模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)在电力电子领域已成为重要、热门的研究方向。与传统的二极管钳位、飞跨电容以及级联H桥型多电平变换器相比,MMC因具有级联的高度模块化结构、可实现多电平输出、易于冗余设计、输出谐波含量少、可四象限运行及功率输送可调节等优点,成为电压源型换流器创新、发展的主要类型之一,在柔性直流输电(高压直流输电)系统中有广泛的应用。基于架空线的柔性直流输电系统(High Voltage Direct Current Transmission,HVDC)在我国拥有广阔的应用前景和发展潜力,然而,目前还有一系列关键问题没有得到很好地解决,因此对基于架空线的柔性直流输电技术的研究具有实际的工程意义。本文对MMC的运行机理、工作特性及系统控制策略进行了研究。(1)首先结合电压源换流器(voltage source converter,VSC)在高压直流输电系统的发展状况和国内外MMC的研究热点,进一步介绍MMC的优点;同时,建立了基于子模块电容电压的电路模型,并进一步简化得到以电流流向为基准的模型;在详细分析MMC与子模块的拓扑结构和工作原理的基础上,说明MMC输出多电平及输出波形的原理;根据简化数学模型,运用功率平衡原理,计算MMC的系统电容和电感的取值范围。(2)根据MMC-HVDC系统三个控制层级的不同,设计功率同步控制外环、电压同步控制外环及电流控制内环的控制策略;由于MMC的电容电压平衡包括桥臂内子模块电容电压平衡和桥臂之间电压平衡两个方面,本文一方面通过双闭环控制器调控桥臂间电压平衡问题,另一方面结合改进的载波调制方式和循环置换映射方式,以控制子模块的电容电压平衡问题。(3)通过分析MMC的拓扑结构和工作原理,发现MMC在工作过程中会不可避免的产生桥臂内部环流,桥臂内部环流会对系统的正常运行及元件性能造成影响,因此对环流的抑制十分重要,本文在分析环流数学模型及产生机理的基础上,以能量波动最低为目标,推导桥臂环流抑制参考值的表达式,设计环流抑制器。同时,在PSCAD/EMTDC软件中对所提出的控制方案进行仿真,验证本文控制策略和抑制策略的可行性和有效性。(4)分析MMC-STATCOM的应用现状、基于半H桥MMC结构的STATCOM的电路模型和补偿原理,及相间不平衡的问题。本文提出MMC-STATCOM内部和外部的控制策略。其内部控制模块包括电容电压平衡控制、桥臂间电容电压平衡控制、相间电容电压平衡控制及环流控制;其外部控制模块包括三相总电容电压控制、输出电压及电流控制。通过构建PSCAD/EMTDC仿真模型,验证得出结论:基于MMC的STATCOM系统能够在电网不平衡、负载不平衡条件下,有效地补偿无功、抑制谐波、补偿负序电流。
近年来,伴随着电力电子技术的迅速发展,多电平变换器在高压大功率场合应用广泛,新型多电平变换器拓扑结构层出不穷。模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）自2001年提出就备受瞩目,凭借模块化结构、拓展灵活等诸多亮点,被广泛投用于高压乃至特高压输电领域。然而,MMC仍会在某些特定应用场合受自身拓扑的限制,引发环流与电容电压不均衡等问题。针对以上问题,本文以MMC为研究对象,对其主要控制策略开展研究分析。首先,讨论MMC的主电路拓扑、子模块常用结构及工作原理,构建数学模型,推导出两种简化等效模型。分析常用调制策略,仿真验证了载波移相调制策略两种电平模式下的控制效果。着重比较子模块电容电压闭环控制和电压排序控制策略,针对传统排序控制的开关损耗问题,研究一种改善开关频率和开关损耗的优化排序控制,并通过仿真对比进行了验证。其次,通过对环流产生机理的分析,建立环流稳态数学模型,针对占主要成分的负序二倍频环流,研究基于PI控制器的环流抑制策略,为解决PI控制器应用的局限性,满足具有非线性、强耦合性的MMC系统的控制需求,引入分数阶控制理论概念,提出一种基于分数阶PIλ的环流抑制策略,采用频率设计法与坐标向量法设计出MMC环流抑制的分数阶控制器,运用Oustaloup滤波及Tustin离散法实现分数阶积分算子的有理化近似和离散化。并仿真表明了基于分数阶PIλ的环流抑制策略具有较好的控制性能。再次,针对MMC控制目标多、耦合性强等问题,分析有限控制集模型预测控制（Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC）,针对传统FCS-MPC策略运算量繁重的问题,研究一种基于NLM思想的快速优化模型预测控制策略（Fast Optimized Model Predictive Control Strategy Based on NLM,NLM-FOMPC）,在加入电压排序控制减少控制变量预测的基础上,引入NLM思想,实现滚动优化次数不再受子模块数目的限制,并仿真验证了NLM-FOMPC策略的控制性能。最后,介绍了RTDS（Real Time Digital Simulator,RTDS）实验平台,搭建MMC控制系统模型,仿真验证了相关控制策略的可行性和有效性。该论文有图87幅,表5个,参考文献96篇。
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