摘要
随着海上风电场容量与电压等级不断增加，适用于直流汇集的大功率中压海上直流风电机组是未来的发展趋势。模块化多电平变流器（ModularMultilevelConverter,MMC）采用子模块（Submodule,SM）级联结构，降低了功率器件耐压要求。由半桥SM（Half-BridgeSM,HBSM）与全桥SM（Full-BridgeSM,FBSM）组成的混合MMC（HybridMMC,HMMC）因具备直流故障穿越能力，是海上直流风电机组的重要选择。然而，HMMC拓扑设计面临可靠性与经济性难以兼顾的问题，其运行控制面临准确且快速诊断SM故障的挑战。论文针对HMMC拓扑优化与故障诊断问题，以10MW、10kV海上风电机组为例，开展计及冗余的HMMC损耗、可靠性、成本等技术经济指标评估，初始与冗余SM数量优化，以及考虑SM电容电压纹波抑制策略的故障诊断方法研究。本文主要研究内容如下： ①在HMMC损耗评估方面，针对主动冗余策略下功率器件开关频率及电压应力变化导致损耗评估困难，而现有基于单一结构MMC损耗模型难以直接应用的问题，提出计及主动冗余的HMMC损耗解析模型。首先，考虑固定电平与电压均分两种主动冗余模式，分析HBSM与FBSM的载波移相PWM策略，揭示功率器件开关频率、电压应力随冗余SM数量的变化规律。其次，根据功率器件的导通与开关状态，建立不同冗余模式的HMMC损耗评估模型。最后，对比验证不同冗余模式及SM结构对HMMC损耗的影响。 ②在HMMC可靠性评估方面，提出基于Markov链的可靠性解析模型，攻克了计及主动冗余策略下功率器件温度与电压应力变化、以及被动冗余SM旁路开关故障率的可靠性评估难题。首先，基于HMMC损耗计算方法，建立计及温度与电压应力的SM可靠性模型。其次，考虑直流故障穿越能力对FBSM占比的限制，定义不同冗余策略下HMMC的基本可靠性与额外可靠性，建立基于Markov链的HMMC可靠性评估模型。最后，与传统可靠性模型进行对比分析，验证所提模型的可行性与准确性，并对比分析不同冗余策略的HMMC可靠性。 ③在HMMC拓扑优化方面，针对各项技术经济指标相互制约，且现有方法难以适用于复杂多变运行工况的问题，提出以重量、成本及可靠性为优化目标，以初始与冗余SM数量为优化变量，并计及风速概率分布的HMMC拓扑优化方法。首先，根据风速概率分布，建立HMMC重量、投资成本、损耗成本与可靠性的解析模型。其次，分析优化目标随初始与冗余SM数量的变化规律，基于非支配排序遗传算法，提出SM数量多目标优化方法。最后，获取以重量、成本与可靠性为优化目标的HMMC初始与冗余SM数量，验证本文方法的优越性。 ④在HMMC故障诊断方面，提出抑制SM电容电压纹波的二倍频环流（Second-orderHarmonicCirculatingCurrent,SHCC）注入法，以及不受SHCC影响的故障诊断方法，实现SM故障的准确与快速诊断。首先，建立计及SHCC的电容电压纹波模型，考虑风机转矩特性，提出全风速范围内抑制纹波的SHCC注入法及SM电容选型方法。其次，基于载波移相PWM策略，推导HBSM、FBSM故障状态下HMMC环流谐波表达式，提出基于环流谐波的故障诊断方法。最后，通过仿真与实验，验证所提SHCC注入与故障诊断方法的有效性。 上述研究成果为海上直流风电机组HMMC损耗、可靠性及成本等技术经济指标评估与拓扑优化奠定理论基础，也为SM电容电压纹波抑制与故障诊断提供技术支撑。
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