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【6h】

模块化多电平换流器故障容错控制策略研究与装置研制

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摘要

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 轻型直流输电的发展与应用现状

1.3 MMC-HVDC的研究现状

1.3.1 子模块拓扑结构

1.3.2 调制策略

1.3.3 电容电压均衡控制

1.3.4 故障容错控制

1.4 本文的主要研究内容

第2章 MMC-HVDC控制策略

2.1 拓扑结构与工作原理

2.1.1 MMC拓扑结构

2.1.2 MMC工作原理

2.2 调制策略

2.2.1 最近电平调制策略

2.2.2 载波移相调制策略

2.3 控制策略

2.3.1 电流内环控制器

2.3.2 电压外环控制器

2.3.3 子模块电容电压平均控制器

2.4 离散域子模块电容电压平均控制器参数设计

2.4.1 离散域模型

2.4.2 电流内环控制器参数设计

2.4.3 电压外环控制器参数设计

2.5 本章小结

第3章 MMC子模块故障冗余容错控制策略

3.1 子模块故障分析

3.2 冗余容错控制策略概述

3.2.1 冷备用

3.2.2 热备用

3.3 MMC子模块故障冗余控制策略

3.3.1 热备用容错运行MMC数学模型

3.3.2 冗余控制策略

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

第4章 MMC无源逆变实验平台硬件设计

4.1 实验平台总体结构

4.2 控制系统架构设计

4.3 控制器芯片选择

4.3.1 DSP芯片选型

4.3.2 FPGA芯片选型

4.4 硬件电路设计

4.4.1 基于DSP+CPLD的多路采样系统设计

4.4.2 DSP与FPGA通信接口设计

4.4.3 采样调理电路设计

4.4.4 电平转换电路设计

4.4.5 硬件保护电路设计

4.5 本章小结

第5章 实验平台控制系统软件设计与实验结果

5.1 主控制器DSP的软件设计

5.1.1 DSP主程序设计

5.1.2 DSP中断子程序设计

5.2 辅助控制器FPGA、CPLD的软件设计

5.2.1 辅助控制器FPGA的软件设计

5.2.2 辅助控制器CPLD的软件设计

5.3 相单元控制器CPLD的软件设计

5.4 实验结果

5.4.1 实验平台介绍

5.4.2 实验测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

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摘要

近年来,模块化多电平换流器(MMC,分为整流器和逆流器)作为一种新型电压源换流器得到广泛的研究与关注,模块化多电平换流器由于采用模块化结构设计,交流输出电平数多,波形质量高,省去了大容量滤波装置,系统电压等级及容量能灵活调节,可以适应多种功率场合。MMC型轻型直流输电系统是解决我国远距离、大容量输电的重要途径,在诸如高压直流输电、孤岛供电及风电、太阳能等可再生能源并网等领域有着广阔的应用前景。但现在对MMC-HVDC的研究还处于起步阶段。本文针对子模块为半桥型的MMC-HVDC系统,主要研究内容包括:
  (1)详细介绍了MMC子模块工作状态,分析了MMC的运行原理,并介绍了适用于MMC的两种调制策略,即最近电平调制与载波移相调制,并给出了两种调制策略下MMC交流侧输出电压的傅里叶分析表达式,重点分析了载波移相调制策略N+1电平和2N+1电平调制的实现方法及其谐波特性。
  (2)建立了MMC-HVDC的数学模型,研究了基于dq旋转坐标系下系统的稳态控制策略,并对控制系统设计了内环电流控制器和外环电压控制器。MMC型直流输电系统是一个非线性系统,由桥臂小信号模型推导了桥臂环流及电容电压平均值小信号模型,并构成了电容电压平均控制双闭环控制系统。考虑实际数字控制中延时对双闭环离散系统性能的影响,从系统稳定性角度出发,并通过校验系统相位裕度,计算了PI控制器参数取值范围,也为实际实验装置控制器参数设计提供了借鉴。
  (3)子模块作为MMC换流器的基本单元,是维持整个MMC型直流输电系统稳定运行关键。首先分类介绍了子模块器件常见故障,并对目前已有冗余保护控制做了总结概述。然后,针对系统无冗余备用或冗余备用子模块耗尽情况,为维持系统稳定运行且能最大程度利用桥臂子模块,基于桥臂能量均衡原理提出了一种子模块对称切除、系统不对称运行的控制方法。该方法在旁路故障子模块的同时,将非故障桥臂相同数量的子模块改做该桥臂的热备用,提高了子模块利用率及系统的可靠性。PSCAD/EMTDC仿真结果验证所提出控制方法的有效性。
  (4)在MMC基础理论分析及控制器参数设计的基础上,研制了一台小功率的无源逆变实验样机,分别从硬件设计和软件设计两个方面给出了详细的设计过程。最后在实验样机上进行了稳态测试,实验结果验证了控制策略及控制器参数设计的正确性。

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