构 212
11.1.2 双极结构 214
11.2 柔性直流输电的功率控制范围分析 215
11.3 多端柔性直流输电系统的功率协调控制 218
11.3.1 主从控制 218
11.3.2 电压裕度控制 219
11.3.3 下垂控制 220
11.4 混合直流输电技术 221
11.4.1 MMC与LCC混合直流输电 222
11.4.2 MMC与二极管整流器混合直流输电 224
11.4.3 MMC与DC/DC的混合直流输电 226
11.5 柔性直流输电直流短路故障保护 226
11.5.1 MMC柔性直流输电直流短路故障特征 226
11.5.2 基于交流断路器的直流短路故障电流阻断方法 229
11.5.3 具备直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑 231
11.5.4 基于直流断路器的故障保护方法 235
参考文献 238
第12章 MMC在高压变频器中的应用 241
12.1 MMC高压变频器概述 241
12.1.1 MMC变频器的主电路结构 242
12.1.2 MMC变频器的输入整流器电路 243
12.2 MMC变频器低频运行的电容电压波动问题 245
12.3 MMC变频器的高频注入方法 250
12.3.1 正弦波高频注入方法 250
12.3.2 方波高频注入方法 252
12.3.3 方波高频注入方法的进一步优化 253
12.4 混合型MMC变频器拓扑 263
12.4.1 拓扑结构与工作原理 264
12.4.2 混合型MMC电路特性分析 266
12.4.3 混合型MMC控制策略 270
12.5 混合型MMC降电容电压运行方式 278
12.6 混合型MMC四象限变频器 285
12.6.1 混合型MMC四象限变频器的工作原理 286
12.6.2 混合型MMC四象限变频器的控制方法 289
参考文献 296
第13章 MMC的其他新应用概述 299
13.1 MMC高压大容量DC/DC变换器 299
13.1.1 MMC面对面型DC/DC变换器 299
13.1.2 MMC自耦型DC/DC变换器 305
13.1.3 基于容性能量转移原理的模块化DC/DC变换器 306
13.2 MMC线间直流潮流控制器 307
13.2.1 MMC线间直流潮流控制器电路结构 308
13.2.2 MMC线间直流潮流控制器控制策略 309
13.2.3 MMC线间直流潮流控制器仿真分析 310
13.3 MMC直流输电分接装置 312
13.3.1 MMC串联型直流输电分接装置电路结构 312
13.3.2 MMC串联型直流输电分接装置控制策略 314
13.3.3 MMC串联型直流输电分接装置仿真分析 315
13.3.4 MMC DC/DC型直流输电分接装置 318
13.4 MMC直流融冰装置 320
13.4.1 MMC直流融冰装置电路结构与电压增益分析 321
13.4.2 M2D2控制策略 324
13.4.3 功率半导体器件应力分析 326
13.4.4 M2D2实验验证 327
13.5 MMC在其他领域中的应用展望 331
13.5.1 MMC新能源发电装备 331
13.5.2 MMC电池储能系统 334
13.5.3 MMC统一潮流控制器 335
13.5.4 MMC配电柔性开关 336
13.5.5 MMC电力电子变压器 337
13.5.6 MMC技术展望 338
参考文献 339
第14章 MMC实验样机设计 343
14.1 MMC实验样机主电路设计 343
14.1.1 子模块电容器选型 344
14.1.2 子模块开关器件选型 344
14.1.3 驱动电路设计 345
14.1.4 检测电路设计 346
14.1.5 桥臂阀组设计 346
14.2 MMC实验样机控制电路设计 347
14.2.1 采样板设计 348
14.2.2 控制板设计 349
14.2.3 光纤板设计 351
14.3 MMC实验样机控制程序设计 352
14.3.1 DSP程序框架 352
14.3.2 FPGA程序框架 353
14.3.3 MMC实验样机运行结果 354