摘要
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)是一种近年来被广泛应用于高压直流输电、中高压变频调速领域的多电平变换器，它具有模块化程度高、开关频率低损耗小、输出电压谐波含量低等优点。但在变频调速领域应用时，尤其是低速大转矩工况下，存在子模块电容电压波动量大的问题，限制了它的推广使用。采用高频注入法可以解决电容电压波动问题，但随之带来电机侧高幅值的共模电压，会破坏电机绝缘，造成安全隐患。因此，飞跨电容型模块化多电平变换器(Flying-Capacitor Modular Multilevel Converter,FC-MMC)被提出。 本文首先对FC-MMC的一系列基础理论进行说明，包括FC-MMC及子模块拓扑结构、工作原理、常见控制策略等方面内容。重点阐述了FC-MMC同时减少子模块电容电压波动量和电机侧共模电压的原理。基于MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型，对不采用高频注入法的MMC、采用高频注入法的MMC和FC-MMC在输出低频大电流时子模块电容电压波动和共模电压的情况进行了比较。 在各半桥臂子模块电容电压均衡基础上，建立以相单元环流、飞跨电容电流、输出电流、各半桥臂子模块电容电压均值和飞跨电容电压值为状态变量、各半桥臂子模块开通模块数为控制变量的三相FC-MMC的状态空间模型。并在此基础上提出了一种新型控制策略——状态误差反馈控制策略，对控制器的增益系数进行优化设计，并运用Lyapunov理论对闭环控制系统的稳定性进行分析。提出的方法与传统的多环PI控制相比，由于每个相单元只需要1个调节系数，避免了繁琐的参数整定过程。针对传统冒泡排序电容电压均衡策略存在的计算量大、开关频率高、损耗量大等问题，提出一种基于子模块电容电压阈值的分组投切电容电压均衡策略。该策略通过预先设定电容电压阈值，并将上一控制周期子模块投切状态向量应用于本控制周期，根据子模块当前周期所处不同的投切状态，与设定的阈值上下限进行比较，将所有子模块进行分组，以确定各子模块当前控制周期的投入优先顺序。在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，对本文提出的控制策略和电容电压均衡算法进行仿真验证，结果表明了提出策略的可行性。 最后搭建了基于dSPACE的单相FC-MMC实验平台，并在此实验平台中对所提出的控制策略进行验证。所有实验结果与仿真结果一致，证明了本文所提出控制策略具有良好的控制效果。
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